CN202488733U - 一种油田数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种油田数据传输系统，该系统包括：无线变送器，用于在时钟同步中的数据时段采集数据并将所述数据通过所述无线自组织网络发送到所述远程控制单元；远程控制单元，与相邻的所述网络适配器建立连接，并将所述无线变送器发送的数据通过所述无线自组织网络发送到所述网络适配器；网络适配器，用于将所述远程控制单元发送的所述数据封装成数据报文，并将所述数据报文通过所述WIFI网络发送到所述无线路由器；无线路由器，用于将所述网络适配器发送的所述数据发送到所述服务器。本实用新型实施例极大降低了无线变送器数据传输的功耗，提高了数据传输的可靠性，并同时支持油井数据、视频数据传输业务。

Description

一种油田数据传输系统

技术领域

本实用新型涉及数据传输技术领域，具体涉及一种油田数据传输系统。

背景技术

由于受到自然环境条件的限制，数字油田无线数据采集系统的使用面临诸多挑战，如：目前油田主要分布在沙漠、隔壁或海洋等偏远地区，设备的安装和维护十分困难，所需费用很高；油井数量众多且分布不均匀，布设通信电缆十分困难，施工费用极高；油田大多分布在自然环境比较恶劣的地区，通常冬天温度极低、空气湿度很高，造成数字油田无线数据采集系统的使用寿命相对缩短；油田现场的设备更换很困难，设备必须能够连续稳定运行几年时间以上。因此，油田数据采集系统比普通采集系统要求更高、更苛刻，技术更加复杂，许多细节问题需要解决。

在数字油田领域，主要采用RS485总线和光缆相结合的分层结构传输方式，RS485实现近距离互联，光缆实现远距离通信，通信协议主要为Modbus。具体方案是：每口油井放置一个远程控制单元(Remote Terminal Unit，RTU)设备，油井上的变送器通过RS485总线或者4-20mA工业总线与RTU设备相连，将数据汇集到RTU设备；相邻若干口油井上的RTU再通过RS485总线，汇集到一个光端机上，再通过光缆连接到油田的指挥站中，在计算机中存储数据。

但是有线传输技术在油田应用中会遇到如下一些问题：由于油井分布较为分散，现场布线成本高、工程施工困难大、施工周期长，线缆故障的检测和维护成本高；由于线缆的束缚和限制，系统难以扩展或变更，无法适应变化的需求；由于载荷变送器安装在不断上下运动的抽油机游梁上，与载荷变送器连接的线缆很容易被损坏；RTU、光端机故障以及相应的电缆故障，将导致与之相连的所有底层设备无法与指挥室通信，可靠性差。鉴于有线传输技术在油田应用中面临的诸多问题，随着油田数据采集系统的发展，需要采用更为优越的数据传输技术。

鉴于Zigbee协议具有优越的无线自组网功能，Zigbee技术已经在油田中得到应用，其具体方案是：每口油井放置一个Zigbee路由器节点，油井变送器集成了Zigbee终端节点，变送器通过无线传输方式将数据发送给路由器节点，路由器之间形成自组织网络，采用多跳接力的方式将数据最终转发给指挥站。

Zigbee技术采用无线传输方式，解决了工业控制技术布线问题，但是在实际应用中仍然存在一些不足之处：在没有电缆的情况下，变送器没有电源供给，需要电池供电，要求设备必须低功耗，由于Zigbee技术采用2.4GHz频段，其功耗相对低频段的设备高很多，使得电池使用时间缩短，频繁更换电池导致成本增加；Zigbee使用2.4GHz频段，受到环境的损耗严重，使得相同发射功率的情况下，传输距离比低频段的设备近很多，在没有功率放大的情况下约120米，当油井间距稍大时则无法传输数据，而如果添加功放，虽然传输距离增加了，但是功耗也大幅度增加，电池很快耗尽；由于Zigbee的空中传输速率为250kbps，只能传输数据量很小的传感器数据，无法满足语音、视频等业务的需要，支持的业务类型很少。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种油田数据传输系统，以降低数据传输功耗，提高数据传输速率，提高数据传输的可靠性；克服现有技术中无线数据采集系统传输功耗高、传输速率小、可靠性差的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型提供一种油田数据传输系统，包括无线自组织网络和WIFI网络，所述无线自组织网络包括无线变送器、远程控制单元和网络适配器，所述WIFI网络包括网络适配器、无线路由器和服务器，

