基于無線傳感器網絡的油田鉆井現場監測系統

謝真良，楊光友，李 達

（1湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068；2湖北工業大學農機工程研究設計院，湖北 武漢430068）

傳統的鉆井環境監測系統成本高，維護費用大，并且數據采集量相對較小。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一種由傳感器節點組成的網絡［1］，可以實時感知、采集和監測節點部署區內目標的各類信息（如壓力、流量、溫度和有害氣體濃度等物理參數），并將處理后的信息通過無線網絡發送給觀察者，有效解決了有線傳輸帶來的弊端。在石油鉆井過程中，需要實時監測井控參數并做好異常參數的監測、預警工作，以便及時發現溢流、井漏等意外情況，進而防止井噴發生［2］。為此構建一個無線傳感網絡，通過分布式結構采集數據并獲取環境參數。由于無線傳感器網絡的傳感器節點會在短時間內采集大量傳感信息，監測人員如果直接查詢和處理這些數據非常不便［3］。本文設計了一種面向油田鉆井現場的無線傳感器網絡WEB監測系統，可以將鉆井關鍵部位的信息實時地采集傳輸至各級監控中心，并能依據實際要求調節相關監測參數，實現多用戶訪問和管理。

1 油田鉆井現場WEB監測系統

1.1 系統結構

為了管理傳感器節點采集的各種環境數據，監測節點和整個網絡的運行狀態，并將這些數據轉化為易于觀察和查詢的可視化信息，有必要建立合適的油田鉆井 WSN監測系統［4－6］。同時，所開發的監測平臺應滿足以下功能。

1）匯聚整理WSN網絡采集的初始數據?？梢詫鞲衅鞴濣c采集到的各種感知數據通過匯聚節點與RS-232連接的形式傳送到現場基站，并對初始數據進行優化處理。

2）存儲和管理數據功能?？梢詫⒏兄臄祿浱幚砗髠鬏數竭h程數據服務器上分類存放，并能夠實現歷史數據查詢。

3）實現遠程的訪問和控制。用戶可以通過Internet實現對WSN實時狀態的遠程監測。

4）友好的人機交互界面以及良好的穩定性和可擴展性。通過人機交互界面，監測程序可實現顯示傳感器節點的感知信息、位置信息及工作狀態等功能。在不同的應用背景下，需要處理不同的感知數據，能夠根據實際的需要對傳感器網絡監測平臺進行模塊化擴展，而且需要保證系統穩定運行。

根據系統的功能需求分析，得出系統整體結構如圖1所示。

整個系統可分為傳感器網絡、現場PC、數據服務器、客戶端等四層結構，最底層為部署在各井場監測環境中的傳感器節點和匯聚節點構成傳感器網絡，其中匯聚節點負責接收網絡中所有節點的信息；而上層是與Internet相連的一臺計算機構成的基站，它將傳感器數據經過Internet傳送到數據服務器進行集中存儲處理；用戶可以通過任何一臺連到Internet上的計算機終端訪問數據服務器，并可以向現場PC發送操作指令。

圖1

1.2 硬件平臺與軟件環境

系統中的信號采集無線傳感器節點，以及與PC機相連的傳感器網絡匯聚節點的核心芯片均采用TI公司的CC2530芯片。該芯片集成度高，體積小功耗低，抗干擾性強，靈敏度高。

系統軟件開發主要基于MFC開發框架、ASP.NET AJAX技術和 SQL Server 2008數據庫開發技術?，F場監測客戶端是采用QT/E開發的應用程序，用于實時數據的圖形繪制和接收轉發。遠程監測端的系統架構采用典型的三層結構，即表現層、業務層和數據層［7］。使用 WEB控件、HTML標記和CSS等元素組成WEB客戶端界面，以頁面形式展現其系統功能。使用ASP.NET 4.0實現業務邏輯和數據訪問并組成服務器層，ASP.NET AJAX則用于實現客戶端與服務器的數據交換，而數據交換的形式可以采用XML格式或者文本格式。遠程監測端的系統程序結構層次如圖2所示。

