基于Zigbee技术的发动机数据远程采集系统

为提高动力发动机的使用效率，降低发动机停机风险并有效管理材料消耗，开发了一套基于zigBee技术的发动机数据远程采集系统。

在石油行业，应用大量的发动机为野外钻井队提供动力，目前这些发动机的工作状态基本都是靠人工巡检和定期填报运行报表来监控，故障处理一般都会滞后。另外，管理部门不能实时监视发动机工作状态，不能发现或预见某些故障，不能根据发动机运行状态动态调整发动机部署。为了解决上述问题，提高发动机的使用效率，降低发动机停机风险并有效管理材料消耗，研制了一套远程数据采集系统，其包含数据采集、无线传输、数据分析提纯3个大的子系统。数据采集使用了CAN总线上的J1939协议和RS485总线上的PPI、Modbus协议；无线传输分为井场本地传输和回传两部分，其中井场本地传输采用ZigBee技术，回传根据现场环境可以采用卫星、GPRS、3G、ADSL等；而数据分析提纯采用了数据库与自编程序结合的方式，最终采用Web发布提纯后的数据和管理页面。本文重点探讨井场本地传输部分。

1数据采集与传输

1．1 ZigBee技术

ZigBee标准由ZigBee Alliance与IEEE 802．1 5．4的任务小组来共同制订，其中实体层、MAC层、数据链接层以及传输过程中的资料加密机制等由IEEE所主导，ZigBee联盟负责高层应用、测试和市场推广等工作。

ZigBee技术具有极高的抗干扰性能，在2．4 G的频段上具有16个信道。ZigBee系统采用了DSSS（Dipect seqcuence Spread Spectrdm，直序扩频）和OQPSK（正交移相键控失调）技术，在900 MHz频段采用了每符号15个码片，在2．4 GHz频段采用了每符号32个码片（IEEE802．11b的DSSS只采用了每符号11个码片），大大提高了抗干扰和多径的能力，使得ZigBee在低信噪比的环境下具有很强的抗干扰性能。实验证明，IEEE 802．15．4，ZigBee误码率，特别是在信噪比为4 dB的情况下可达到10～9。达到同样误码率，蓝牙／802．15．1信噪比要达到16 dB，802．11b要达到10 dB。可见ZigBee的抗干扰性能明显高于蓝牙和wLAN。

1．2 J1939协议

J1939协议是在CAN2．0协议上的一个高层协议，它重新定义了CAN总线上的数据位，适用于公路上的重型车辆和车辆派生部件（如发动机组）使用，目的是提供一个电子系统间的开放互联系统，即通过提供一个标准的框架使得电控单元（Electronic Control Units，ECU）之间可以实现相互通信。

所有SAEJ1939网络遵循7层OSI网络结构，其中比较重要的是SAEJI939—21（数据链路层）和SAEJ1939—71（车辆应用层）。

2 全网架构

整个采集系统由采集、传输、分析、呈现4个大部分构成。采集器只是完成了现场采集的任务，其后端需要一个大的网络来支持。采集器采集的数据通过ZigBee无线传输技术发到现场服务器（即前述的现场数据中心）聚合，预处理后再压缩，然后通过卫星或GPRS等无线路径传输到位于川庆地研院的中心顶级服务器上。在该服务器上所有井队上传的数据均被再次分析和处理，然后存到数据库中；网络上经过授权的用户可以通过Web登录到该服务器查看对应权限的发动机和压缩机运行参数。同时，如果服务器分析出异常数据，将会通过现场服务器上的报警装置、现场管理办公室内墙装的报警显示面板和管理工程师的手机短信发出警报，目前设计的警报分为1—3个级别。

3硬件设计

3．1 传输方案

通常井队上会有多台发动机在同时工作，最多时可能会达到50台。由于每台发动机需要采集的参数（例如转速、油压、温度、气压等）通常都在50条以上，每个参数基本都是双字节的，每秒采集1次的话，单台设备每秒流量为100 Byte。如果每个发动机都单独用1台GPRS传输设备传输数据，由于要实时传输，就必须每秒发送1次数据，又因为目前运营商计费最小单位是1 kB，故即使发送100 Byte也会按照1kB来计费，单台设备1天的流量是84 MB，50台就是4．1 GB。但是，将所有设备的数据打包后传输，10台设备的报文流量为1kb，50台设备每秒的流量5kB，1天的流量为421MB，流量是先前的1／10，经济效果非常明显。另外，再进行数据压缩，将数据压缩到1／5左右，可进一步节省流量。

