CN203011594U - 基于无线物联网的微功耗一体化示功仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，包括主控制器以及与主控制器连接的加速度传感器、载荷传感器、无线发射系统及电源。本实用新型在安装时，无需信号线和电源线，采用一节锂电池电源可连续工作12个月左右，实现使用中的“零维护”；并且解决现有传感器的电缆及机械拉线卷轮设计，以及有线电缆传输的工艺方式带来的可靠性、安全性差等问题；实现位移与压力的同步测量，形成基于无线物联网的微功耗一体化示功仪。

Description

基于无线物联网的微功耗一体化示功仪

技术领域

本实用新型涉及物联网中的智能变送器技术领域，特别是涉及一种基于无线物联网的微功耗一体化示功仪。

背景技术

在活塞运动中，气缸内气体压力随活塞位移（或气缸内容积）而变化的循环曲线所包围的面积可表示为机器所作的功或消耗的功，故称为示功图。在油田工业中，采集示功图是非常重要的，油井示功图是油井工作状态的重要表征，可以全面反映井下抽油泵运行状况以及原油的开采情况，并计算出采油量，因此，采用示功图来判断采油井的出油量是现代化油田常用的方法。

传统的示功图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。

近年来，示功仪的使用越来越普遍，其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；压力是通过安装在选点附近的压力传感器获得。

上述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。

针对以上示功仪的不足和缺陷，设计一种可将加速度传感器和载荷传感器集成，可实现位移与压力的同步测量，并具有微功耗的无线一体化示功仪，是当前本领域的重要改进目标。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，使其具有微功耗、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。

为解决上述技术问题，本实用新型一种基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，包括主控制器以及与主控制器连接的加速度传感器、载荷传感器、无线发射系统及电源。

作为本实用新型的一种改进，所述载荷传感器、加速度传感器、无线发射系统、主控制器和电源集成安装在同一盒体内。

所述无线发射系统采用zigbee通讯技术 。

所述加速度传感器采用基于MEMS技术制作的ADXL203芯片的加速度传感器。

所述载荷传感器设计成空心圆柱形或U形弹性体，并在圆柱形或U形弹性体内安装有惠斯登电桥检测电路。

所述主控制器还通过无线发射系统连接有无线温度传感器、无线压力传感器中的一种或两种。

所述主控制器采用具有JTAG接口的MSP430芯片。

所述无线发射系统采用XbeeS2C。

所述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。

所述电源采用高性能锂亚电池。

采用以上设计后，本实用新型与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，实现使用中的“零维护”；

2、无线传输：利用无线技术和数字化集成传感器技术传输信号，解决现有传感器的电缆及机械拉线卷轮设计，以及有线电缆传输的工艺方式带来的可靠性、安全性差等问题；

3、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。

如上所述，本实用新型一种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。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型基于无线物联网的微功耗一体化示功仪的组成示意图。

图2是本实用新型的加速度传感器电路原理图。

图3是本实用新型的载荷传感器电路原理图。

图4是本实用新型的主控MCU电路原理图。

图5是本实用新型的电源模块电路原理图。

图6是本实用新型的无线发射系统模块电路原理图。

图7是本实用新型的工作流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，主要包括主控制器以及与主控制器连接的传感器、无线发射系统和电源。其中，传感器包括加速度传感器和载荷传感器两部分。

载荷传感器、加速度传感器、无线发射系统、主控制器（主控制MCU）和电源都集成到一个密封金属装置内，加速度传感器和载荷传感器可与二次仪表（RTU）整合为一体，是一体化的密封结构。本实用新型的加速度传感器将采集到的加速度数据进行二次积分得到活塞的角位移量，进而得到光杆角位移，因此可以和载荷传感器集成安装。

电源供电模块优选采用高性能锂亚电池，为载荷传感器、加速度传感器、主控制MCU以及无线数据传输模块供电。

载荷传感器和加速度传感器将数据传给主控制MCU，再经无线发射系统将数据传输至现场RTU单元。信号通过2.4GHZ无线通信的方式传递给信号接收单元RTU。

此外，主控制MCU还可连接有信号调整、实时时钟、存储器、电源控制等基本电路，实现信号的A/D转换、采集、存储和电源管理等功能。其中，存储器优选64Mb以上的FRAM存储器，其存储容量大，性能优良，还具有掉电数据保持功能，完全满足记录仪的数据存储要求，并方便数据更换。

