CN202882899U

CN202882899U - 基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪

Info

Publication number: CN202882899U
Application number: CN2012205948149U
Authority: CN
Inventors: 李训铭; 宋瑞瑞; 黄春海; 刘永康
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-11-13

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，包括传感器模块、与传感器模块相连的无线RF模块、与传感器模块和无线RF模块相连的电源模块，传感器模块包括载荷传感器、加速度传感器，无线RF模块包括主控芯片、与主控芯片相连的信号调理电路、实时时钟电路、通讯接口电路、看门狗电路，载荷传感器和加速度传感器分别与信号调理电路相连接。本实用新型的结构简单，采用了高测量精度的加速度传感器，可有效的提高精度，降低功耗和成体，采用载荷传感器，可有效提高传感器的适应环境温度，而且有很好的稳定性好防水性，采用的无线RF模块，增强了抗干扰性能又降低了功耗。

Description

基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪

技术领域

本实用新型属于油田自动化测控领域，具体涉及一种基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪。

背景技术

油井是油田最小的生产单位，大大小小的油田是由这些成百上千，相距几十米到几百公里的油井组成。在采油过程中，油井测控装置的功耗和环境适应能力，直接影响测控装置的使用周期与维护成本，这对及时准确掌握油井的各种参数，了解油井的运行情况，降低采油的成本至关重要。

短距离无线通信技术指通信范围在100m线通信技术，主要分为无线电波、光波、红外线3种方式。目前可用于工业领域的短距离无线通信技术主要有：红外数据传输(IrDA)、无线局域网802.11b(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)、无线传感器网络(ZigBee)技术等。这些技术各有特点和适用范围，针对油田监控网络来说红外线最大缺陷在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，并且中间不能有阻挡，由于油田监控分布广，布局复杂，各种设备以及来往人员较多，所以红外技术用于油田监控不可行。而无线局域网802.11b(Wi-Fi)它的过大功耗对于抛弃了电源线而使用电池供电的无线传感器而言是个致命的缺陷。并且，对于现场传感器而言，传输参数的数据量很小，根本不需要高速、高功耗、高成本的技术。蓝牙提供的传输速率依然太高(代价就是能量消耗，是电池更换周期变短)，没有考虑到传感器采集数据量很小的需求，所以也不是一种可行的技术。

传统的油井无线监控系统大多采用集群电台、GPRS/CDMA模式，由于移动通信基站系统建设费用昂贵，只能覆盖在用户较集中的地方，而许多油田地域偏僻、人烟稀少，导致无法覆盖或者信号相对较差。

由此，结合油田测控网络的实际需要，采用基于ZigBee无线传感器网络技术是各种技术中的首选。ZigBee是一种新兴的近距离、低成本低功耗的无线网络技术，基于IEEE 802.15.4标准协议。主要适合用于自动控制和远程控制领域，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、成本低、功耗低的基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪。

实现本实用新型目的的技术方案是一种基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，包括传感器模块、与传感器模块相连的无线RF模块、与传感器模块和无线RF模块相连的电源模块，所述传感器模块包括载荷传感器、加速度传感器，所述无线RF模块包括主控芯片、与主控芯片相连的信号调理电路、与主控芯片相连的实时时钟电路、与主控芯片相连的通讯接口电路、与主控芯片相连的看门狗电路，所述载荷传感器和加速度传感器分别与所述信号调理电路相连接。

进一步，所述无线RF模块还包括Flash存储器和电源控制电路，所述Flash存储器、电源控制电路分别与所述主控芯片电连接。

进一步，所述通讯接口电路包括RS232接口电路和RS485接口电路。

进一步，所述电源模块包括太阳能电池、充电电路、与太阳能电池和充电电路相连的输入稳压电路、与输入稳压电路输出端相连的充电锂电池电路、与充电锂电池电路相连的输出稳压电路，所述输出稳压电路分别与所述传感器模块、无线RF模块电连接。

进一步，所述电源模块包括与所述充电锂电池电路电连接的电量检测电路。

本实用新型具有积极的效果：

本实用新型的结构简单，采用了高测量精度的加速度传感器，可有效的提高精度，降低功耗和成体，采用载荷传感器，可有效提高传感器的适应环境温度，而且有很好的稳定性好防水性，采用的无线RF模块，增强了抗干扰性能又降低了功耗。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：

图1为本实用新型的电路结构示意图。

具体实施方式

(实施例1)

图1显示了本实用新型的一种具体实施方式，其中图1为本实用新型的电路结构示意图。

见图1，一种基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，包括传感器模块1、与传感器模块1相连的无线RF模块3、与传感器模块1和无线RF模块3相连的电源模块2，所述传感器模块1包括载荷传感器11、加速度传感器12，所述无线RF模块3包括主控芯片31、与主控芯片31相连的信号调理电路32、与主控芯片31相连的实时时钟电路33、与主控芯片31相连的通讯接口电路34、与主控芯片31相连的看门狗电路35，所述载荷传感器11和加速度传感器12分别与所述信号调理电路32相连接。本实施例中加速传感器选用ADXL202双轴加速度传感器，加速度传感器ADXL 202的外围电路设计包括选择信号周期、滤波电容(决定信号的频带)、分辨率和测量时间，为了消除传感器与微处理器共用电源所来带来的干扰，本实用新型作了一些抗干扰的硬件设置，使传感器根据测量要求达到最佳性能，其载荷传感器经过仪表放大后与无线RF模块相连接，低功耗精密仪用放大器INA122。

