基于无线网络的抽油井监测系统的研究与设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.62MB 64 页 15积分

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摘要

抽油井状态信息监测是石油生产过程中的重要环节，可以为油井提高炼油效

率，减少安全隐患提供可靠的依据。传统的抽油井状态信息监测系统，在信息传

输方式上，通常采用工业总线，该方式存在成本较高、易于损毁、难于维护和管

理等缺点。随着自动化技术、通信技术和计算机技术的高速发展，传统的抽油井

状态信息监测系统，已经不能满足石油生产高效化、网络化的需求。基于此目的，

本文提出了一种基于无线网络的抽油井监测系统，该系统具有实时性好、灵活性

高、可扩展性强等优点，可以为提高石油生产效率和管理水平提供有力保证。

本文设计的抽油井监测系统在网络构成上包含两个网络，分别是自定义的短

距离通信无线数传网和公用的无线局域网（WLAN）。无线数传网主要功能为发送

并汇集抽油井工况信息，具有结构简单、灵活性好等特点；WLAN 将信息发送至

远程监控中心，具备远距离传输特性。无线数传网由传感器数据无线传输模块和

数据中继模块构成；

WLAN 主要包括 WLAN 接入模块和远程监控中心。传感器数

据无线传输模块获取安装在抽油井上的传感器采集的信息，并传输给数据中继模

块；数据中继模块收集多个传感器数据无线传输模块发送的信息；WLAN 接入模

块将数据中继模块收集的信息接入 WLAN，使得信息可以在 WLAN 中传输并发送

至远程监控中心。在具体的硬件设计中，传感器数据无线传输模块和数据中继模

块采用片上系统型 C8051F 系列单片机和微功率 nRF24L01 无线通信模块构成；

WLAN 接入模块由低功耗的基于 ARM9 内核的 S3C2440A 处理器以及功耗低、可

靠性高的 WIFI 模块构成。

在系统软件设计上，为了减少系统通信碰撞，提高吞吐率，减少传输延迟，

在研究基本帧时隙 ALOHA 算法和动态帧时隙 ALOHA 算法的基础上，优化了动

态帧时隙 ALOHA 算法。实验结果表明优化的动态帧时隙 ALOHA 算法接收效率

高、时延小。据此设计了无线数传网通信软件，使得无线数传网模块之间能够实

时地、高效地交互信息。同时为了使得无线数传网信息能在无线局域网中传输以

实现远程监控功能，设计了 RS232 串口协议数据转为 TCP 协议数据软件。

本系统选用稳定、可靠的微处理器和微功率的无线收发芯片，提高了系统的

可靠性，降低了系统的功率消耗；采用优化的动态帧时隙 ALOHA 算法，提高了

系统吞吐率，降低了延迟；采用无线数传网与无线局域网相结合，兼顾两个网络

的优点，提高了系统的灵活性；测试结果表明，系统实时性好、误码率低。

关键词：抽油井无线网络 ALOHA 嵌入式 Linux nRF24L01

ABSTRACT

Oil well observation system is very important in oil production.It can improve the

efficiency of oil refining and decrease hidden troubles in safty. Traditional observation

system of oil well usually uses Industry Bus to transfer information. But Industry Bus

has lotsof defects, such as, costs high, easy to damage, hard to maintenance and

management. As the quick development of automatic technology, communication

technology, and calculating technology, traditional oil well observation system can

hardly meet the need of high efficiency and automatization in oil production. For this

reason, this essay designs another observation system based on wireless network. This

new system has good real-time performance, high flexibility, and strong expandability

and so on, that will energetically guarantee the improvement of oil production and

management level.

This oil well observation system contains 2 networks: user-defined short-distance

wireless data transmission network and common WLAN. Wireless data-transmission

network has simple structure and high flexibility, and its main function is sending and

collecting information of oil well. WLAN has a feature of long-distance transmission. It

transfers the information to remote monitoring center. Wireless data-transmission

network consists of sensors wireless transmission module, and data trunk module.

