24XStream無線模塊在錄井數據傳輸系統(tǒng)的應用

摘 要：在錄井無線數據采集與傳輸系統(tǒng)中，數據傳輸采用無線方式，系統(tǒng)采用太陽能供電，一方面要保證數據準確性，同時要降低系統(tǒng)功耗。本文的設計采用2.4GHz的XStream無線數傳電臺實現實時、可靠傳輸。介紹了錄井無線數據傳輸系統(tǒng)的整體設計方案、無線電臺的選型和錄井無線數據傳輸通信協議，并對電臺的功耗和數據傳輸進行了測試。現場應用表明，無線傳輸系統(tǒng)能夠低功耗、高可靠性的穩(wěn)定工作，完全滿足錄井現場的數據傳輸要求。
關鍵詞：24XStream；錄井數據傳輸；低功耗；無線模塊

引言

　　在傳統(tǒng)的石油錄井工業(yè)中，數據信號傳輸是采用“一對一”方式的RS-485總線傳輸，技術含量低、通用性差、可靠性低。近年來，基于現場總線的數據傳輸方式得到發(fā)展，國內外先后出現了基于現場總線（Lon Works、CAN等）的錄井儀器設備?，F場總線技術的使用一定程度上減小了布線工作量，但由于有線供電的需要，也無法大量減少布線。而且，必須在開鉆前鋪設好通訊線路和供電線路，在井場搬遷過程中拆卸和安裝工作量大，容易導致設備的損壞。特別是小型錄井儀，主要應用于生產井，測量參數較少，鉆井周期較短，這樣傳感器的拆裝工作就顯得尤為繁瑣。根據小型錄井儀的應用特點，將短距離無線數據傳輸技術[1]引入錄井數據傳輸系統(tǒng)，取代井場上工程參數短距離有線線纜傳輸，可以避免以上所述的各種弊端。

無線傳輸方式與無線電臺的選擇

　　在錄井工程中，根據生產現場情況的不同，現場傳感器與儀器房之間的距離在幾十米到幾百米不等，屬于短距離無線通信。目前可應用于工業(yè)領域的短距離無線通信技術主要有：紅外線數據傳輸(IrDA)、無線局域網802．11 h(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee和超寬帶無線電(UWD)等[2]，這些技術各有特點和適用范圍。

　　紅外線數據傳輸不受無線電干擾，不需要申請頻率，但它是一種視距傳輸，兩個相互通信的設備之間必須對準、通視，中間不能有阻擋。由于井場上各傳感器的位置、距離等不確定，因此，不適合用于井場數據傳輸。

　　無線局域網802.11b技術是一種基于電磁波傳輸的無線通信技術，使用2.4GHz ISM頻段。該通訊方式具有速率高(可達11 Mbit／s)、覆蓋范圍大(可達300 m)的特點，但是它的功耗過大，對于使用電池供電的錄井傳感器而言是個致命缺陷。

　　藍牙技術同樣是一種基于電磁波傳輸的無線短距離通信技術，通信頻段亦為2.4GHz ISM頻段，可提供1 Mb/s傳輸速率和10米傳輸距離。

　　ZigBee技術基于IEEE 802.15.4標準，工作在2．4 GHz ISM公共頻段。有效覆蓋范圍10～75m之間，數據傳輸速率10kB/s～250kB/s。

　　超寬帶無線電是近年來發(fā)展迅猛的新型通信方式，它是基于沖激脈沖自身的寬頻譜特性，通過對具有特殊波形的沖激脈沖進行調制獲得載有信息且符合頻帶要求的無線電信號。超寬帶無線電直接發(fā)射脈沖，不需中頻和射頻電路，有利于減小體積和降低能源消耗。

　　綜合考慮可靠性、數據傳輸實時性、低功耗和成本等各種因素，采用美國MaxStream公司的低功耗、高速無線數傳電臺24XStream，具有以下突出特點：工作頻率為2.4GHz，該頻段無授權限制，同時避免了同現場低頻信號及公用無線通信頻段的碰撞，傳輸可靠；使用時只要將DB9接口與PC或微處理器相連，通過串口向電臺發(fā)送數據，在另一端從電臺串口讀取數據就能實現無線通信；工業(yè)級產品工作溫度-40～85℃，可以滿足鉆井現場要求；傳輸距離在室內或城市不接天線工作也能達到180m的傳輸距離，在室外空曠地區(qū)配以天線傳輸距離高達幾千米，可以滿足錄井現場的應用條件要求。

