对于传感器无线录井传感器网络设计

摘 要：介绍了一种基于ZigBee通讯技术的无线录井传感器网络。采用星型网络拓扑结构，以录井仪器房为中心节点，覆盖整个井场，接收各传感器节点的数据。通过软硬件结合的设计方法，采用低功耗电路设计和自动休眠电源管理等措施，兼顾了传感器节点可靠性，通过开发专用通讯协议保障网络安全。系统实现了录井传感器的无线化组网，满足复杂井场条件下的安装要求，具有较好的应用前景。
关键词：录井；无线；传感器；网络；低功耗
1812-2485（2013）06-032-004
录井施工需要利用传感器对钻井施工现场的各类数据进行采集，目前常用的方式是将分布在井场的传感器，通过信号线连接到录井仪器房的主控计算机进行采集处理。录
[作者简介] 袁吉鲁（1963-），男，胜利石油管理局地质录井公司，现主要从事综合地质研究勘探开发技术管理工作。
井现场用于数据采集的传感器基本分为模拟信号传感器和脉冲信号传感器两大类，涉及钻井参数测量、气体参数测量、地质参数测量等应用。
无线传感器网络技术是近几年提出的一种基于近距离、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。随着短距离无线通信技术和电子元器件技术的发展，在录井现场组建一种新型的无线传感器网络，是今后录井技术发展的一个方向。
1 总体设计

1.1网络拓扑结构

根据录井现场的特点，无线传感器网络采用星形拓扑结构，以录井仪器房为中心节点，中心天线安装在录井仪器房顶，覆盖整个井场节点， 负责接收各节点无线传输的数据（图1）。在无线传感器网络中， 每个节点分配一个唯一的ID， 数据的传输采用主从站方式。
图1 录井现场无线传感器网络拓扑结构

1.2 通讯协议

目前，常用的短距离无线通信技术主要有ZigBee、蓝牙、WiFi、数传电台等，表1针对目前常用短距离无线通讯技术的特点进行了对比。ZigBee技术是一项基于IEEE 802.15.4无线标准的低速率、低功率无线技术，基本速率250 kb/s，传输范围100m，当传输速率降低到28 kb/s时，传输范围可扩大到134m，传输可靠性也进一步增强，可实现多节点联网，具备扩展性好、功耗低、成本低、安装简单等特点。在录井现场，单个传感器节点通常情况下数据传输速率小于2kb/s，因此Zigbee无线通讯28kb/s的传输速率完全满足现场要求，是组建录井现场无线传感器网络的首选短距离通信技术。
2 网络节点
将现有有线传感器变为无线传感器，需要做的工作的就是使其具备小型化、低能耗、满足工业防爆要求和配备无线收发模块，以及持久稳定的独立供电技术。无线录井传感器网络节点由无线传感器网络节点和主节点组成[3]。传感器节点具有传感器信号采集、处理和无线数据收发的功能；主节点具有多点信号检测、数据处理及无线通信功能，收集传感器数据并通过数据接口传送到录井设备。

2.1 主节点

主节点在录井中专生毕业论文www.618jyw.com
仪器房内，采用UPS供电，其设计不需考虑功耗，而将无线网络覆盖范围和收发信号的稳定性作为优先考虑因素。主节点由高增益天线、无线传输模块、电源模块和输出接口模块组成（图2），其功能是将收集的无线传感器信号数据通过数据输出接口传输到录井采集系统。
图2 主节点模块组成

2.2 传感器节点

无线传感器节点是无线传感器网络的主要组成部分。传感器由于被检测对象的不同而分为不同类型， 但是一般都由传感元件及信号处理模块、微处理器、无线传输模块、电源模块四部分组成，其设计遵循可靠性与低功耗并重的原则，模块组成如图3所示。
图3 无线传感器节点模块组成
2.2.1 电路微功耗设计。无线传感器的设计必须考虑电路的功耗问题，无线传感器的设计必须解决小型化乃至微型化、低功耗等问题。要实现无线传感器的小型化，必须优化电路设计、使用新材料和新技术以便数据处理和控制器、通讯控制器及其他数模转化电路等都集成在一块芯片上，使传感器的体积更小、功耗更低。在低能耗电路设计中，主要采用低功耗元件、优化改进电路、软件节能控制等技术措施，以期达到降低综合能耗的目的。
硬件电路设计可采取以下几项措施：
（1）选用低功耗的CMOS芯片；
（2）选用自身消耗功耗小的电源调理芯片；
（3）射频芯片选用待机电流小、收发电流稳定的芯片；
（4）降低微处理器工作频率可以有效减小工作电流而降低功耗；
（5）在保证系统工作前提下，选用较低的工作电压可以降低功耗。
2.2.2 传感器节点电源管理。无线传感器的供电技术是影响传感器无线化的主要因素之一，通过降低节点传感器功耗、增加电池容量、采用节点电源管理等方式，使节点的工作时间大大延长，从而实现长时间连续工作的目的。无线节点供电系统由外置电池、内置电池、电源管理模块三部分组成。通常情况下，由外置电池为整个节点提供电力，电源管理模块动态检测电池电量并对节点各模块进行电量分配，当电源管理模块检测电路检测到电量低于设定值时，通过无线传感网络发出低电警告。
延长电池的使用时间，除通过增加电量，设计合理的低功耗电路外，还可通过对无线传感器节点的整体能耗进行有效管理，利用动态电源管理技术使系统各个部分都运行在节能模式下，达到进一步降低能耗的目的。通过试验测试，无线传感器节点各部分功耗占节点总功耗的百分比[4]见图4。
图4 无线节点总功耗的百分比
测试表明，传感器模块和微处理器模块的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线传输模块上，因此对无线传输模块的能耗管理非常重要。电源管理策略是对不同模块进行自动间断供电，在这种供电模式下，无线传感器节点或部分模块被关闭或者处于低功耗状态，直到数据发送[5]。
3网络安全
无线传感器网络进行数据采集，必须采取必要的技术手段增加网络的安全性。针对ZigBee无线网络的技术特点，主要采取以下两种措施增强安全性：一是从路由安全的角度出发，选择能设置安全路由的主节点路由器和无线传输模块，来保证主节点与各节点间的通讯安全；二是开发专用安全协议，将每个传感器节点的信息进行编码，在主节点接收到无线节点信息后，根据通讯协议的约定进行解码，然后通过节点信息中包含的唯一识别符、传感器类型指示符和传感器数据测量值等信息，区别分辨每个传感器发送来的信息，达到信息的安全保护。
4 结束语
在石油勘探领域，无线传感器技术的发展应用也在快速发展变化，录井传感器技术正逐渐由有线向无线发展，技术创新层出不穷，产品不断推陈出新。无线录井传感器网络，将录井传感器与录井仪的连接由有线变为无线，大大减少了施工现场信号线、电源线的架设，为钻井施工提供了方便，进一步提高了生产安全性，具有很好的推广应用价值，应用前景广阔。
参考文献
1贾玉凤.基于多重无线通讯协议的WSN的设计[D].山东大学，2009.
2龚江涛，陈金鹰，方根平.ZigBee技术特点及其应用[C].四川省通信学会2005年学术年会论文集，2005：382-385.
3韩彬，李娇蔓，李传伟，田文新.钻井井场数据采集无线节点的设计和实现[J].石油仪器，2009，23（3）：4-7.
4 杨维剑，王梅英.无线网络传感器中超低功耗节点能源技术研究.四川理工学院学报（自然科学版），2010，23（1）：44-47.
4高英明，金仁成，王立鼎.嵌入式无线传感器网络研究[J].高技术通讯，2007，17（2）：21