贺靖淇 梅大成 陈亚萍 苏杰

摘要：LoRa作为新兴的无线通信技术，以其低成本、低功耗、远距离、自组织等特点，广泛应用于智能家居、安全监控、智慧油田、智慧城市等领域。本文针对油田采油井工作环境的复杂性性，设计了一套基于LoRa无线传感器网络的带压作业监控系统，实现了采油井参数监测、设备远程控制等功能。并通过实验证明了本系统不仅在功耗上满足实际需求且运行稳定。

关键词：LoRa；智慧油田；低功耗；传感器网络

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）10-0022-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着工业化进程不断加速，石油能源在各个化工行业以及日常生活中有着重要的价值，因此，一套高效率、低功耗、低成本的无线监控系统显得尤为重要。采油井作为油田重要工作场景，传统的工业数据采集检测系统往往不能及时反应采油井重要数据参数、且存在布线困难、成本高，往往会受复杂的地理环境的限制，严重影响了系统的实时性和数据的准确性。为了解决上述情况，本文选用LoRa扩频技术设计了采油井数据监控系统，能够实时监测工况，并且可以远程控制设备运行状态。

1 带压作业监控系统网络结构

以川庆某作业井为例，需要为油田采油井各个关键工作参数设计无线传输方案。油田采油井共分布着多个参数采集设备和一个数据集中器设备。

针对现场需求和LoRa无线传感器网络技术，考虑将井口压力、大绳拉力、卡瓦状态、防喷器状态传感器节点作为“终端”负责采集信息，以监控油田生产设备环境状况和收集重要参数信息，用锂电池供电；集中器节点则安装在各油田监控室，并通过串口与PC相连，实时监控设备各关键参数，指导工作人员制定工作计划，集中器由市电供电。这样就将油井各传感器采集设备和集中器设备构成了多对一的网络。

基于上述考虑，将井口压力、大绳拉力、卡瓦状态、防喷器状态等传感器作为终端节点，集中器节点在总控室与电池一起安装，即每一个采油井使用一个集中器节点，每一个集中器节点即代表一个独立的局域网络，与其构成网络的多个传感器节点作为其子节点。集中器节点也可以称为网关，以433MHz无线通信频段与子节点进行通信，以485串口透传方式与PC机进行数据交互。

2 系统硬件结构设计

2.1 传感器节点

结合项目设计的具体需求，选择ST公司的STM32F051芯片作为传感器节点的主控芯片（MCU），该单片机支持等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止、和停止等5中低功耗模式，方便了Lora无线传感器终端设备的低功耗设计，完全满足需求。传感器节点硬件结构。

传感器模块采用成熟的插入式标准化模块，将模块通过底板预留外设引脚与MCU相连接，实现设备通用化灵活配置。LoRa射频模块选用SX1278射频模块，具有超远距离扩频调制信道、高抗干扰能力和超低电流功耗，采用星型网络架构，可以将数百万的无线传感器组成网络。

2.2 集中器节点

集中器节点采用Cortex-M0处理器完成主控功能，使用sx1276进行lora数据收发，集中器节点运行FreeRTOS系统，可支持本地实时数据监控和历史数据调取，也可直接发送数据到公网云服务器，供用户远程监控。集中器节点具有LoRa自组网通信协议所有功能与特性，负责建立网络，管理传感器节点、存储并上传传感器节点信息等功能，另外增加了串口透传模块与PC机软件进行数据交互，为了满足大量传感器节点之间传输不冲突，故为集中器节点增加了所必需的GPS模块，以达到集中器节点与传感器节点进行精准时间同步，防止时钟偏移现象发生。

3 系统软件结构设计

系统软件主要包括传感器节点软件设计、集中器节点软件设计两部分。传感器节点主要实现数据的采集和发送，并实时接收通过集中器节点下发的设备控制信息；集中器节点一方面负责网络的配置和管理，另一方面收集各个传感器节点发送的数据，将数据处理后通过串口上传至上位机软件，并按需求下发控制信息以控制传感器节点设备状态改变[5]。

