基于无线传感器网络的油井远程监控系统设计

论文摘要

油田的地理环境特殊,分布范围极其广泛,相互之间距离远进不一,通信设施分布参差不齐,而且各个井场交通不便且分散、测试维护人员劳动强度大,劳动效率低,采油的成本较高,并且现有的油井抽油机远程监控系统建设费用很高且在使用过程中存在盲区,给油田的生产管理带来了极大不便,同时也不利于油田生产管理的信息化建设,为了解决现存的问题,本文设计了油井远程监控系统,它是一种基于无线传感器网络的系统,是监测抽油机工作情况的重要设施,不但能及时获取油井的工作状况,实现无人值守操作和系统的自动化监视,而且也降低了成本,提高了生产效率。经过对油井监控系统的需求分析,本文引入了GPRS和ZigBee技术,采用大量传感器无线组网传输的方式,不再使用传统的监控油井的方法,两者优势进行结合,设计了一套适用于油井监控的无线网络的拓扑结构,该网络包括基于ZigBee的无线传感器汇节点数据的完整无线网络系统和基于GPRS的网络传输系统两部分。描述了ZigBee无线网络组网过程,研究了设备建立和加入网络的方式,讨论了ZigBee协议数据与GPRS网络中的TCP/IP协议数据互转的可行性,设计了GPRS与ZigBee网关。本课题采用市场上比较流行的JN5139无线微控制器结合适当的传感器、GPRS模块、显示模块及其他器件搭建网关节点、采集控制节点和便携式设备等硬件平台,利用ZigBee网络,进行抽油机数据的采集并完成传输；系统软件完成网络建立、数据采集、无线收发、数据显示等控制功能,设计时根据模块化设计方法进行各功能模块设计。与目前使用的油井监控系统相比,本课题具有两个特点：一是将面向短距离通信的无线传感器网络和面向远距离通信的GPRS网络结合起来,使得两者的优势能够互补；二是对ZigBee网络节点唯一的64位MAC地址进行绑定,为精确的节点控制提供了稳定条件。经测试,本课题工作稳定,监测方式灵活多样,运行可靠测量精度高,人机交互界面友好,数据延时也在监控系统要求的范围内,将其应用在油田可提高油田生产管理的效率,大大降低了成本,在设计应用中比较实用。但是从安全生产、直观方便的角度出发,有必要在系统中添加远程视频监控的功能,需要对系统进行进一步的完善和扩充。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究内容和论文工作安排
• 2. 系统设计方案
• 2.1 方案需求分析
• 2.2 无线传感器网络介绍
• 2.2.1 网络协议结构
• 2.2.2 拓扑结构
• 2.2.3 Zigbee模块选型
• 2.3 无线分组业务
• 2.3.1 GPRS网络的结构及协议模型
• 2.3.2 GPRS模块选型
• 2.4 系统架构
• 2.5 本章小结
• 3. 系统电路设计
• 3.1 节点基础单元模块
• 3.2 采集控制节点电路系统设计
• 3.2.1 系统结构
• 3.2.2 电源和A/D转换电路
• 3.2.3 传感器模块的选择与安装
• 3.2.4 控制执行部分电路
• 3.3 便携设备电路设计
• 3.3.1 系统结构
• 3.3.2 液晶显示
• 3.3.3 按键检测及接口电路
• 3.4 网关节点电路系统设计
• 3.4.1 系统结构
• 3.4.2 GPRS接口电路
• 3.4.3 串行通信接口电路
• 3.4.4 时钟和存储电路
• 3.5 硬件抗干扰性能设计
• 3.6 小结
• 4. 系统电路设计
• 4.1 系统层次模型及实现流程
• 4.2 网络初始化
• 4.3 数据采集与传输
• 4.4 远程通信实现
• 4.5 便携设备控制
• 4.6 驱动程序设计
• 4.7 软件系统低功耗设计
• 4.8 本章小结
• 5. 系统测试与分析
• 5.1 软件开发平台介绍
• 5.2 系统查询控制方式
• 5.3 ZigBee网络组网性能测试
• 5.4 GPRS远程通信性能测试
• 5.5 便携设备控制性能测试
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 节点电路系统原理图
• 附录2 实物图
• 附录3 系统选用传感器特性对照表
• 附录4 油井监控系统控制命令说明