袁程 余厚全

摘 要：为了实现油田井点远程无线网络监控，本文提出了一个WiFi+4G的井点无线监控组网方案，设计与开发了一种基于WiFi无线接入的油井监控单元。该单元采用MCU+WiFi模块的结构，有多个模拟/数字的输入/输出通道，辅以WiFi-4G路由器的组网，能够自动接收远程监控中心的指令，对井点设备对象进行测控。试验结果表明，组网方案简单易行，监控单元工作稳定，性能可靠，能够满足油井监控和其他物联网终端的测控需求。

关键词：无线传感网络；油田井场；监控单元

中图分类号：TN929.5；TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）02-0007-04

Design of Oil Well Monitoring Unit Based on Wireless Network

YUAN Cheng YU Houquan

（College of Electronic Information， Yangtze University， Jingzhou Hubei 434023）

Abstract： In order to realize remote wireless network monitoring in oil field wells， in this paper， a WiFi+4G well point wireless monitoring networking scheme is proposed， and an oil well monitoring unit based on WiFi wireless access is designed and developed. The unit uses the structure of MCU+WiFi module， which has multiple analog/digital input/output channels. Supplemented by WIFI-4G router's networking， it can automatically receive the command from the remote Monitoring center and controls equipment objects in the well point. The experimental results showed that the network scheme is simple， the monitoring unit is stable and reliable， can meet the needs of oil well monitoring and IOT control.

Keywords： wireless sensor network；oilfield well sites；monitoring unit

为了确保油田生产安全，提高油气开采的效率，需要对油田井点的环境和设备的工作状态进行检测，并及时上报远程监控中心，同时根据监控中心的指令对井点设备实施控制[1]。在20世纪80年代，油井参数实现了自动检测，并在条件允许时实现有线远程测控。但是，由于油田井点分散、偏远，条件和环境一般很差，通过有线传输测控通常不可行。随着无线移动通信技术的发展，采用GPRS技术来远程传送井点测控数据成为一种解决方案。但是，GPRS数据传输速率比较低，不能满足井点不断增加的监控数据量的传输要求。鉴于目前新一代4G无线移动通信网络传输速率更快，可靠性更高，覆盖区域更广，该单元采用MCU作为控制和处理模块，实现多路模拟信号的采集、数字信号的接入，同时输出模拟量和开关量对设备对象实施控制；通过添加WiFi模块实现无线网络接入，辅以井场WiFi-4G无线路由器组网，实现监控单元与远程监控中心的数据通信，为油井监控的数字化、网络化提供一个解决方案。

1 油田井点监控的组网方案及对井点测控单元的要求

为了实现对油田井场的智能监控与管理，可以采用如图1所示的监控组网结构。

整个系统由井点监控单元、井点WiFi无线局域网络、4G互联网接入和监控中心组成。监控单元安装在井口附近，对井口温度、压力、角位移、载荷和电流电压等数据进行实时采集，并将采集到的数据以一定格式通过无线通信网络发送到监控中心服务器。监控单元可以主动向后台监控中心服务器发送监测数据，也可以接受由监控中心发来的指令进行数据采集和井点设备控制[2]。

在该结构中，一个油田有若干采油区，每个采油区有若干个油井。在每个井点布置1个具有WiFi接入功能的监控单元。在每个采油区配置1个WiFi转4G的无线路由器，一方面，在井区形成一个WiFi无线覆盖网络，便于多个井点监控终端的无线接入；另一方面，通过一个商用的无线4G网络接入互联网，实现监控单元与油田的后台监控中心服务器的连接[3]。

因此，对监控单元的基本需求有以下几点。①检测功能：监控单元要能够提供井口环境信息，采集油井設备运行状态数据。②控制功能：监控单元要能接收监控中心发来的控制命令，对相应的设备或对象实施控制管理。③网络接入功能：监控单元应具有网络接入功能，以便将检测的信息发送到远程监控中心和接收远程监控中心发来的指令。④数据存贮功能：监控单元应具有数据存储功能，按一定循环周期缓存采集的监测数据。⑤信号分析功能：监控单元应能简单地分析检测的信号，发现异常和故障时应立即告警或向中心发送告警信息。

2 油井监控单元的设计与实现`

油井监测的基本参数有井口的温度、位置，井口套管压力，抽油机电机的电压、电流以及抽油机光杆载荷和位移，相应的传感器有载荷传感器、位移传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器和GPS定位模块等[4]。油井监控输出的控制参量一般有开关控制量、光电报警指示、模拟控制量、控制电机的PWM调速信号等。

根据对监控单元的需求分析，本文提出了一个井点监控单元的设计方案。该方案是一个基于MCU、通过扩展相应的外围电路而形成的一个具有WiFi无线网络接入功能的测控单元。MCU通常具有多个模拟和数字的输入/输出接口，因此，通过外扩信号调理电路，采用MCU内置的ADC实现模拟信号的采集；通过外加信号调理和驱动电路实现控制信号的输出；通过其数字通信接口，外接一个WiFi通信模块，实现监控单元的无线网络接入；通过外扩一个Flash芯片，实现监控采集数据的存贮；通过外加一组USB接口芯片，实现存贮数据的快速存取。即设计实现一个基于MCU控制与采集、具有模拟和数字信号输入输出、带有数据存贮和WiFi无线接入功能的最小系统[5]。