圖2 程序結構層次圖

1.3 系統功能模塊

1.3.1 系統安全模塊 該模塊完成管理員用戶的身份驗證，保證對監測系統訪問操作安全合法。

1.3.2 數據管理模塊 在遠程監控系統中，數據庫建立在數據服務器中，具備存儲鉆井參數、提供數據報表的查詢和打印輸出功能?，F場的監測數據是數據庫的數據來源，通過ZigBee無線節點組成的WSN網絡，由匯聚節點將獲得的實時數據發送到現場PC進行數據解析和處理，再經過Internet將有效數據存入數據庫。數據庫中采用單節點存儲模式，即每個節點采集的數據作為一個獨立的數據存儲在數據庫中，使用戶能詳細了解井場不同位置的環境參數，使得監測數據更加精準、詳細。本系統使用SQL Server 2008數據庫存儲數據，設計了三種數據表:1）節點采集數據信息表用于存儲監測區域中的傳感信息；2）節點位置信息表用于存儲當前WSN網絡中傳感器節點的類型、地理坐標、工作狀態等信息；3）用戶信息表用于存放用戶名和密碼信息，用來檢驗登錄時輸入的用戶名和密碼信息是否正確。各數據表的設計視圖如表1－3所示。

表1 用戶信息表

表2 節點位置信息表

表3 節點采集數據信息表

1.3.3 數據服務模塊 本模塊屬于系統的業務層，主要提供系統邏輯運算和業務支持等服務。該模塊一方面可以分析WEB客戶端的服務請求類型，并根據服務請求類型，使用ADO.NET技術動態訪問數據庫獲取信息進行處理，將處理后的結果以XML文件形式傳回給客戶端，響應客戶端的服務請求。另一方面也通過創建線程，以主動定時查詢方式將報警信息發送給客戶端，告知用戶無線傳感器網絡的現狀，并依據實時狀態作出相應的處理。

1.3.4 數據顯示模塊 該模塊主要采用 WEB服務器控件和CSS樣式表，向用戶提供更加美觀便捷的可視化操作界面。用戶可以通過聯網計算機瀏覽器實時訪問監測系統，方便多用戶訪問和管理。

1.4 關鍵技術

1.4.1 基于異步Ajax技術的異步 WEB數據交互通過這種方法可以減少對服務器多余的請求和響應，有效降低服務器負擔，同時也降低了帶寬浪費率，使用戶能夠獲得動態、快速響應、高交互性的體驗［8］。

1.4.2 無線傳感器網絡的搭建 在油田井場內搭建無線傳感網絡，網絡傳感器的選擇需要滿足大范圍、多節點、低成本、低功耗、具有自組織功能的特點。結合這些要求，最后確定選用ZigBee技術完成無線傳感器網絡的搭建［9］。

1.4.3 遠程監測系統的信息交互 遠程監測端需要獲得現場設備的實時數據才能進行分析，進而產生決策，遠程操作指令通過Internet網絡傳回給現場設備，現場設備再執行相應操作指令。其中，為了保證良好的實時性，遠程WEB監測端與現場設備之間的通信選用基于TCP/IP協議的套接字通信方式，兩層之間可通過現場PC機進行中轉連接。又由于現場PC機可以通過串口通信直接與現場硬件設備進行交互，那么遠程監測端便可直接向現場PC機發送操作指令，然后由其直接轉發給現場硬件設備，最后將操作過程存儲進數據服務器［10］。通過這樣的實現方式，減少了整個通信過程中的時間延遲，提高了系統實時性。

2 系統應用

2.1 實驗環境

測試環境區域長約100m，寬約80m，為半封閉式，地形為平地。無線節點在鉆井現場中的分布情況如圖3所示。圖中，1號節點位于坐崗房頂部（節點離地面高度約為4m）；2和3號節點分別布置在2＃和3＃泥漿罐罐面上（這些節點離地面高度約為2.5m）；4號節點位于3＃泥漿罐的出口處（節點離地面高度約0.5m）；5號節點位于鉆井平臺上（節點離地面高度約為10m）；6號節點安放在泥漿出口的傾斜管線上（節點離地面高度約為7m）。

圖3 井場節點平面分布圖

節點1是匯聚節點，配備有GPS定位模塊，且通過RS-232與PC機連接；節點2，6為路由節點，同時負責收集和轉發周圍節點以及自身的傳感信息；節點3，4，5為終端節點，負責收集監測區域內的傳感信息，其傳感信息能夠經過路由節點轉發給匯聚節點，然后再經由現場PC機傳到數據服務器中進行存儲。圖中虛線表示無線節點間的數據通信路線。由于采用了樹狀網絡結構，兩節點間的最遠通信距離控制在15m以內，有效保證了無線信號的穩定性。