在某些井队已经有卫星覆盖，由于发动机数据每秒流量才1kB，完全不影响卫星的原有通信，故可以利用该传输网将数据传回川庆机房数据中心。

综合上述分析，采用集中传输的方法比较合适。

为了将井场上的分散的发动机的数据集中起来，需要在井场上建立一个现场数据中心。由于井场上的钻采设备（例如空气压缩机）是经常移动的，数量也会变化，采用有线方式联网将给后期维护带来相当大的工作量。故本系统采用无线覆盖方法，在井场上每个发动机上安装数据采集器，然后通过无线方式传输到井场上的现场数据中心，将数据压缩后再传回川庆数据中心。

通常，井队的卫星网络机房在井场入口处，而发动机则分布于整个井场，无线网络必须要覆盖整个井场；同时，某些井队使用电动钻机产生的巨大的电磁波会干扰无线系统。经过分析筛选了几种无线通信技术做备选，分别是zigBee、WiFi、蓝牙、2G，3G技术、数传电台。首先排除用移动运营商提供的2G和3G信号，这种信号只适合做主干信号回传；然后排除蓝牙做覆盖，因为它的网络节点数只有8个，而井场上的数据采集点通常都超过8个；然后排除数传电台，因为这个技术比较落后，功耗比较大，数据传输率低，终端价格高；最后剩下WiFi和ZigBee，这两个技术相似，成本也接近。通过在龙岗63井试验，发现一旦电动钻机开启，WiFi网络就会中断，而2．4G的ZigBee网络完全正常。从原理分析，ZigBee的DSSS序列长度比wiFi长1倍多，扩频效果明显要好，抗干扰性能自然优于WiFi，ZigBee是专为工业设计的，无论是网络节点数、耗电、发射功率、联网速度都明显优于WiFi，且ZigBee协议有中继路由和网状网功能，故选择了ZigBee技术用于分布数据传输。

考虑到各个井场的配置不同，集中数据传输采用了多种传输技术，包括2G，3G、卫星、ADSL、拨号Modem，在做系统时为每种传输设备都要预留接口。目前，2G／3G、卫星、ADSL传输设备出口基本是以太接口，而拨号Modem出口是串口，故保留以太接口和串口作为集中数据回传接口。

3．2数据采集方案

目前井队使用的发动机主要有CAT、VOLV0等，使用的空气压缩机有Atlas、寿力、成压、济柴等，使用的接口基本上是RS485和CAN，故数据采用RS485和CAN，配上相应的协议即可。

3．3采集器硬件架构

根据上述分析，采用图1所示的采集器结构。

图1采集器结构

其中，CPU采用工作频率为30 MHz的单片机；ZigBee模块采用Freescale的MCl3213；CAN模块采用SJAl000控制器和CTM8251T隔离CAN驱动器；电源采用LM2596，工作范围8～36 V；GPRS，2G／3G模块是预留的，用于无线场数据中心的单点数据采集；GPS模块也是预留的，用于今后做设备的动态跟踪。

4 软件设计

在采集器中，运行J1939协议、Modbus监听协议、PPI监听协议，从发动机中获取运行数据，利用无线传输协议将数据从采集器发送到现场服务器。

现场服务器完成井场上所有采集器数据的收集、预处理、压缩、本地呈现和上传工作。预处理包括操作数据库，产生本地维护报告，产生本地报表等功能，本地呈现则包括在本地显示所有发动机的状态、维护记录和报警信息。

数据中心软件功能与现场服务器类似，但额外加上向Web服务器提供数据，向领导提供报表，向经验库添加经验数据，向专家诊断数据库提供数据等功能。

5 结语

经过龙岗63井等几个单位的现场批量测试，该发动机数据远程采集系统工作良好，数据传输稳定，达到设计要求，发回的数据与现场运行参数一致，具有推广价值。下一步将在收集到的数据基础上做专家系统，通过分析数据来远程诊断发动机的工作状态，提前发现发动机的异常情况，以避免停车事故的发生。