所述无线RF模块3还包括Flash存储器36和电源控制电路37，所述Flash存储器36、电源控制电路37分别与所述主控芯片31电连接。

所述通讯接口电路34包括RS232接口电路341和RS485接口电路342。

为了突出无线传感器网络低功耗的特点，选用了预装ZigBee网络协议栈的JN5139-ZO1-MO1模块，这是一款基于第二代无线微控制器的通讯模块，可以使用户在最短时间内最低成本下实现基于IEEE 802.15.4或ZigBee的无线网络系统。该模块减少了用户对于RF板设计和测试工装的昂贵费用与漫长开发时间，使得整个过程更加简单快捷。尽管ZigBee模块内部已经集成了多达96KB RAM和192KB的ROM，但是要实现示功仪强大的功图存储能力，仅仅靠ZigBee模块本身的存储器是远远不够的，为了防止示功仪非正常掉电而导致数据丢失，只有具有掉电保护功能的Flash存储器(33)才能满足要求。选用Atmel公司的AT45DB642D作为本系统的外部存储器。在20MHz时钟下，AT45DB642D的典型电流为4mA，因此非常适用于低功耗的ZigBee无线示功仪的设计。为了增加ZigBee无线示功仪的功能性，加入了美国DALLAS公司推出的高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302，用以记录无线传感装置的在一定时间的工作状态，考虑到示功仪会有掉电的可能，为了防止掉电造成时间等信息丢失，将使用一个纽扣电池来配合时钟电路，而时间的校准则通过上位机无线校对。

所述电源模块2包括太阳能电池21、充电电路22、与太阳能电池21和充电电路22相连的输入稳压电路23、与输入稳压电路23输出端相连的充电锂电池电路24、与充电锂电池电路24相连的输出稳压电路25，所述输出稳压电路25分别与所述传感器模块1、无线RF模块3电连接。

所述电源模块2包括与所述充电锂电池电路24电连接的电量检测电路26。

根据ZigBee无线示功仪主板电源使用情况，需要对可充电锂电池的电压进行变换，专门供传感器等器件使用。根据低功耗要求，选用德州仪器(TI)生产的TPS780系列降压型芯片TPS780330220DDC，其500nA静态电流的单路输出堪称为业界最低，很好的契合了低功耗的设计理念。

本实用新型从以下几个方面体现低成本与低功耗的经济效益：

采用新兴的近距离、低成本低功耗的ZigBee无线网络技术，在满足组网要求以及数据传输率的同时完全达到油田测控应用的标准。

在处理器和传感器等器件的选型上，采用了低功耗的器件，或者采用高度集成的专用器件。专用器件在功耗、体积和可靠性上都要优于分离器件，如本实用新型的加速度传感器选用了MEMS单块集成电路系统ADXL202，压力传感器直接采用的油田专用载荷传感器等。另外，CMOS工艺的功耗仅为TTL工艺的千分之几，因此在不影响性能要求的情况下本实用新型选用CMOS电路器件。

充分利用节电的工作方式，如的JN5139处理器的闲置、休眠、掉电等工作方式，Flash存储器的待机维持工作方式，数模电转换的节能工作方式，这些器件本身在工作时需要消耗较大的电能，因此充分利用其节电方式可以显著达到节电效果。

实行动态电源管理，分区、分时供电。示功仪系统的所有组成部分并非时刻在工作，但并不是所有的器件都可以设置低功耗模式，基于此，本实用新型对电路进行模块设计，采用分时、分区的供电技术，有选择的把闲置的资源置于低功耗状态或者完全关闭。

采用多种外部扩展接口，方便后期维护和数据下载，提高通用性。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，包括传感器模块、与传感器模块相连的无线RF模块、与传感器模块和无线RF模块相连的电源模块，其特征在于：所述传感器模块包括载荷传感器、加速度传感器，所述无线RF模块包括主控芯片、与主控芯片相连的信号调理电路、与主控芯片相连的实时时钟电路、与主控芯片相连的通讯接口电路、与主控芯片相连的看门狗电路，所述载荷传感器和加速度传感器分别与所述信号调理电路相连接。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，其特征在于：所述无线RF模块还包括Flash存储器和电源控制电路，所述Flash存储器、电源控制电路分别与所述主控芯片电连接。

3.根据权利要求2所述的基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，其特征在于：所述通讯接口电路包括RS232接口电路和RS485接口电路。

4.根据权利要求3所述的基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，其特征在于：所述电源模块包括太阳能电池、充电电路、与太阳能电池和充电电路相连的输入稳压电路、与输入稳压电路输出端相连的充电锂电池电路、与充电锂电池电路相连的输出稳压电路，所述输出稳压电路分别与所述传感器模块、无线RF模块电连接。

5.根据权利要求4所述的基于ZigBee无线传感器网络的油田示功仪，其特征在于：所述电源模块包括与所述充电锂电池电路电连接的电量检测电路。