请参阅图 2所示，本实用新型的加速度传感器是震动测试中的重要元件，可采用基于MEMS技术的加速度传感器，其具有过载能力好、体积小、抗冲击、高可靠性和寿命长的优点，可选用AD公司设计的新型单芯片双轴传感器，其采用ADXL203芯片，精度高，功耗低。

本实用新型首先测量抽油杆的加速度，之后通过对加速度数据进行二次积分得到活塞的角位移量，进一步来说，是通过加速度传感器输出的幅度与加速度成正比的模拟量，再通过A/D转换成数字信号，经过单片机内部的积分软件，根据抽油杆柱运动周期性的特点，测量出光杆角位移。

请参阅图 3所示，本实用新型载荷传感器采用电阻应变测试方法，在圆柱形或U形弹性体内安装检测电路-惠斯登电桥。当弹性体受压变形，某一桥臂电阻值发生变化时，应变片变形而引起电阻变化，电桥的输出电压也相应地发生变化，从而达到采集目的。

本实用新型的载荷传感器可选用集成单电源仪表放大器AD623，它能在单电源（+3V到+12V)下提供满电源幅度的输出，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的灵活性，符合8引脚的工业标准配置，在无外接电阻条件下，AD623被设置为单增益（G=1），在外接电阻后，AD623可编程设置增益，增益最高可达1000倍。

AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小的误差，线路噪声及谐波将由于CMRR在高达200HZ时仍保持恒定。AD623有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于低电平150mv共模电压信号，在双电源（2.5至6V）仍能提供优良性能。低功耗，宽电源电压范围，满电源幅度输出，使AD623成为电池供电的理想选择。在低电源电压下工作时，满电源幅度输出级使动态范围达最大。它可以取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空间提供很好的线性度，温度稳定性好。在专利，AD623用于信号调理，主要是起到信号放大的作用，且将差分数据转换为单端数据。

请参阅图 4所示，主控制器采用MSP430F149芯片完成运算、通讯、处理等全部控制功能。处理器工作采用间歇方式，大部分时间处于休眠状态，极少的工作时间全速运行，减少了功耗。

MSP430单片机是低功耗单片机，能够为节点降低功耗，减小了系统的能源开销。MSP430通过P40---- P45接口与FM25V05铁电非易失存储器通信，从而读取采集到的数据。MSP430通过SPI接口与无线芯片通信。并且MSP430通过端子可以实现在线调试，端子是有复位功能和JTAG端口组成。复位功能是通过单片机P58引脚实现。平常状态下，端口为高电平，如果有低电平跳变，则产生复位。单片机的P54----P57端口为JTAG端口，可以实现在线编程、在线调试、更换程序等功能。

请参阅图 5所示，本实用新型的电源部分主要通过四节电池供电，两节并联，为MCU供电；两节串联，为传感器供电。输入3.6V，通过一个IN5819降到3.3V，然后再给电路板供电。通过LP2980低压差线性稳压器为载荷传感器和角位移芯片提供5V的参考电源。MCU通过P32引脚来控制LP2980是否工作。

请参阅图6 所示，无线发射系统的通信部分采用S2C模块。S2C是一种低成本单片Zigbee协议收发器，为低功耗无线应用而设计。S2C通过SPI接口与MCU进行通信。很容易通过编程使其工作在2.4GHz范围内，其功耗低、灵敏度高、小尺寸、集成了位同步器等特点，主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活，通过布置多个节点，可以实现多点的信号数据采集。信号传递通过2.4GHZ无线通信的方式传递给信号接收单元， zigbee接口传送给远传平台，从而实现示功图的远程监控。