所述无线变送器，用于接收所述远程控制单元发送的信标帧以加入所述无线自组织网络并与相邻的所述远程控制单元建立时钟同步，所述信标帧包括时间戳，所述时钟同步包括数据时段和信标时段；在所述时钟同步中的数据时段采集数据并将所述数据通过所述无线自组织网络发送到所述远程控制单元；

所述远程控制单元，用于在所述时钟同步中的信标时段向所述无线变送器发送所述信标帧；与相邻的所述网络适配器建立连接，并在所述数据时段将所述无线变送器发送的数据通过所述无线自组织网络发送到所述网络适配器；

所述网络适配器，用于将所述远程控制单元发送的所述数据封装成数据报文，并将所述数据报文通过所述WIFI网络发送到所述无线路由器；

所述无线路由器，用于将所述网络适配器发送的所述数据发送到所述服务器。

优选地，所述无线变送器包括：

接收单元，用于接收所述远程控制单元发送的所述信标帧，所述信标帧包括时间戳；

网络建立单元，用于依据所述接收单元接收的所述信标帧扫描周围所述远程控制单元，与相邻的所述远程控制单元建立网络连接；

时钟同步建立单元，用于依据所述接收单元接收的所述信标帧中的所述时间戳，校准所述无线变送器的时钟，以与所述远程控制单元建立时钟同步；

发送单元，用于在所述数据时段且有所述数据发送时向所述远程控制单元发送所述数据；

信标帧判断单元，用于判断所述接收单元接收的所述信标帧是否正确；

计数值增加单元，用于在所述判断单元判断所述信标帧错误时将失败计数值增加1；

定时器设置单元，用于在所述失败计数值不大于预定值或者所述信标帧判断单元判断所述信标帧正确将所述失败计数值清零或者所述发送单元向所述远程控制单元发送完所述数据或者在所述数据时段没有所述数据发送后，设置定时器，以使所述无线变送器进入休眠状态。

优选地，所述远程控制单元包括：

定时器设置单元，用于设置所述远程控制单元的定时器，以依据所述定时器进行所述数据时段与所述信标时段的切换；

信标帧发送单元，用于在所述时钟同步中的信标时段向所述无线变送器发送所述信标帧；

接收单元，用于在所述数据时段接收所述无线变送器发送的所述数据；

发送单元，用于将所述接收单元接收的所述数据发送到所述网络适配器。

优选地，

所述无线路由器，还用于将所述服务器发送的下行数据报文通过所述WIFI网络发送到所述网络适配器；

所述网络适配器，还用于将所述无线路由器通过所述WIFI网络发送的下行数据报文解封装为下行数据，并将所述下行数据发送到所述远程控制单元；

所述远程控制单元，还用于接收所述网络适配器发送的所述下行数据并将所述下行数据发送到所述无线变送器；

所述无线变送器，还用于接收所述远程控制单元通过所述无线自组织网络发送的所述下行数据，以根据所述下行数据采集所述数据。

本实用新型实施例，采用无线自组织网络和WIFI网络两层网络架构完成数据传输，无线自组织网络可以采用的低频段无线方式进行数据传输，与现有传输技术相比，极大降低了传输功耗、传输距离更远；无线变送器与远程控制单元之间采用时钟同步进行数据传输，在数据时段，无线变送器只有在有数据传输时才传输数据，没有数据传输时就切换到休眠状态，进一步降低了传输功耗；无线变送器和远程控制单元之间及远程控制单元与网络适配器之间具备冗余链路，提高了数据传输的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例油田数据传输系统结构示意图；

图2是本实用新型实施例无线变送器结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，为本实用新型实施例油田数据传输系统的结构示意图，包括：无线自组织网络101和WIFI网络102，其中，无线自组织网络101包括无线变送器103、远程控制单元104和网络适配器105，WIFI网络102包括网络适配器105、无线路由器106和服务器107。

具体地，可以采用针对油田应用场景的470MHz频段无线自组织网络协议，相对于频段为2.4GHz的Zigbee协议，本实用新型实施例所采用的无线自组织网络具有功耗低、损耗小、传输距离远等优点。

需要说明的是，该油田数据传输系统中无线变送器103与远程控制单元104之间、远程控制单元104与网络适配器105之间可以使用470MHz频段低功耗无线链路通信。无线变送器103、远程控制单元104、网络适配器105运行自组网网络协议，形成自组织无线网络102，使得无线变送器103可以自主选择与之相邻的任意远程控制单元104建立连接，而远程控制单元104可以自主选择与之相邻的任意网络适配器105建立通信连接，即无线变送器103和远程控制单元104均具有自愈的功能。当网络中某个远程控制单元104故障时，与之相连的无线变送器103能够自动连接到其它正常工作的远程控制单元104；当网络中某个网络适配器105出现故障时，与之相连的远程控制单元104能够连接到其它正常工作的网络适配器105。无线自组织网络101的这种自组织、自愈特性，可以避免部分设备故障导致的无法通信的问题，保证了网络的可靠性，极大提高了数据传输成功率。