WLAN involves WLAN access module and remote monitoring center. Wireless

transmission module gets the information collected from sensors which installed in the

oil well, and then transferred to data trunk module. WLAN access module transfers the

information from data trunk module into WLAN, then information can be transferred

into remote monitoring center. In detail hardware design, sensors wireless transmission

module and data trunk module uses the ship of C8051F and nRF24L01. WLAN access

module consists of low-consumption S3C2440A processor which is based on ARM9

kernel and low consumption, high reliability WIFI.

In system software design, in order to decrease collision of communication ,

improve throughput, and reduce transfer delay, this system enhance dynamic time frame

ALOHA arithmetic on the bases of studying time frame ALOHA arithmetic and

dynamic time frame ALOHA arithmetic. Testing results indicate that dynamic time

frame ALOHA arithmetic has high efficiency and less delay in receiving datas. So This

system designs wireless data transmission network’s communication software , which

makes information transfers quick and efficient. Meanwhile, this system also designd

protocol transfer software with the purpose to realize wireless data transmission

network, to transfer the RS232 serial protocol data into TCP protocol data, to transfer

wireless data transmission network’s information through WLAN, to realize remote

monitoring.

This system chooses stable and reliable micro processor and micro-power wireless

transceiver chip, which increased the reliability and reduced power consumption of the

system. It uses optimized dynamic time frame ALOHA arithmetic, which raised system

throughput and decrease delay. The system combines wireless data transmission

network and WLAN, which inherited the advantage of these two networks and

enhanced system flexibility. The results indicate the system has good real-time

performance and low bit error ratio.

Key Words: Oil Well, Wireless Network,ALOHA, Linux, nRF24L01

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 抽油井无线网络监测系统课题来源及意义 ....................................................1

§1.2 国内外抽油井监测系统发展水平 ....................................................................2

§1.3 本文主要研究内容 ............................................................................................3

第二章抽油井无线网络监测系统整体方案设计 .........................................................4

§2.1 抽油井无线网络监测系统设计原则 ................................................................4

§2.2 系统监测对象 ....................................................................................................4

§2.3 抽油井无线网络监测系统架构 ........................................................................5

第三章抽油井无线网络监测系统硬件设计 .................................................................8

§3.1 传感器数据无线传输模块 ................................................................................8

§3.1.1 微控制单元 C8051F330 .........................................................................8

§3.1.2 nRF24L01 无线通信模块 ..................................................................... 10

§3.1.3 最小系统设计 ........................................................................................13

§3.2 数据中继模块 ..................................................................................................14

§3.3 WLAN 接入模块 .............................................................................................15

§3.3.1 接入模块核心处理器 ...........................................................................16

§3.3.2 WIFI 模块 .............................................................................................. 17

§3.3.3 电源模块转换电路 ................................................................................18

§3.3.4 存储器电路设计 ....................................................................................19

§3.3.5 USB 接口设计 .......................................................................................22

§3.3.6 RS232 接口电路 ....................................................................................23

§3.4 本章小结 ..........................................................................................................23

第四章抽油井监测系统无线通信研究 .......................................................................24

§4.1 无线通信防碰撞算法分析 ..............................................................................24

§4.2 抽油井无线数传网通信协议 ..........................................................................25

§4.2.1 ALOHA 算法基本原理 .........................................................................25

§4.2.2 帧时隙 ALOHA 算法分析 ....................................................................27

§4.2.3 优化的动态帧时隙 ALOHA 算法 ........................................................29

§4.3 本章小结 .........................................................................................................31

第五章系统软件设计 ...................................................................................................32

§5.1 无线数传网软件设计 .....................................................................................32

§5.1.1 nRF24L01 无线通信模块驱动程序 ..................................................... 32

