基于无线传感器网络的油井监测系统组网的研究与实现

论文摘要

无线传感器网络(WSN)技术是一种新型的网络通信技术。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等,能够实时感知、采集、传输和处理网络监控区域内各种环境或监测对象的信息,具有成本低、功耗小、机动性好、易实现的特点,在工业、环境、太空、智能家居、军事等众多领域具有巨大的应用价值。目前,在油田生产过程中存在原油被盗、管道泄露、油井产量突然变化、突然停井等问题,若发现不及时,将造成国家巨大财产损失,污染和破坏当地生态环境,甚至会引起火灾、爆炸等重大安全事故。油田科研人员经多年研究发现,管道漏油或油田停井时管道的压力和温度会有规律的变化,并在此基础上探索出了一套通过专利阀门根据输油管道压力、温度的变化去判断上述故障的理论。但仅靠人工实施成本高、效率低难以满足工业需要,因此迫切需要一种可靠、有效的监测解决方案。本课题结合这套检测理论,通过对胜利油田东辛采油厂实地考察,设计了一套基于无线传感器网络技术的低成本、低功耗的采油现场实时监测报警网络系统。该网络系统用于实现采油现场油井和输油管道的实时监测,能够及时检测和监控管道泄露、油田停井等现象,可有效减少财产损失、环境污染,防范安全事故的发生。同时该网络系统还能够检测采油井的产油趋势,为企业管理人员制定生产经营政策提供依据,有利于提高企业的管理水平。本课题对无线传感器网络监控系统的搭建、运行进行了详细的研究、设计。网络系统由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成,分两级搭建,实现了数据采集,数据通信和数据处理功能。采用了无线传感器网络服务质量(QoS)技术,进行了信道侦测、信道迁移的抗干扰设计。同时对传感器节点的硬件和软件进行了低功耗设计,保证传感器网络具有较长的生命周期。汇聚节点利用操作系统的设计思想,任务之间相互协调配合实现了汇聚节点的参数设置、协议转换、数据转发、数据备份和系统报警功能,提高了网络系统的稳定性、可靠性和扩展性。通过管理节点和数据库服务器管理软件实现了数据存储、处理和分析。该网络系统中传感器节点采用电池供电,具有体积小,安装方便,防破坏能力强等特点。通信网络采用免费使用的ISM频段,无需布线,具有成本低、施工简单、维护方便。最后,为实现设计系统在采油现场的应用,利用两个搭建的测试网络对系统运行进行多次了测试,并对采集数据进行量化分析。检测数据表明该系统实现了输油管路的状态的检测和监控,进一步验证了该设计满足采油现场的监测需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题背景及实际意义
• 1.3 目前国内外发展情况
• 1.4 课题主要研究内容
• 第二章 无线传感器网络理论
• 2.1 无线传感器网络的组成及其架构
• 2.1.1 无线传感器网络的架构
• 2.1.2 无线传感器网络的传感器节点架构
• 2.1.3 无线传感器网络的体系结构
• 2.2 无线传感器网络的路由协议
• 2.3 IEEE 802.15.4标准
• 2.3.1 网络组成及拓扑结构
• 2.3.2 协议栈架构
• 2.3.3 功能概述
• 第三章 无线传感器网络组网的硬件设计及软件设计
• 3.1 无线传感器网络节点的硬件设计
• 3.1.1 数据处理模块
• 3.1.2 数据采集模块
• 3.1.3 无线通信模块
• 3.1.4 电源管理模块
• 3.2 网络汇聚节点的硬件设计
• 3.2.1 MCU单元
• 3.2.2 LCD单元
• 3.2.3 Flash存储单元
• 3.2.4 无线数传单元
• 3.2.5 实时时钟
• 3.2.6 键盘接口单元
• 3.2.7 声光报警单元
• 3.2.8 电源模块
• 3.2.9 无线收发模块
• 3.3 传感器节点软件设计
• 3.3.1 设计思想
• 3.3.2 传感器网络协议
• 3.3.3 帧结构
• 3.4 汇聚节点软件设计
• 3.4.1 系统初始化
• 3.4.2 任务设计
• 3.4.3 定时器设置
• 3.4.4 临界资源保护
• 第四章 无线传感器网络组网
• 4.1 油田无线传感器网络的研究与设计
• 4.1.1 有线传感器网络在油田监控中存在的问题
• 4.1.2 油田无线数传网络组建存在的问题
• 4.1.3 油田无线数传网络设计方案的研究
• 4.2 无线传感器网络的设计与组建
• 4.2.1 物理层通讯协定设计
• 4.2.2 无线传感器网络MAC（Media Access Control）层协议机制
• 4.2.3 拓扑结构的研究
• 4.2.4 网络结构设计
• 4.2.5 网络组建
• 4.3 工作原理及工作流程
• 4.3.1 工作原理
• 4.3.2 工作流程
• 4.4 无线传感器网络服务质量QoS技术设计
• 4.4.1 无线传感器网络低功耗设计
• 4.4.2 无线传感器网络的抗干扰设计
• 4.4.3 无线传感器网络的稳定性设计
• 第五章 系统测试
• 5.1 数据库服务器管理软件
• 5.1.1 通信部分
• 5.1.2 管理部分
• 5.2 网络系统检验测试
• 5.2.1 第一阶段测试方案
• 5.2.2 第二阶段测试方案
• 5.2.3 第三阶段测试方案
• 5.3 网络系统效果检验
• 5.3.1 网络系统对油田停井监测效果检验
• 5.3.2 网络系统对管道泄露监测效果检验
• 5.3.3 网络系统效果总结
• 第六章 总结及展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 相关工作的展望
• 附录一 传感器节点实物图
• 附录二 汇聚节点实物图
• 附录三 汇聚节点数据显示图
• 附录四 传感器节点外观图
• 附录五 传感器节点安装图
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间研究工作及参与的工程项目
• 学位论文评阅及答辩情况表