基于无线传感器网络的油田数据采集网络设计

0 引言

随着石油资源逐渐开采，可用油资源日益紧缺，并且随着人类社会经济发展，石油消耗量日益增大。在这样的形势下，对现有石油资源进行科学采集、提高开采利用率显得愈发重要。

普通采油厂一般由多口油井、计量站、管汇阀组、转油站、联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其他分散设施组成，整个采油厂的各种设施的工作状态及采出油品的数据(主要有温度、压力、流量等)直接关系到油田生产的稳定及原油质量。

数字油田是将油田中所有的事物(盆地、地面、井中、油藏)全部抽象为逻辑数字，通过高性能计算机多元异构的全面处理(运算、模拟、建设平台和存储)，从而可以对油田地上、地下做完整的表征和直观的展示。

也就是说能够用数字展示和表述全部油田事物的现代化高新技术。其实质是，数据转化信息，信息转化知识，以信息作为技术为油田服务，从而寻找到新的油藏和油田以及提高油气的采收率。

对石油采集、运输和存储等环节的众多参数实时监控，是实施数字油田的一个重要组成部分，为生产人员掌握采油设备的运行状态，为监控油井生产异常、监控油井产量、运输防盗和存储防盗防漏等科学决策提供重要参考。

将如此诸多参数传送到油田监控中心，需要构建一个效率高、响应快、费用低的数据传输网络。本文针对油田实际需求及现场特点，提出基于无线传感器网络理念的油田数据传输网络构建方案。

无线传感器网络技术是近几年提出的一种新兴技术，基于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的双向无线通信技术，主要适合于承载数据流量较小的业务。这种网络的特点是在现场自动建立网络路由、能自组织，在某些节点失去功能网络自动恢复，适合于野外环境下作长时间工作的无人值守观测网络及自动化执行网络。

1 基于无线传感器网络的油田数据传输网络

1.1 网络结构

在现有的自动化油田数据采集传输方案中，为一台主控设备通过有线接载多路传感器，进行数据采集，收集各路数据之后，通过GPRS或CDMA信道传送至数据中心，这种网络结构要求每台抽油机或其他设备均通过GPRS或CDMA传输。

在本文提出的基于无线传感器网络的油田数据传输网络中，其基本结构由两个层次网络构建而成，第一层网络是一个采油井区范围内，构建一个本地的无线传输网络，所有的数据汇总至井区的中心;第二层网络是各井区的中心，通过GPRS或CDMA方式再传送至整个油田的数据中心。

采用两级网络方式，将具有以下优势：

(1)减少了GPRS或CDMA通信节点数目，将有效降低设备运营产生的通信费用;

(2)减少有线布设，降低线缆及其施工费用，也降低了现场设备安装的复杂度;

本文提出的油田数据采集网络结构将网络分为两个层次，每个工作小区现场布设普通节点和小区中心节点，小区中心为整个小区传感网络的中心，收集数据或转达命令，其通过现有的GPRS(CDMA)网络和架设在机房的服务器联系，由于第二层次和既有设计一样，下面将重点讨论第一层次的设计。

1.2 网络拓扑结构

目前无线自组织网络结构主要有星型、树形和MESH等三种。这三种网络各有特点，适应于不同的应用场景下。油田应用中，所有节点将数据汇聚到中心节点，中心节点向工作节点发布命令，工作节点之间没有进行应用数据通信的要求。在此条件下，应该采用树形结构。

1.3 网络路由建立

节点开机后，首先发出广播信息，寻找网络，就近收到的节点作出响应，并将节点的加入请求回送给中心点，中心点根据最短路由依据，仅对其中一条请求(如果有多条的话)做出回应，并分配网内地址，长度为2 B，自后，即以此短地址作为网内通信时用的识别码。字节收到中心节点的加入网络许可后，即跳出加入网络模式，进入正常工作模式。

数据传输采用Trans-ACK模式，即每发送一个包，采用端对端的应答机制，以保证传输的稳定;数据发送失败后，最多允许3次重传，如果3次重传失败，则宣告节点与网络失去联系，进而重新执行加入网络过程。

2 网络节点的硬件设计

2.1 节点硬件结构

第一层次中小区中心结构如图1所示，与普通节点间差别是没有安装GPRS(CDMA)模块，即小区中心节点同时也具有完备的普通节点的采集数据和动作控制能力。除此之外，它们的太阳能电池、可充电电池大小及工作软件则有较大差别。

2.2 节点电源设计

节点的电源供应事关整个网络的生存周期，故一方面要千方百计增加电源供应，另一方面要降低能量消耗。