LoRa通信技术在油气田微功耗一体化示功仪中的应用,本文是通信技术类论文范文检索与田微和LoRa通信技术和功耗有关专科开题报告范文.
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一、 前言
目前大部分油田的示功图依然采用每月一次的人工测量获得,少数自动化改造的油田设备主要通过安装在井口的RTU 设备对示功仪进行有线采集或者基于ZigBee 无线通讯的技术的无线采集.
本文要解决的技术问题是提供一种基于LoRa 扩频通信技术的微功耗一体化示功仪的设计方案,改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,使其具备成本低、传输距离远、电池寿命长、节点容量大、稳定性高、数据传输可靠的特点,从而克服低功耗广域网产生之前,物联网无线技术远距离和低功耗两者之间只能二选一且中继成本高等问题.
二、油田中示功仪设计亟待改进
传统的示功仪是通过一个月一次的人工测量获得,对抽油机井的数据进行手工记录,层层传抄、上报,不仅工作量大,易出现误差,而且数据易丢失、传递时间慢,导致决策人员根据这些有误差的上报数据可能做出错误的判断,给出错误的调整方案.因此,现有的监测方式效率较低,不能做到实时准确监测,远远满足不了现场技术人员对抽油机井的示功图、电流图的需求,也不能适应油田生产发展的需要.
示功仪人工测量活塞位移和压力的方法为：用拉线带动机械卷轮及电位器产生位移信号,再通过测量抽油机悬臂的角度,按照几何关系计算出悬点的位移；压力是通过安装在悬点附近的压力传感器获得.通过现场设备的数据计算与整合,由技术工人进行手工记录保存.采用拉线法测量位移的示功仪的缺点是：测量装置体积大,机械部件多,加工复杂,使用中有卡线和短线的情况；由于存在穿线孔,油污易通过此孔流入仪表；安装和拆除测量装置时劳动强度大,并且受到天气、环境和其他因素的影响,不能及时了解油井的状况；测量位移的角度传感器与测量压力的压力传感器件的距离较远,造成安装和操作的不方便；要实现测量位移与压力的同步,就要用总线将压力与位移整合在一个系统中,这样在长距离的有线传输中可能会引入较大的干扰,使得采集到的数值不准确.
自动采集示功仪受有线采集设备和无线通讯距离的限制,每个井口都需要安装RTU 设备进行数据采集,并通过设备进行远距离的数据传输.因此现有的采集方式不易于建设和部署,成本较高,不能做到数据的直接回传,电池功耗偏大,无法满足油田自动化生产的需要.
通过RTU 等中继设备进行采集中,前端功图采集设备大多采用无线多点功图采集系统,可组成局域网或广域网.组成局域网的无线技术主要有2.4GHz 的WiFi,WIA、ZigBee等,组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G 等.这些无线技术,优缺点非常明显.
三、 需求分析及系统功能
在低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）产生之前,似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一.当采用LPWAN 技术之后,设计人员可做到两者兼顾,最大程度地实现更长距离通信与更低功耗,同时还可节省额外的中继器成本.
本方案要解决的技术问题是提供一种基于Lora 扩频通信技术的微功耗一体化示功仪,使其具有远距离无线传输、微功耗、一体化的特点,可实现位移与压力的同步测量,并采用无线数据传输技术,安装使用方便,从而克服现有示功仪的不足.同时改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,使其具备成本低、传输距离远、电池寿命长、节点容量大、稳定性高、数据传输可靠的特点,从而克服低功耗广域网产生之前,物联网无线技术远距离和低功耗两者之间只能二选一且物联网无线技术远距离和低功耗两者之间不能兼顾且中继成本高等问题.
1. 现有技术的缺点
现有自动采集示功仪的采集方法为：在示功仪中集成加速度传感器,安装时使加速度传感器的敏感方向与抽油杆运动的方向平行,对原始加速度信号进行相应的滤波处理和计算得到位移量.通过一体化的载荷传感器对载荷点压力进行测量,在示功仪内部取200 个点进行自动计算,之后传输给井口RTU 设备,由RTU 进行数据整合,通过模块进行远距离传输至后台上位机.
2. 硬件功能
为解决上述技术问题,本方案提供一种基于Lora 扩频通信技术的微功耗一体化示功仪,包括主控制器CPU、AD 电路、载荷传感器、加速度传感器、锂电池、太阳能板、Lora 无线数据传输模块、EEPROM 数据存储模块.其中,数据传送模块采用基于LoRa 扩频通信技术的无线发射模块.
本方案采用LoRa 无线通信技术,利用免许可频段,实现免费、无线通信,LoRa 无线组网技术能够组成星形网络结构,具有安装工序简单、无需提前布线、组网灵活、通讯距离远（最大可达10km 以上）、抗干扰能力强等优点,可实现多设备间的数据透明双向传输,特别适用于现场无法供电且又需要数据进行实时传输的油田、油井、供暖等输出管道和水井压力等场合的巡回检测.