錄井無線數據傳輸系統(tǒng)的設計與實現

　　系統(tǒng)結構設計如圖1所示，將井場采集板和數傳電臺通過串口連接，采集的數據由測量節(jié)點發(fā)送到錄井儀器房。錄井儀器房主計算機與現場無線采集傳輸節(jié)點之間的通信網絡結構是一點對多點的主從結構，數據傳輸量不大，由主計算機來按照一定的周期，通過指令依次巡檢各個現場無線采集傳輸模塊并收集數據。

圖1  系統(tǒng)結構設計圖
　　
錄井無線數據傳輸的通信協議

　　系統(tǒng)采用異步串行通信方式傳輸測量數據，錄井無線數據傳輸的工作流程大致如下：

　　·儀器房主計算機發(fā)出命令，要求某個現場無線采集傳輸模塊采集信號并上傳數據；

　　·相應的現場無線采集傳輸模塊接收到命令后采集被測參數信號并把處理后數據發(fā)送到主計算機；

　　·該現場無線采集傳輸模塊上傳數據之后進入等待狀態(tài)，直到監(jiān)控計算機巡檢完所有的無線采集模塊后再次向該采集傳輸模塊發(fā)出命令。

　　系統(tǒng)是一點對多點通信，需要進行數字電臺與單片機、終端主控機的通信協議的設計。

　　數傳電臺24XStream點對點之間有固有的通信協議，具有自己的幀格式標準，對所傳輸數據采用CRC校驗。對用戶來說，數據傳輸是透明的[3]。用戶可以根據應用系統(tǒng)要求，在外部再封裝一層自己的協議，進一步提高數據準確性。

　　本系統(tǒng)采取9600bit/S串口通信速率。單片機讀取到前端數據后，首先將數據打包、加幀頭、加校驗碼和填充數據以構成傳輸幀，而后將數據經由串行口發(fā)送至無線傳輸電臺，在2.4GHz的頻段上調制后以9600bit/S的數據率進行無線發(fā)射。

　　由于錄井數據采集與傳輸節(jié)點個數有多個，而且在錄井過程中是同時在工作的，為了保證數據傳輸的實時性，要實現輪循工作。賦予每個節(jié)點一個地址，在每幀數據中引入了對每塊數據采集板的編號，即給每塊采集板賦予不同的地址，按地址循環(huán)訪問，構成一個由一臺主機和多個傳感器節(jié)點組成的通信網絡[4]。上位機訪問節(jié)點時就發(fā)出相應地址命令，下位機將數據封裝為一個幀，將地址字節(jié)作為該幀幀頭，上位機根據幀頭分離數據類型，將收到的數據分別存儲到對應的數據庫，做數據的處理和解釋。

　　通信首先必須實現正確雙方的正確握手，令上位機電臺站發(fā)送一個字節(jié)地址，下位機在收到1個字節(jié)后與本節(jié)點原始固定地址進行比較驗證，地址與本節(jié)點地址相符后，即驗證通過，握手成功，表示上位機有數據發(fā)送請求，下位機準備數據讀取的動作，之后上傳實際測量的物理量字節(jié)；如沒有收到本節(jié)點地址信息，則未通過，不會啟動上傳數據程序。規(guī)定一幀數據包含6個字節(jié)，第1個字節(jié)是數據源地址標識，第2、3、4個字節(jié)是對應物理量的十六進制表示值，第5個字節(jié)是鉛酸蓄電池電壓值，最后一個字節(jié)是和校驗字節(jié)，系統(tǒng)中采用和校驗，對一幀數據的前5個字節(jié)進行加和運算。上位機收到一幀數據后，進行同樣的運算，將運算結果同本幀數據的最一個字節(jié)進行比較，如若相同，則數據正確；如若不同，表示該幀數據出錯，予以丟棄。