无线变送器103，用于接收远程控制单元104发送的信标帧以加入无线自组织网络101并与相邻的远程控制单元102建立时钟同步，其中信标帧包括时间戳，时钟同步包括数据时段和信标时段；在时钟同步中的数据时段，无线变送器103采集数据并将数据通过无线自组织网络101发送到远程控制单元102。

具体地，无线变送器103可以根据信标帧中的时间戳校准自身的时钟，实现与远程控制单元104的时钟同步；

具体地，该信标帧还可以包括：网络配置信息、下行数据、控制命令信息以及远程控制单元104的地址，未加入无线自组织网络的无线变送器103可以根据信标帧中的网络配置信息扫描周围网络，发现远程控制单元104，而后根据网络配置信息向远程控制单元104发送加入网络请求，加入到无线自组织网络101中；信标帧中的下行数据或者控制命令信息，可以驱动无线变送器103主动提取数据，实现下行数据和控制命令下发，方便远程控制和配置。

具体地，无线变送器103可以包括：

接收单元，用于接收远程控制单元104发送的信标帧，信标帧包括时间戳；

网络建立单元，用于依据接收单元接收的信标帧扫描周围远程控制单元104，与相邻的远程控制单元104建立网络连接；

具体地，网络建立连接单元，可以用于依据接收单元接收的信标帧扫描周围远程控制单元104，与相邻的无线信号最强的远程控制单元104建立网络连接；

时钟同步建立单元，用于依据接收单元接收的信标帧中的时间戳，校准无线变送器103的时钟，以与远程控制单元104建立时钟同步；

发送单元，用于在数据时段且有数据发送时向远程控制单元104发送数据；

信标帧判断单元，用于判断接收单元接收的信标帧是否正确；

计数值增加单元，用于在判断单元判断信标帧错误时将失败计数值增加1，失败计数值表示无线变送器接收到的信标帧错误的次数；

定时器设置单元，用于在失败计数值不大于预定值或者信标帧判断单元判断信标帧正确将失败计数值清零或者发送单元向远程控制单元104发送完数据或者在数据时段没有数据发送后，设置定时器，以使无线变送器103进入休眠状态。

具体地，无线变送器103上电后，首先进行初始化，此时无线变送器尚未加入无线自组织网络101。初始化结束后，无线变送器103开始扫描无线信道，等待接收远程控制单元104发送的信标帧。接收单元接收到信标帧后，检测无线变送器103周围的远程控制单元104、对应远程控制单元104的地址以及远程控制单元104发送的信号强度，网络建立单元选择与其相邻的信号最好的远程控制单元104，申请与该远程控制单元104建立无线链接，加入无线自组织网络101，时钟同步建立单元依据接收单元接收的信标帧中的时间戳，校准无线变送器103的时钟，与远程控制单元104建立时钟同步。然后，无线变送器103根据与远程控制单元104建立的同步时钟判断自身处于时钟同步中的信标时段还是数据时段，在数据时段时，如果有数据向远程控制单元104发送，则发送单元将该数据发送到远程控制单元104，之后，定时器设置单元重设定时器，使无线变送器103进入休眠状态。如果处于信标时段，接收单元接收远程控制单元104发送的信标帧，然后信标帧判断单元判断接收单元接收的信标帧是否正确，如果正确，信标帧判断单元将失败计数值清零，定时器设置单元校准时钟，重设定时器，使无线变送器103进入休眠状态；如果没有收到信标帧，则计数值增加单元将失败计数值增加1，此处失败计数值表示接收单元接收的信标帧的次数，如果失败计数值大于预定值，如果否，则信标帧判断单元将失败计数值清零，定时器设置单元校准时钟，重设定时器，使无线变送器103进入休眠状态，如果是，则接收单元等待接收信标帧，具体地，该预定值可以是3或者5。

需要说明的是，无线变送器可以包括多种类型，如载荷无线变送器、油压无线变送器、套压无线变送器、位移无线变送器、井口温度无线变送器、电流无线变送器、电压无线变送器、电功率无线变送器等。