加速度传感器采用基于MEMS 技术制作的加速度传感器,体积小、低功耗、易于集成,通过加速度传感器和位移的关系,计算出实际位移量,且量程自适应.通过加速度传感器采集位移值,再将采集到信号进行补偿调整后输送至 A/D 转换器的输入端,再将采集的参数经AD 电路传送给主控制器,主控制器将位移信息加密后通过RS232 总线传输给无线发送模块,再无线发往数据中心[1].
荷传感器设计成空心圆柱形,并在圆柱形弹性体内安装有惠斯登电桥检测电路, 对应变电阻进行精确测量.通过载荷传感器采集载荷点压力值,再将采集到信号进行补偿调整后输送至 A/D 转换器的输入端,再将采集的参数经AD 电路传送给主控制器,主控制器将压力信息加密后通过RS232 总线传输给无线发送模块,再无线发往数据中心.
A/D 转换电路将电压信号进行模数转换,再加上由电阻和电容组成的低通滤波器,滤除没有用的高频噪声信号,提高数据精度.
主控制器CPU 芯片完成采集、运算、通讯、休眠管理、电池管理等全部功能.处理器工作采用自动调节间歇休眠方式,大部分时间处于休眠状态,极少的工作时间全速运行,大大减少了功耗.
所述无线发射模块采用RHF76-052,适用于远距离、低功耗的应用,睡眠电流低至1.45uA,采用434MHz/470MHz频段,基于LoRa 扩频通信技术,优选低成本、高度集成的收发器,专为低功耗无线应用而设计,并在天线的外部设置防腐蚀绝缘套.
主控制器还连接有信号调整模块、实时时钟模块以及存储器.电源采用高性能锂电池和太阳能板分别进行放电与充电,可长期免维护独立工作在野外.
3. 软件流程设计
上电后硬件初始化,调试串口配置指令,示功仪进行参数配置功能；之后无线LoRa 模块进行初始化并发出加入网络指令,等待服务器回复调整时间和校准时间指令,如果收到回复并校准成功将进行发送常规数据包的行为,如果未收到回复则休眠10 秒后再次请求服务器调整、校准时间,10个短休眠周期无回复,进入最大休眠时间,之后再次进行重新入网.
开始正常入网并校准时间后,发送心跳包给服务器等待服务器下发采集指令,收到服务器指令后解析并执行指令,执行完毕后进入周期休眠；若没有收到指令则判断是否发送心跳超过3 次,未超过3 次则继续发送心跳,超过3 次则进入周期休眠.休眠结束后自我唤醒继续发送常规数据包给服务器等待回复.
四、方案优势
采用以上设计后,本方案技术现有技术相比有以下优点：
1. 微功耗：采用高性能锂亚电池的供电方式,并采用低工作电流和极微小休眠状态电流的低功耗设计,传感器电路在不采集数据时关闭,无线模块在不通讯时处于休眠模式,从而延长电池使用寿命,并且在安装时,无需信号线和电源线,一节锂电池可连续工作12 个月左右,同时太阳能板无间断进行充电,实现使用中的“零维护”.
2. 一体化：将加速度传感器和载荷传感器集成在一个结构里,形成无线一体化示功仪,实现位移与压力的同步测量.
3. 本方案采用微功耗电路设计技术,主控制器在正常情况下具有极低的工作电流和微小的休眠状态电流,其接收电流仅10mA,睡眠电流低至200nA,传感器电路在不采集数据时关闭,LoRa 扩频通信技术的无线数据传送模块在不通讯时处于休眠模式,上述措施都是为了节省用电量,延长电池的使用寿命.
4. 采用基于LoRa 扩频通信技术的无线数据传送模块,使用扩频调制技术,可解调低于20dB 的噪声.这确保了高灵敏度、可靠的网络连接,同时提高了网络效率并消除了干扰,大大改善了模块接收数据的灵敏度,较高的链路预算使其通信距离在建筑密集的城市环境可以达2 公里左右,而在密度较低的郊区,通信距离可达10 公里.
5. 扩频通信技术实现的通信距离比其他无线协议都要远得多,使得在较大范围内只使用一个网关即可连接区域内所有终端,从而大大降低了组网成本.
五、 结语
如上所述,基于无线物联网的微功耗一体化示功仪,将加速度传感器和载荷传感器集成在一个小盒里,通过加速度与位移的关系,计算出位移,该仪器具有低功耗、一体化的特点,实现了位移与压力的同步测量,并且采用无线数据传输模块来传输数据,解决了数据传输布线不便的问题.H
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