ZigBee应用于油田数字化建设

1  ZigBee 网络通讯技术的内容及特点

1）ZigBee 的定义。ZigBee 是无线通讯技术的一种，它主要是对功耗低、传输速率低的各种类型的电子产品进行数据传输，在无线通讯领域它被普遍认为是最适合工控场合运用的无线设备。其网络结构如图1 所示。

图1 ZigBee 结构图

2）ZigBee数传技术的特点。ZigBee 无线通讯技术与蓝牙、红外线通讯技术等无线通讯技术相比在系统开销、电池寿命、网络节点以及传输率等方面具有明显的优势。①低功耗：ZigBee数传模块输率为20/255Kbps，较低的传输率消耗的发射功率仅为1mW。低功耗的特点使ZigBee 无线模块在运行中指需要依靠很低的电量，不仅有超长的使用寿命，还可以节省大量的电能。②低成本：由于功耗低，ZigBee模块的投资成本也很低。目前，ZigBee 在40 元左右，受市场经济影响很快就会降低到20 元左右。③容量大：很多无线通讯技术由于容量小不适合现代企业快速发展的要求，而两个星型结构的ZigBee数传模块网络可以容纳500 个左右的从属设备以及两个主设备，具有超大容量。④安全性能高：ZigBee 数传模块传输的数据包需要经过对方的接受确认，系统才算正式完成工作，如果传输过程中出现问题导致发送失败，还可以重新发送。另外，ZigBee 无线模块通讯技术自身带有安全检查功能，各个应用技术都可以通过检查功能确认数据传输是否安全。

2  ZigBee 在油田数字化建设中的应用

ZigBee 无线模块通讯技术在油田数字化建设中的应用主要体现在对油水井生产信息的ZigBee数据采集及运输上，油水井通过ZigBee 无线模块通讯技术不仅可以获得稳定的传输数据，受无线通讯技术本身的影响，还有效地控制了数据传输中产生的费用，降低了油田企业建设的成本。

1）ZigBee 数传网络通讯结构。ZigBee数传在油田数字化建设中的实际应用主要分为三个层次：第一层是在油水井井口进行ZigBee数据采集，主要是对传感器与远程控制器之间产生的数据进行ZigBee数据采集。第二层是收集远程控制器终端与ZigBee 基础站点之间的通讯数据，主要使用2.4G 无线通讯技术。第三层主要是收集油田局域网内的通讯数据，油田局域网内的主要功能是将ZigBee 基站网关接收的数据进行传输，便于传输数据的收集与管理。ZigBee 数传模块网络通讯结构图如图2 所示。

图2 ZigBee 网络通讯结构

2）油井中的数据传输距离。在ZigBee 网络通讯结构中，远程控制器终端与基站网关之间的距离对数据的接收有直接的影响，ZigBee 无线通讯技术具有近距离传输的特点，因此，基站网关如果距远程控制器终端较近，不通过其他辅助工具就可以直接接收数据信息。ZigBee 网络通讯结构图显示，远程控制器终端与基站网关之间的距离是无线通讯有效接收数据的关键，一般情况下，ZigBee 接收的通讯距离为2000 米，受实际接收环境的影响，ZigBee 接收距离一般都达到2000 米以上。影响数据传输距离的不仅是ZigBee模块的发射功率，发射、接收数据的天线质量和高度也会影响数据传输距离。一般认为，天线的假设高度与数据通讯距离成正比，另外传输距离和基站网关使用的天馈线长度也有紧密联系，天馈线越长传输距离越远，信号质量也就越差。

    3）ZigBee 网络控制油井数量。区域组网时，按照一般情况，一个基站网关所能带的油井为250 个左右，但在油田企业的实际运用中最多只能带动50 个油井。主要原因是油井数量上传时间太短，基站网关的油井数与上传数据周期的时间成正比，这个过程在操作中很难控制，是问题的多发地带，基站网关一旦出现问题，就直接减少油井的数量。因此，在设计时应该尽量减少每个基站网关所带的油井数量，从而保证传输数据的可靠性。

    4）基站网关的数据传输时间。功图数据是每个油井传输的主要数据，每幅功图数据由120 个点组成，一共占240 个寄存器地址，每个油井一次上传数据大约为250 个寄存器地址500个左右的字节，加上通信握手、呼叫等待、重新发送等时间，一口油井完成数据传输的实践为15 s 左右。以此计算，100 口油井全部数据的上传时间大约为1500 s，也就是26 分钟左右，综合以上计算，每个基站网关的全部数据成功传输时间大约为15 分钟。

3  结论和建议

1）结论。ZigBee 技术在油田企业建设中主要应用在油水井生产信息的ZigBee数据采集和监控系统中，综合分析ZigBee数传在油田数字化建设中的应用可以看出ZigBee数传网络通讯技术从基础组网建设到协议转换再到数据上传时间，都符合低功耗、低费用以及安全可靠的特点，它不仅实现能力生产数据的稳定传输，还有效地节约了企业生产投入资金，促进了企业的发展。ZigBee 网络通讯技术满足了油田企业自动化建设的需要，是一项符合现代科技发展需求、能够短距离无线传输数据的技术。

    2）建议。油田企业对ZigBee 数传网络通讯技术在油田数字化建设中应用的认识逐渐清晰并加深，结合ZigBee 网络通讯技术在油田数字化建设中的应用分析可以看出，借助ZigBee 无线模块进行网络组网设计时，首先要考虑网络通讯的数据量，根据网络组网的实际情况设置最合适的网关数量，保障通讯过程中所有数据正常通讯。

    ZigBee 数传模块网络通讯技术在油田数字化建设中已经取得了良好的效果，油田企业自动化系统建设也可以采用ZigBee 网络通讯技术，不仅可以提高施工效率，节省建设成本，还可以降低信号线的管理、保证工作量。

4  结束语

通过对ZigBee模块在油田数字化建设中的应用的分析，ZigBee数传网络通讯技术从数据传输实践、稳定性和安全性上都符合我国油田数字化建设，在油水井的信息收集工作中已经取得了良好的效益。ZigBee数传网络技术不仅可以推动油田企业的数字化建设，还可以减少企业建设成本，保障企业快速发展。