摘要：随着计算机技术、网络技术和通信技术的不断进步，油井远程监控系统得到了极大的发展。油田早期生产没有远程监测系统，人工监测费时费力，数据采集不及时。随着工业自动化的发展，油田远程监控系统应运而生，使油田的生产和管理更加高效、可靠。目前，现有的现场总线技术广泛应用于工业控制领域。然而，油井可以分布在油田内，并分散在不同的位置。如果数据通过电线传输，需要铺设很长的电缆，这是非常昂贵的，而且电缆容易老化和损坏。为解决上述问题，油井远程监控系统采用无线通信技术进行数据传输。ZigBee技术以其功耗低、成本低、可靠性高、网络容量大等特点，在众多无线通信技术中脱颖而出。
关键词：ZigBee；数据采集；基站；远程控制；
一、系统总体功能
1.实时采集油井的抽油机电机电流、电压、功率因数、有功功率、井口压力、温度、井口流量及电机工作状态参数，并在上位机上显示。
2.上位机控制现场抽油机的启停，既能提高油田的生产效率，又能节约能源，当监测到抽油机工作异常时可及时关闭抽油机，从而保证现场的生产安全，减少事故。
3.通过上位机可查询油井历史数据为实现油井远程监控系统的上述功能，设计系统的总体结构包括远端数据采集系统和上位机监控系统两部分。
二、系统硬件设计
基站作为系统的基本组成单元，需具备数据采集能力和ZigBee组网通讯能力，采用JENNIC公司的JN5139芯片作为基站的射频芯片，JN5139是低功耗低成本适合于ZigBee应用的无线微控制器。为满足油井监控的需要，每个基站都应可以接两台抽油机电机和9块仪表，其中，8路接输出模拟量的电表，1路接输出数字量的电表。为提高基站的通用性，主、从基站采用相同的硬件结构。JN5139本身包含4路模拟量输入，因此需将其中一路外扩为5路，从而实现8路模拟量采集。此外扩展2路隔离数字量输入(保留使用)、2路继电器输出、一个RS485接口和一个RS232接口。
1.数据采集。每个油井的抽油机电机工作时电压、电流、功率因数、有功功率等数据依靠多功能数字电表检测，每个基站的RS485接口接数字电表，利用Modbus协议读取电表数据。井口压力、温度和流量等参数通过模拟电表检测，由于仪表的输出信号为4 mA～20 mA电流信号，需要将其转换成电压信号再接入AD转换器，于是采用信号调理电路将其转换成0.48 V～2.4 V的电压信号，且将调理后的5路信号经多路模拟选择开关后输入到JN5139的ADC4，从而实现了基站的8路模拟量采集。
2.远程通信。主基站与从基站不同的是，其还需与上位机进行远程通信，但ZigBee的短程无线通信无法满足要求，因此将主基站通过RS232串口与GPRS－DTU模块相连，通过GPRS及Internet网络实现主基站与监控中心的远程通信。
3.远程电机控制。基站的两路继电器输出端口可接两台抽油机电机，继电器输出的开关量作为电机的开关控制信号。基站接收到控制命令后，通过控制相应的继电器闭合或断开实现对电机启停的控制。
4.基站地址设置。每个参与组网的ZigBee模块都必须分配一个局域网地址(PAN ID)，只有局域网地址相同的ZigBee模块间才能进行通信。每个ZigBee模块还要被分配一个16位短地址，用于网络内节点之间的标识和通讯。
为解决ZigBee组网自动分配地址带来的难于辨识问题以及软件分配地址的繁琐问题，在基站的硬件设计中加入拨码开关电路，采用拨码开关来设置基站的局域网地址和短地址，这样可直观显示基站地址，便于识别不同的ZigBee网络以及网络内的不同基站。设远端数据采集系统包含n个ZigBee局域网，则通过拨码开关将这n个网络的局域网地址依次设置为1～n，每个局域网中主基站的短地址均设为0，若一个局域网中存在m个从基站，则将从基站的短地址依次设为1～m。基站组网过程中会读取拨码开关的状态，并据此设置自身的局域网地址和短地址。
三、系统软件设计
系统软件设计包括主、从基站的程序设计和上位机监控软件设计。设系统包含n个ZigBee局域网，一个ZigBee局域网中有m个从基站。
1.基站软件设计。每个ZigBee局域网络中的主基站作为网络协调器(Coordinator)，完成自身初始化并建立网络后，从基站作为路由器(Router)加入网络，组建成星形网络。基站的程序设计实现的功能主要包括数据采集和电机控制两部分。（1）数据采集.首先，所有的ZigBee模块对仪表数据进行采集并读取继电器状态信息，储存在RAM中。然后，主基站轮询各个从基站，被询问的从基站通过ZigBee协议将其采集的数据及自身短地址传给主基站，主基站按照基站短地址进行数据存储。最后，上位机对各个主基站进行轮询，被询问的主基站将所集中的数据及自身的ZigBee局域网地址，在Modbus协议下，经由GPRS发送给上位机。上位机可以根据ZigBee局域网地址及短地址区分不同基站，并正确显示、存储基站数据。（2）电机控制。上位机通过Internet及GPRS网络向主基站发送控制命令，经主基站向从基站下达，从而控制各基站继电器动作，以实现对各个油井抽油机的控制。控制命令有两种，分别为广播控制命令和分站控制命令。广播控制将同时控制网络内的所有基站，分站控制将只控制网络内的一个基站。由于主、从基站的功能不同，因此其软件程序设计也不同。
主基站每隔q毫秒采集一次仪表数据，并对m个从基站进行轮询，获取从基站数据。当主基站收到上位机请求后首先判断是否为数据请求，若是，则将其储存的自身数据及从基站数据全部经RS232串口发送至GPRS－DTU，从而发送至上位机;若不是，则判断收到的控制请求为分站控制还是广播控制。若为广播控制则将控制命令广播，并根据控制命令控制自身继电器进行相应动作;若为分站控制，则判断是否为针对自身的命令，若是，则控制自身继电器动作，若不是，则将命令转发至相应的从基站。
2.监控软件设计。上位机监控系统通过Internet及GPRS网络实现与主基站的远程通信，通过轮询各ZigBee网络内的基站获取各油井的数据，并通过向主基站发送控制命令实现对各油井电机的控制。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用VB(Visual Basic)6.0软件对监控系统进行设计。VB具有丰富的图形界面，且VB语言简单易学，应用VB软件可高效完成监控系统的开发。上位机监控系统的监控界面主要包括监控中心主页面、实时数据界面和历史数据界面三部分。主要功能包括实时显示系统时间，与多个ZigBee网络内的主基站通信，监视油井数据，控制各基站的继电器状态，以及查询历史数据。
总之，将ZigBee技术应用于油井远程监控系统，为油田的自动化生产与管理开辟了新的道路。相信随着ZigBee协议的不断完善，ZigBee技术的应用会越来越广泛。
参考文献：
［1］王富平．无线传感器网络的理论及应用．2017．
［2］张新宇，关于基于ZigBee的油水井远程监控系统设计与实现.2019.