如图2所示，为本实用新型实施例无线变送器的结构示意图，无线变送器可以包括：传感器201、信号调理电路202、微控制器203、存储器204、射频模块205、电源模块206、电池207以及稳压电路208

无线变送器103采集抽油机的油压、套压、位移、井口温度、电流、电压、电功率等物理参数，可以通过传感器201将物理参数转换为微弱的电压信号；由信号调理电路202对电压信号进行整形、滤波、放大等处理，得到较好的模拟信号，并将模拟信号输入到微控制器203；微控制器203对输入的模拟信号进行A/D转换，得到二进制的数字信号，微控制器203将数字信号存储到存储器204中，微控制器203将数字信号与历史数据一起进行数据处理和校正，将最后的结果通过射频模块205发送给远程控制单元104。

其中，电源模块206可以采用聚合锂电池供电，电池207可以为各个模块供电，通过稳压电路208向各个模块提供合适的电压，各个模块可以采用低功耗的芯片和电路。

远程控制单元104，用于在时钟同步中的信标时段向无线变送器103发送信标帧；与相邻的网络适配器105建立连接，并在数据时段将无线变送器103发送的数据通过无线自组织网络101发送到网络适配器105。

具体地，远程控制单元104可以包括：

定时器设置单元，用于设置远程控制单元104的定时器，以依据定时器进行数据时段与信标时段的转换；

信标帧发送单元，用于在时钟同步中的信标时段向无线变送器103发送信标帧；

接收单元，用于在数据时段接收无线变送器103发送的数据；

发送单元，用于将接收单元接收的数据发送到网络适配器105。

具体地，远程控制单元104上电后进行初始化，初始化完成后扫描无线信道的信号强度，选择信号最弱的信道作为自身的工作信道，以降低相互之间的干扰。远程控制单元104在该信道上发送信标帧，发送完信标帧后，远程控制单元104设置定时器，开始按照分时结构进行工作，由时钟驱动远程控制单元104的工作状态切换。在信标时段，远程控制单元104广播自身的信标帧并将信标序号增加1，然后切换到接收状态，重设定时器，等待数据时段的到来；在数据时段，远程控制单元处于接收状态，并设置超时定时器，如果接收到无线变送器103发送的数据，则远程控制单元104将数据转发给网络适配器105。在数据时段，远程控制单元104一直等待接收数据，直到定时器超时，数据时段结束。

需要说明的是，远程控制单元104具备低功耗自组织网络的功能，它安装在抽油机旁边的控制柜中，采用电源供电，每口油井安装一个远程控制单元104。远程控制单元104负责将与之相连的无线变送器103的数据转发给网络适配器105。无线变送器103与远程控制单元104之间的距离很近，通常在10米以内，因此，无线变送器103可以使用很低的发射功率发送数据，从而降低功耗，延长电池的使用时间。远程控制单元104还能够自主选择信号最好的网络适配器105建立通信链路，当正在使用的网络适配器105出现故障时，远程控制单元104能够重新发现和选择正常工作的网络适配器105接入，提高了网络的可靠性，确保数据可靠传输。

网络适配器105，用于将远程控制单元104发送的数据封装成数据报文，并将数据报文通过WIFI网络102发送到无线路由器106。

具体地，网络适配器可以将远程控制单元104发送的数据封装成TCP/IP格式的数据报文，并将TCP/IP格式的数据报文通过WIFI网络102发送到无线路由器106。

无线变送器和远程控制单元之间及远程控制单元与网络适配器之间具备冗余链路，当本地远程控制单元故障时，运行自组网协议的无线变送器可以连接到相邻的其它远程控制单元进行通信，同时，当本地网络适配器故障时，远程控制单元可以连接到相邻的其它网络适配器进行通信，避免了数据传输过程中的网络中断，提高了数据传输的可靠性。

无线路由器106，用于将网络适配器105发送的数据发送到服务器107。

服务器107可以实现数据的存储、管理、分析和显示。

需要说明的是，无线路由器106可以实现以太网与WIFI网络102之间的桥接，实现两个网络之间的相互通信。

在数据时段，远程控制单元104和网络适配器105一直处于数据接收状态，而无线变送器103根据预设的数据采集周期，可以周期性发送数据到远程控制单元104，也可以单次发送数据到远程控制单元104。无线变送器103设置一个定时器，当定时器超时时，开始准备向远程控制单元104发送数据，远程控制单元104采用基于竞争的载波侦听、冲突避免CSMA/CA媒体接入机制，主动检测信道是否空闲，如果空闲则发送数据，远程控制单元104收到数据后反馈应答，并将数据转发给网络适配器105，网络适配器105再将数据上传到服务器107。