2.1 监控单元的硬件设计

监控单元的硬件设计如图2所示。MCU选用了STM32F103ZET6芯片。①该芯片拥有512KB的Flash存储和64KB的SRAM，特别是128个可配置的IO接口，非常方便实现数字信号的输入和数字开关量的输出。②该芯片自带3个12位ADC，量化精度为0.25‰，完全满足传感器检测的模拟信号数字化动态和精度要求。若每四路复用一个ADC，可以采集12路模拟信号。③该芯片具有2通道12位DAC，可以满足设备对象需要模拟信号实施控制的需求。④该芯片具有11个定时器，除了满足定时的需求外，还可产生PWM信号，控制对象调速。

WiFi无线接入模块选择HLK-RM04，其是一个基于通用串行接口的符合网络标准的通信模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网（WiFi）3个接口之间的转换，其具有功耗低、运行稳定、抗干扰能力强的特点。通过串口与MCU相连，实现无线网络的数据传输。

外部扩展的Flash存储芯片选用W25Q128，其容量为16MByte，能满足存储24h采集数据的需求。

由于井点传感器的输出都是以电流的形式，外围扩展的信号调理电路由电流-电压转换放大器和低通滤波电路组成。电流-电压转换采用电阻取样，由LM358运算放大器调整放大，将电流信号转换到ADC量程电压范围内。监控单元既可以通过MCU内置的DAC输出模拟控制信号，经低通滤波和驱动放大后送到相应的控制对象，也可以通过调整内置定时器输出相应的PWM信号，经驱动后控制电机速度，还可以通过IO接口输出开关量，控制设备的启停和故障报警。开发完成硬件电路如图3所示。

2.2 监控单元的软件设计

油井监控单元的软件模块划分如图4所示，包含3个基本模块。第一个是主监控模块，基本流程如图5所示，第二个模块是消息接收模块，第三个模块是监控单元注册模块，基本流程如图6所示。

主监控软件模块主要进行数据的采集、存储和发送，以及对各类标志与信息进行读取、判断，然后进行相应的操作。当监控单元上电后，主监控模块分别对MCU和HLK-RM04进行初始化，启动注册定时器，设置相应的波特率、数据格式和IP地址等参数，然后进行一轮的数据采集与存储。当采集存贮完成后检测监控单元是否在服务器注册成功。根据注册成功与否，确定是否将检测的数据传送到监控中心服务器。接收中心服务器按接收到的控制命令对设备对象实施控制，然后开始下一轮数据采集[6]。

注册软件模块是以定时器触发中断的方式定时向监控中心服务器发送注册请求消息，并接收服务器的注册应答消息，建立相应的注册状态标志位以便主监控软件模块查询本单元的注册状态。

消息接收软件模块是当网络侧有消息到达时，由WiFi通信模块通过串口触发中断进入该消息接收中断服务程序。中断服务程序接收网络侧发来的消息，并判断消息的类型，建立相应的标志，将接收的消息写入相应的寄存器，以便主监控模块查询读取。

3 试验测试结果

在井区安装WiFi-4G路由器进行无线组网，在井口安装设计开发的监控单元，并连接温度、载荷、位移和位置4个传感器。监控单元各模块进行配置和网络接入正常后，进行试验测试。图7给出了在监控中心显示的、由監控单元采集的井口一天的温度变化曲线和根据检测的参数计算出的油井电机工作的示功图。测试结果表明，采集到的温度可以反映油井井口的温度变化，通过检测参数计算出的示功图可以了解抽油机工作状况的好坏。因此，本文设计开发的油井监控单元实现了无线网络远程监控的基本功能。

4 结语

针对油田生产对无线监控网络的需求，本文提出了基于WiFi+4G的油井监控的组网方案，设计开发了基于MCU、采用WiFi无线网络接入的油井监控终端。该单元具有多个模拟和数字的输入输出通道，实现了输入多参数检测和输出多参量控制，工作稳定，运行可靠。由于具有WiFi接入功能，通过WiFi+4G的组网方案，可以直接借用现成的商用无线网络远程传送监控数据，使得组网更加方便、快捷和经济，数据的传输更加快速高效，为油井网络监控提供了一种新的解决方案，对于其他领域的远程监控也具有适用性。

参考文献：

[1]李传伟，慕德俊，李安宗.基于无线传感器网络的钻井井场监测系统[J].测控技术，2008（12）：1-2.

[2]戴少军.4G通信技术在油气田的应用研究[J].中国科技信息，2013（14）：84.

[3]王文珍.基于无线传感网络油田智能监控系统的设计[J].自动化仪表，2013（2）：92-96.

[4]黄慧鹏.油田采油井站巡检系统设计与应用[J].信息技术，2016（6）：170-172.

[5]张乃禄，杨磊，郑昊，等.基于物联网的油田井场安全监控预警系统[J].油气田地面工程，2016（2）：56-58.

[6]白凯，夏宏南，印森林，等.基于4G技术的油田井场无线视频监控系统设计与实现[J].电子设计工程，2017（6）：177-180.