本站原创摘 要本文介绍基于油气田井口数据采集及远程传输系统中短波/超短波通信技术的应用,给出应用中通信天线和电台的选择方法,及组网方式和通信协议的设计.利用该设计能实现采集数据的远程无线传输,误码率低,已成功应用于油气田数据采集领域.
关 键 词短波/超短波；天线；组网方式；通信协议
中图分类号TE46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0144-02
1.短波/超短波通信系统
在油气田井口数据采集及远程传输系统中涉及到的采集数据的远程传输.目前远程传输有多种方式,大多采用有线通信或无线CDMA/GPRS通信方式,但从油气田井口的特殊地理环境及运行维护费用角度考虑,本设计选择短波/超短波的无线传播方式.
1.1 通信天线的选择
天线在通信系统中有着很重要的作用,它是电波能量发射和接收窗口.如果天线的选型和架设不当,即使有大功率的发射机和高灵敏度的接收机,也不可能获得高质量的通信效果.当短波/超短波通信系统的硬件设备选定以后,其通信质量的好坏除了取决于选频外,再就是取决于天线的选型和架设[1].
在无线电通信中,总希望发射天线能将它的大部分能量向通信方向辐射,而不希望向其他方向辐射.因为这样可以节省功率,从而提高设备的利用率.也就是说,发射天线在向空间辐射电波时,应具有一定的方向性.短波通信中,为了适应电离层的变化,天线的方向性不能太强.在广播中,为了覆盖较宽的地区,就需要弱方向性的发射天线.
结合实际应用情况,由于一个采油厂由一个控制中心和众多油井组成,所以通信组网时采用一个控制中心对众多口油井的方式,控制中心安装全向天线向四周发射信号,每口油井处安装定向天线接收并应答信号.同时在实际安装时,也要调整发射的仰角,直到找到一个最大的信号接收角度.
1.2 电台的选择
本设计采用的是软件无线电台,其优点是尽可能在接近天线处将信号数字化,之后利用DSP等微处理器和大规模可编程逻辑芯片构成的统一平台,结合各种软件实现完成各种通信功能.既能满足模块化、通用化的设计要求,又能降低费用.
2.组网方式
短波/超短波通信系统设计关键在组网方式和网络的结构确定[2].
油气田有多个采油厂,每个采油厂由众多口井组成,如果采用的短波/超短波电台是半双工工作方式,只有接收到RTS触发信号才能接收数据,只有DTR端口导通才能发送数据.发送数据时RTS至高,DTR至低；接收数据时RTS至低,DTR至高.如果采用全双工电台,则不用考虑RTS和DTR导通端口,可以直接进行数据通信.因为整个系统工作的同一时间里只能有一个井口的数据采集装置通过串口给上位机电台发送数据,为了避免冲突和数据的实时性,所以必须设计系统的工作时序.并且当油压数据值超过某一限定值时就要做相应的报警处理,传送及时准确的采集数据到上位机,通知站内工作人员及时采取相应措施.
本设计采用主从通信的方式,以采油厂的中心控制室为主站即上位机,众多井口设备为从站即下位机,组建大型通信网络,进行远距离无线数据传输.这样所有的下位机节点都以上位机节点为中心,各个下位机节点间互不干扰,因此在此结构中如果想再添加或删除某个下位机节点都不会对整个系统造成多大影响,非常便于维护.
3.通信协议
通信协议是整个系统的核心机制,如果通信协议设计的不好则会导致整个系统的崩溃.初始设计时,采用的是上位机每隔固定时间发出采集信息,一次采集所有井口的数据信息,每台下位机几乎同时返回数据给上位机.这样做时如果有十几台下位机时可以工作正常,但是如果下位机数量达到几十台则收到的数据显示乱码.
同时为了保证远程无线数据传输的准确性和可靠性,还应设计良好的通信数据传输格式,包括：
1）数据传输方式为232串口异步串行通信,波特率设为115 200bps；
2）帧数据格式定义为：一位起始位、8位数据位、CRC校验位、1位停止位；
3）系统的工作时序设计为：轮询-应答的通信方式.上位机在一个周期内对站内每一台下位机轮询发送一次指令,被呼叫的下位机响应操作并返回应答数据给上位机,没有被呼叫的下位机则处于等待接收指令状态.系统给每台下位机分配一个唯一固定的地址,此地址由拨码开关确定设定.
通信时,首先控制室的上位机通过串口把地址信息发送给电台,之后经由天线广播发送给远方的各台下位机.每台下位机都监听此地址信息,在串口中断程序中接收,并把接收到的地址信息和下位机自身被分配的唯一固定的地址信息对比.如果地址信息不相同则退出串口中断,等待下次寻址操作,如果地址信息相同,则置位相应标识位,同时返回此下位机自身被分配的唯一固定的地址信息给上位机,继续等待上位机发送的命令信息.
接下来,控制室的上位机继续通过串口发送命令信息给电台,之后经由天线广播发送给远方的各台下位机.但此时只有刚被寻址过的下位机会通过串口中断识别此命令信息,此下位机首先对命令信息进行解析,例如启动数据采集命令、启动流量计命令、启动井口截止阀命令等.下位机根据上位机的命令进行相应的操作,当执行操作后把相应采集数据信息、地址、操作返回信息等,以数据包的形式返回给上位机.上位机对接收到的信息进行分析、处理、存储等操作.
4.结论
本设计将短波/超短波通信方式应用到油气田井口采集数据的远程无线传输上,包括远程无线数据传输的组网方式、通信协议以及通信系统的搭建.在实际的油气田井口数据采集中,得到的数据稳定,基本无误码,在目前的气候条件下未出现异常.