2.2 系統測試

系統各個功能模塊通過測試后，由微軟配套ASP.NET開發工具IIS 6.0發布網站。實測表明:系統的各個功能模塊都能夠正常運行，有較好的穩定性和友好的交互界面，而且系統的可擴展性強，這為豐富后續功能奠定了基礎。

在坐崗工作室，現場監測客戶端將所收集的監測信息進行轉發存儲，為鉆井作業的遠程監控提供了數據源。鉆井作業時，各分布節點采集數據時的現場監測界面如圖4所示。

圖4 現場監測客戶端界面

本系統是采用B/S模式構建的基于WEB的遠程監測系統，為滿足較高實時性要求，通過使用Ajax技術定時局部刷新，可實時顯示最新的傳感器數據。同時，在進行鉆井作業工程分析時也需要遠程監測端的數據庫具有回溯歷史數據的功能。通過指定起止日期來查詢數據庫，可以獲得指定節點參數的歷史數據。數據查詢并繪制井口電機區域的溫度曲線，實現了傳感信息的圖形化顯示（圖5）。

圖5 節點數據曲線和節點數據查詢

每個井場只需一個擁有GPS的節點，即可計算得到所有節點的GPS相對坐標。結合節點的井場位置分布，使用Baidu Map進行標注，那么在遠程監控室就可方便地了解每一個井場的地理位置以及直觀地查看當前井場的節點分布情況。圖6是某一井場節點位置標注與信息顯示。

通過添加“ASP.NET”文件夾Framework里的程序集“Office.dll”后，編寫相應調用代碼就可以實現指定數據報表的下載［10］，方便用戶導出所需要的數據進行鉆井過程分析。為了適應用戶的各種監測需求，系統設計了參數設置模塊，便于用戶對鉆井現場的重要監測參數進行調整，設置井場內無線傳感器網絡主要監測參數的閾值，針對性地監控環境，具有更好的適應性，同時為服務器端預警奠定基礎。

圖6 節點位置標注與信息顯示

通過模擬緊急相關實驗，測試了監測系統的有效性和可靠性。實驗結果表明，該系統可以有效地監測井口的異常數據，及時發現故障與危險情況，所測得的監測數據能夠滿足實際應用的精度要求。

3 總結

本文針對油田鉆井現場實際監測需求，設計并實現了無線傳感器網絡WEB監測。詳細介紹了其架構與層次結構。通過運用Ajax等技術，解決了數據可視化中的動態性、實用性等問題，提供了無線傳感器網絡環境監測可視化的研究技術基礎和實現方法。目前存在的主要問題是:井場環境復雜、鏈路變化頻繁，導致連接失效、丟包率增加，其穩定性有待進一步優化。

［1］ 熊珺潔.無線傳感器網絡節能協議設計［D］.安徽:中國科學技術大學，2007.

［2］ 倪合合，涂漢霧，黃 興，等.鉆井工程監測報警系統在井場中的應用［J］.可編程控制器與工廠自動化，2009，1:91-94.

［3］ 楊 揚.基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計［D］.浙江:浙江大學，2007.

［4］ 陸黃生.綜合錄井在鉆井工程中的應用現狀與發展思考［J］.石油鉆探技術，2011，39（04）:1-6.

［5］ 李智鵬，許京國，尤 軍，等.石油鉆探物聯網實時遠程作業中心設計綜述［J］.石油工業計算機應用，2014（02）:16-21.

［6］ 耿長劍.基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計與實現［D］.江蘇:南京航空航天大學，2009.

［7］ 高 鵬，徐小力，吳國新，等.基于Ajax的四層架構遠程監測系統設計［J］.計算機工程與設計，2014，35（02）:695-699.

［8］ 仰燕蘭，金曉雪，葉 樺.ASP.NET AJAX框架研究及其在 Web開發中的應用［J］.計算機應用與軟件，2011，28（06）:195-198.

［9］ 任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網絡［J］.軟件學報，2003，14（07）:1282-1291.

［10］鄭 玲.基于Web的無線傳感器網絡監控系統的設計與實現［D］.北京:北京郵電大學，2010.