需要说明的是，

无线路由器106，还可以用于将服务器107发送的下行数据报文通过WIFI网络发送到网络适配器105；

网络适配器105，还可以用于将无线路由器106通过WIFI网络102发送的下行数据报文解封装为下行数据，并将下行数据发送到远程控制单元104；

远程控制单元104，还可以用于接收网络适配器105发送的下行数据并将下行数据发送到无线变送器103；

无线变送器103，还可以用于接收远程控制单元104通过无线自组织网络101发送的下行数据，以根据下行数据采集数据。

具体地，服务器107向无线变送器103发送下行数据可以在数据时段进行，此处下行数据可以是下行命令或者配置信息。

需要说明的是，该油田数据传输系统还可以包括：

无线视频服务器和手持终端，无线视频服务器内部可以集成视频采集和压缩模块、WIFI网卡、TCP/IP协议栈，能将采集的图像按照H.264标准压缩成数据流，并按照TCP/IP协议将数据发送给网络适配器105，最终转发给服务器；手持终端具有无线网卡和Web浏览器，可以连接到网络适配器105，远程访问和登录服务器107，实现在油田现场配合和控制系统设备，方便管理和维护。

需要说明的是，网络适配器105可以具有一个自组网模块，两个无线WIFI模块，其中一个无线WIFI模块用于与无线路由器106通信；另一个无线WIFI模块作为热点，用于将无线视频服务器和手持终端接入WIFI网络102；而自组网模块运行自组网协议，用于与远程控制单元104通信。网络适配器105中的两个无线网卡之间的网络同构，只需要进行数据转发即可，而WIFI网络102与无线自组织网络101之间属于异构网格，需要进行数据帧的重构，相互转换后进行转发。具体地，网络适配器105接收远程控制单元104发送的数据，提取出数据中的负载数据，然后将负载数据封装成TCP/IP数据报文，将数据报文发送给无线路由器106；另外，网络适配器105可以接收无线路由器106发送的下行数据，提取出下行数据中的负载数据，将负载数据封装成自组网协议的数据格式，发送到远程控制单元104。

本实用新型实施例的油田数据传输系统，采用无线自组织网络和WIFI网络两层网络架构完成数据传输，无线自组织网络采用470MHz的低频段网络协议进行数据传输，与现有传输技术相比，极大降低了传输功耗、传输距离更远；无线变送器与远程控制单元之间采用时钟同步进行数据传输，在数据时段，无线变送器只有在有数据传输时才传输数据，没有数据传输时就切换到休眠状态，进一步降低了传输功耗；无线变送器和远程控制单元之间及远程控制单元与网络适配器之间具备冗余链路，提高了数据传输的可靠性；网络适配器可以将无线视频服务器和手持终端连接到WIFI网络中，可以实现传感器数据、视频等多种业务的数据传输，更方便了对油田设备的配置和管理。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种油田数据传输系统，其特征在于，包括无线自组织网络和WIFI网络，所述无线自组织网络包括无线变送器、远程控制单元和网络适配器，所述WIFI网络包括网络适配器、无线路由器和服务器，

所述无线变送器，用于接收所述远程控制单元发送的信标帧以加入所述无线自组织网络并与相邻的所述远程控制单元建立时钟同步，所述信标帧包括时间戳，所述时钟同步包括数据时段和信标时段；在所述时钟同步中的数据时段采集数据并将所述数据通过所述无线自组织网络发送到所述远程控制单元；

所述远程控制单元，用于在所述时钟同步中的信标时段向所述无线变送器发送所述信标帧；与相邻的所述网络适配器建立连接，并在所述数据时段将所述无线变送器发送的数据通过所述无线自组织网络发送到所述网络适配器；

所述网络适配器，用于将所述远程控制单元发送的所述数据封装成数据报文，并将所述数据报文通过所述WIFI网络发送到所述无线路由器；

所述无线路由器，用于将所述网络适配器发送的所述数据发送到所述服务器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述无线路由器，还用于将所述服务器发送的下行数据报文通过所述WIFI网络发送到所述网络适配器；

所述网络适配器，还用于将所述无线路由器通过所述WIFI网络发送的下行数据报文解封装为下行数据，并将所述下行数据发送到所述远程控制单元；

所述远程控制单元，还用于接收所述网络适配器发送的所述下行数据并将所述下行数据发送到所述无线变送器；

所述无线变送器，还用于接收所述远程控制单元通过所述无线自组织网络发送的所述下行数据，以根据所述下行数据采集所述数据。 

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