　　現場應用試驗證明，在錄井系統(tǒng)這種數據傳輸速率要求不高，數據量不大的應用情況下，以上協議可以滿足系統(tǒng)要求。

錄井無線傳輸系統(tǒng)的低功耗設置與測試

　　現場錄井采集傳輸模塊采用“太陽能電池板+可充電電池”的無線供電技術。為了不影響錄井作業(yè)，需要電源能夠不間斷地提供所需。在夜間用電池儲存的電能來供給無線采集傳輸模塊的運行，遇到連續(xù)陰雨天時必須保證無線采集傳輸模塊至少工作三天。在給定可充電電池的容量和太陽能電池板的功率的條件下，應當采用合理的設計手段，盡可能降低系統(tǒng)功耗。除了考慮數據采集板器件的低功耗選型和設計外，系統(tǒng)工作模式的設置也非常重要。

　　影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節(jié)點采用的調制模式、數據率、發(fā)射功率和操作周期等。從系統(tǒng)工作過程可以看出，單個現場無線采集傳輸模塊，它并沒有一直在工作，在一個巡檢周期的大部分時間里它處在等待狀態(tài)。例如一個小型錄井儀一般有5個現場節(jié)點，要求每秒鐘對每個節(jié)點采樣一次，即巡檢周期為1秒。而錄井數據傳輸量并不大，一般主計算機發(fā)出的命令為1個字節(jié)，無線采集傳輸模塊每次上傳的有效數據為4個字節(jié)，包括其他信息在內也不超過12個字節(jié)。以每次上傳12個字節(jié)，通信波特率為9600計算，一次數據通信用時為T=12*8/9600=0.01s,即單個無線采集傳輸模塊與主計算機每次通信至多為10ms，在剩下的超過900ms的時間里無線采集傳輸模塊處在空閑狀態(tài)。

　　24XStream電臺具有4種工作模式，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)，每種工作模式下的電流消耗見表1。

表1 無線數傳電臺的功耗特性

　　從表1中數據可以看出，電臺在發(fā)射時的電流很大，在空閑狀態(tài)的電流消耗與接收狀態(tài)一樣。也就是說不管是工作狀態(tài)還是空閑狀態(tài)，其電流消耗都不低于90mA。而在睡眠狀態(tài)時，僅有6mA的電流消耗。如果讓無線采集傳輸模塊在900ms沒有數據收發(fā)的空閑時間里處于睡眠狀態(tài)，可以大大降低系統(tǒng)的功耗。

　　圖2是利用24XStream提供的計算軟件對電臺在各種情況下的功耗進行了計算。

圖2 電臺功耗計算

　　以上根據數據傳輸量、通信速率和睡眠功能這三方面的因素，計算了5種情況下電臺的功耗：A、B、C、D、E（周期都為1s,發(fā)射時電流為180mA，接收/空閑時電流為90mA，睡眠時電流為6mA）。按照同樣的情況，進行了實際功耗測試與比較，如表2所示。

表2 電臺實際功耗測試
　

　　從計算比較和實際功耗測試比較可以看出，使用睡眠功能后，電流消耗大大降低。另外，數據傳輸量的減少和通信速率的提高也能在一定程度上降低功耗，但不是影響系統(tǒng)功耗的主要因素。需要指出的是，電臺從睡眠狀態(tài)喚醒需要一定時間，實際測量的功耗要稍微高于理論計算值，但總體來說使用睡眠功能時該電臺的功耗很低。

結語

　　鉆井現場有許多大功率電機和其他儀器設備，電磁輻射很嚴重，而且現在鉆井作業(yè)不僅是在曠野地帶，有時也會在距離市區(qū)建筑較近的地方，在這些地區(qū)進行錄井作業(yè)，數據的無線傳輸會受到影響，高大建筑物會對無線通信的質量和傳輸距離產生一定的影響。本文設計的錄井數據傳輸系統(tǒng)中選用XSteam24無線數據傳輸電臺，工作在ISM頻段，數據傳輸準確，抗干擾性好，功率消耗低，比傳統(tǒng)的數據通信方法有很多改進和提高，滿足錄井工程的需要。

參考文獻：

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[3] 吳杰，馮冬青.數字電臺在自來水管網監(jiān)測調度系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息 2006,22(12)：288-290
[4] 吳永祥.基于無線電臺的風井綜合參數安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦安全,2006，12:37-38