§5.1.2 传感器数据无线传输模块软件设计 ....................................................35

§5.1.3 数据中继模块软件设计 ........................................................................36

§5.2 WLAN 接入模块软件设计 .............................................................................38

§5.2.1 开发环境建立 .......................................................................................38

§5.2.2 WIFI 环境构建 ...................................................................................... 42

§5.2.3 RS232 串口协议数据转 TCP 协议数据软件设计 .............................. 44

§5.2.4 Makefile 文件设计 ................................................................................ 48

§5.3 本章小结 ..........................................................................................................49

第六章系统通信测试 ...................................................................................................50

§6.1 测试条件 ..........................................................................................................50

§6.2 传感器数据无线传输模块与数据中继模块通信测试 ..................................50

§6.3 WLAN 接入模块与无线路由通信测试 .........................................................53

§6.4 本章小结 ..........................................................................................................55

总结与展望 .....................................................................................................................56

参考文献 .........................................................................................................................57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................60

致谢 ...............................................................................................................................61

第一章绪论

§1.1 抽油井无线网络监测系统课题来源及意义

众所周知，石油之所以被之为“工业的血液”[1]，主要是因为石油在能源、交

通领域支撑工业化的发展，在化工等领域也起着不可替代的作用。在经济全球化

的过程中，石油又是一种重要的战略性资源，其对国家在工业上的发展，对人民

在生活上的需求，都有着重要的作用。石油短缺，将直接影响国家经济的发展和

社会和谐的稳定，甚至影响着国际政治格局、世界经济次序乃至战争的爆发。因

此世界上各个国家不仅大规模勘探、挖掘国内石油资源，而且大量进口国外石油。

从外部来看，当前和未来国际形势的变化莫测，石油资源的获取和市场的竞争日

趋激烈。世界经济发展水平呈现出上升的趋势，资源性产品供应与日俱增；国际

油价依然是高居不下，这些因素深刻的影响着世界石油市场，加剧各国在石油资

源方面的博弈；石油资源丰富的国家为获得在政治、外交和经济利益加强对资源

的控制，以此为砝码，一再抬高门槛，提出苛刻合作条件[2]。

进入21世纪以来，我国在东部地区，中西部叠合盆地以及沿海海域等区域都

加大了对石油的勘探和开采。在2001-2005年期间，全国累计勘探石油的存数量达