本实用新型基于无线物联网的微功耗一体化示功仪以16位微处理器为核心，采用高性能、微功耗电路，集采集、存储和无线数据传输模块于一体的高技术、高精度功图测试仪，直接安装到抽油机进口的悬绳器上，无需其他任何接线，体积小，方便安装和维护；壳体采用金属材料制作而成，不怕撞击，抗晒抗冻，密封防水级别较高，增加了耐用性，适合油田上比较恶劣的环境；载荷传感器、加速度传感器、无线发射系统采集模块化设计，便于调试和更换元器件，若这三部分中的某个模块坏了，只需更换该模块，只要载荷传感器不更换，就不需要重新标定。采用模块化设计既方便维护又节约成本；采用加速度计算抽油机冲程的应用，使得位移、冲次量的计算和测量更加简单实用；采用人机交换方式设置参数（设备地址、通信信道、数据监控、设备校准、载荷测试、读取功图等），采用磁钢外部激活，便可通过二次仪表、手抄器、PDA、笔记本电脑等无线方式设置通讯参数，解决了抽油机井无线一体化示功仪开盖设置通讯参数的问题；采用一次高性能锂亚电池，可靠持久；采用精确电源管理技术，关闭不工作的模块以节能，使设备处于低功耗状态；可以实时监测电池电量，电量过低自动报警；上位机服务器和RTU之间通过无线网络实现数据传输，远程实时监测抽油机井地面示功图。

本实用新型基于无线物联网的微功耗一体化示功仪的数据可实时自动无线传输到远端计算机或服务器中，从采集、处理、存储、发送到存入远程计算机或服务器全部实现自动化，无需任何人工参与，通过无线方式可实现对半径300米以上范围内的信号进行传递，从而很大程度上减少了施工难度。通过远程平台既可以读取当前的抽油机井地面示功图，也可以读取历史示功图，根据时间即可实现历史记录查询；具有扩展功能，如果在采集功图的基础上还需要采集温度、压力，只需要在油井的相应位置安装无线温度传感器和无线压力传感器，利用无线一体化示功仪中的无线数据传输模块进行远程传输。因此，无需专门为采集温度和压力而安装RTU控制终端柜，从而节省成本，减少安装和维护工作量；远程升级，RTU和无线发射系统的嵌入式程序均可以通过GPRS连接进行远程升级。采用高精度、零漂移的载荷、位移传感器，即可代替目前常规的油井示功仪，又可对重点油井实施连续不间断的监测。

此外，本实用新型还可替代石油采油现场用拉线带动机械卷轮及电位器产生位移信号测量抽油机工况的传统方法，利用微功率无线自组网成熟技术、载荷传感器和加速度传感器测量技术的无线示功仪能够定时采集抽油机示功图数据，借助微处理器计算得到抽油机光杆在一个运动周期内的载荷和与之对应的位移数据，分析完成地面功图计算、抽油受力分析、抽油机平衡计算、系统效率分析。

请配合参阅图7所示，微功耗的无线示功仪将数据发送至监控终端，终端的电测量单元对油井设备用电负荷情况进行全面的监测，特别是与示功仪同步采集一个冲程周期内的电功率瞬时数据，通过无线传输将数据转发到中心服务器。系统主站是数据分析和查询的核心，对监控终端传回的各种数据进行分析处理，将结果通过互联网发送至各单位，使油田各管理者或生产者在任何可接入互联网的地方都能对油井工作情况实时掌握。系统主站可绘制油井地面功图，绘制设备的用电量、电压、电流、使用功率等用电参数曲线，绘制与功图同步的电功率曲线，计算最佳的抽油机平衡块位置调整参数，分析抽油机效率，为油井设备的节能降耗提供更为精确的数字依据。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于包括主控制器以及与主控制器连接的加速度传感器、载荷传感器、无线发射系统及电源。

2.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述载荷传感器、加速度传感器、无线发射系统、主控制器和电源集成安装在同一盒体内。

3.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述无线发射系统采用zigbee通讯方式。

4.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述加速度传感器采用基于MEMS技术的ADXL203芯片的加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述载荷传感器设计成空心圆柱形或U形弹性体，并在圆柱形或U形弹性体内安装有惠斯登电桥检测电路。

6.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述主控制器还通过无线发射系统连接有无线温度传感器、无线压力传感器中的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述主控制器采用具有JTAG接口的MSP430芯片。

8.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述无线发射系统采用XbeeS2C。

9.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述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。

10.根据权利要求1所述的基于无线物联网的微功耗一体化示功仪，其特征在于：所述电源采用高性能锂亚电池。

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