3.1 传感器节点软件设计

传感器节点程序的主要任务分为“采集数据按时上传”和“控制响应”，前者是按照给定的时间间隔采集传感器数据，后者则包括“控制信息响应”和“入网、掉网时间处理”，采用终端处理方式。如图1所示，传感器节点初始化完成后，先产生入网随机时间延时，避免多个传感器节点同时向集中器节点发送入网请求，在成功加入网络后获取数据包发送时间和时间片，然后进入休眠状态。传感器节点处于休眠状态时，检测信道中是否有数据要接收和是否到达定时发送时间，并在信道中有数据要接收或到达定时发送时间时唤醒，信道中有数据要接收时，LoRa終端进入接受状态，在数据接收完后对数据进行解析，然后执行相应操作，若到达定时发送时间，则将要发送的数据包封装，然后上报，完成上述操作后LoRa终端进入休眠状态。

3.2 集中器节点软件设计

集中器节点的任务相对简单，只需要接收和处理自组网络中的网络消息、并按规定时间对整个网络中的节点进行时间同步、规划节点上报时间并下发时间片。网络消息分为来自串口上位机的设备控制命令和来自各个传感器节点的数据消息。如图2所示，集中器节点初始化完成后处于数据接收状态下，检测是否接收到串口数据和信道中是否有数据要接收。]若收到串口数据（上位机软件通过串口下发的指令等），则对串口数据进行解析，解析完成后对串口数据进行打包和下发。若信道中有数据要接收，则进行数据接收，并在数据接收完成后对其进行解析，若接收到的数据为上报数据则将其上传给主控设备，若接收到的数据为入网请求，则判断其为新节点或旧节点，并执行相应操作将发送入网请求的传感器节点加入网络中，然后进行时间同步和时间片下方，完成上述操作后LoRa集中器进入休眠状态并按时唤醒进行CAD信道检测。

4 终端测试

为了测试无线监控系统的运行稳定性和所涉及硬件功耗情况，采用1个集中器和2个节点组成一个简易网络进行测试进行丢包率计算，最终通过丢包率来判断网络稳定性。

为选择最佳通信参数，在不同的参数设置下对单一基站覆盖的无线网络进行仿真实验。

具体的通信参数设置为：带宽为125kHz，扩频因子为12，编码率为4/8，载波频率为433MHz，发射功率为+14d Bm。配置dh11温湿度传感器进行功耗测试，数据采集上报周期为15s，利用Keithey2700数据采集仪测量监控终端工作电流，功耗如表1所示。

从上表数据可以看出，测得系统在休眠状态下电流可以达到1.4?A，通过计算可知设备平均工作电流约为0.15mA，若采用20000mAh的电池，理想情况下设备可以运行近10年，能够达到应用需求。

集中器设备能够采集2个节点发送的数据包个数并在接收数据后可以上传至PC机进行处理，我们通过2个节点发送的数据包总数和集中器收到的数据包个数的差值进行比较，来计算网络系统24小时的丢包率。测得数据和丢包率。

测试距离小于350米时丢包率不大于5%，通信稳定、可靠，满足当前项目需求。

5 结论

通过传感器节点、集中器节点组建的无线传感器网络，实现了采油井关键信息的采集、传输和处理。适用于采油井关键信息多而广的应用需求，同时也大程度上降低了组网、部署和维护成本。作为油田信息系统中数据获取的有效技术手段，无线传感器网络具有很好的应用前景。

参考文献：

[1] 刘佶，徐群.ZigBee无线传感器网络技术在油田信息采集系统中的应用[J].电子设计工程，2014（5）：157-160.

[2] 肖候均，郝卫东，刘一鸣.基于ZigBee的无线医疗监护系统设计[J].微计算机信息，2012，280（01）：74-75+3.

[3] 黄增波，叶锦娇，赵华玮.基于LoRa技术的低功耗无线锚杆应力传感器设计[J].煤矿现代化，2017（1）：39-42.

【通联编辑：王力】