到56*108吨，总量超过过去50年的总和[3]。这为推动我国经济繁荣发展起着至关重

要的作用。特别是随着我国加入世界贸易组织以后，我国石油企业开始面临着国

际石油市场激烈的竞争；在石油勘探和开采过程的自动化、信息化和数字化也面

临着重大考验。就目前而言，使用抽油机提取原油是石油生产过程的重要环节。

在生产过程中，通过获取抽油井各个方面的参数信息，主要包括油井温度、油井

压力、载荷位移、电机三相电压以及电机三相电流等，分析这些参数掌握抽油井

状态信息，提高炼油效率，排除可能存在的安全隐患。

一般说来，油田大都分布在人口稀少、地域广袤、交通不便和通信落后的区

域。在生产提炼石油的过程中，通过人工方式查看油井信息，可能会受天气和环

境等因素的影响，不能及时掌握抽油井设备运行状况。有时工作人员为了保证原

油的输出，常常需要在气恶劣的环境下，长时间的巡视，不仅工作量非常大，而

且会危害工作人员身体健康。在实际的工作中，人工巡视，可能存在麻痹大意、

疏忽，没有及时发现异常信息，比如抽油机发生故障，油井温度异常等。因此采

用人工方式查看抽油井状态信息，不能及时地、准确地掌握油井各个参数，造成

了石油生产过程中不安全因素的增加。随着油田现代化管理水平与技术的不断提

高，特别是在“数字油田”建设方面[4-5]，研究人员开始在监控油井信息引入了自

动化、数字化设备，采用远程控制单元，铺设大量工业总线，通过远程监控机实

时监控油井状态信息。然而这种采用工业总线传输油井状态信息的方式耗费大量

基于无线网络的抽油井监测系统的研究与设计

财力购买总线以及大量人力铺设总线，同时有些地方也不适合布线，甚至可能会

出现一些突发事件，比如总线损毁，总线被盗，使得不能及时处理数据，存在安

全隐患。一方面，我国大约有油井12万口，站点约1.5万个[6]，如果都采用总线形

式，工作量大，管理难度高，影响生产效率，满足不了油田生产发展的需求；另

一方面，随着自动化技术、通信技术和计算机技术的高速发展，采用工业总线方

式传输抽油井工况信息的监测系统，已经不能满足石油生产信息化、网络化的发

展需求。因此，越来越多的学者开始研究无线网络，应用于监控抽油井工况信息，

以满足上述需求。

在监控抽油井工况信息方式上，采用无线网络方式，可以降低生产成本，提

高管理水平并能及时有效的掌握抽油井工况信息，为维护管理和安全生产提供可

靠的依据，具有十分重要的意义。

§1.2 国内外抽油井监测系统发展水平

抽油井工况监测是石油生产过程中非常重要的环节，传统获取抽油井工况的

方法是采用人工巡视的方式到油井现场记录数据，将数据取回后，一般几天或者

一个月能对油井进行监测操作[7]。为了提高生产效率和管理水平，各个国家研究机

构和生产厂商在远程监控技术方面都展开了研究。

早期世界各国都采用液压传动的机械装置动力仪来测量抽油井的一些参数，

描绘出油井示功图。20世纪80年代就出现第一代YBC抽油机井示功图测试仪。20

世纪90年代初期陆续出现各种不同平台的抽油机井示功仪，包括80368，PC104等

平台。到了90年代中期，开始研究抽油井监控系统监测抽油井工况，在1997年1月

份，在美国举办的首届国际远程监控技术会议上，聚集了世界30多个研究机构和

国际知名公司的50多位专家和学者，分别讨论了抽油井远程监控系统目前发展状

况以及对未来的展望[8]。其中由美国麻省理工学院和斯坦福大学联合开发的新一代

远程监控系统获得了学术界和各大公司的一致好评。

国内的一些科学研究机构和生产厂家都采用先进的微处理器和大容量的存储

设备用于设计抽油机井工况监测系统，达到降低系统功耗，提高系统数据存储能

力。在60年代至70年代我国就开始研究与设计油井示功仪，但是由于受产品性能、

生产成本、通信距离的限制，特别是油井数目较多、分散范围较广等因素，使得

大多数系统最终没能进入到实用阶段，包括后续发展的大、小微波技术、电力载

波技术也都因为成本投资大，油井工作环境恶劣，盗窃破坏严重，产品化程度差、

传输速率较慢，以及干扰和杂音大等原因而无法投入使用[9-10]。在八、九十年代国

内许多厂家开发研制的抽油井诊断仪，取得不错的进步。针对抽油井载荷位移、

动液面高度、压力、温度、功率电机电流、电机电压等参数的测量，这些仪器采

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摘要：

摘要抽油井状态信息监测是石油生产过程中的重要环节，可以为油井提高炼油效率，减少安全隐患提供可靠的依据。传统的抽油井状态信息监测系统，在信息传输方式上，通常采用工业总线，该方式存在成本较高、易于损毁、难于维护和管理等缺点。随着自动化技术、通信技术和计算机技术的高速发展，传统的抽油井状态信息监测系统，已经不能满足石油生产高效化、网络化的需求。基于此目的，本文提出了一种基于无线网络的抽油井监测系统，该系统具有实时性好、灵活性高、可扩展性强等优点，可以为提高石油生产效率和管理水平提供有力保证。本文设计的抽油井监测系统在网络构成上包含两个网络，分别是自定义的短距离通信无线数传网和公用的无线局域网（WLA...

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