專利名稱：基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于油田自動化測控領(lǐng)域，具體涉及一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的油田示功儀。
背景技術(shù)：
[0002]油井是油田最小的生產(chǎn)單位，大大小小的油田是由這些成百上千，相距幾十米到 幾百公里的油井組成。在采油過程中，油井測控裝置的功耗和環(huán)境適應(yīng)能力，直接影響測控 裝置的使用周期與維護成本，這對及時準確掌握油井的各種參數(shù)，了解油井的運行情況，降 低采油的成本至關(guān)重要。[0003]短距離無線通信技術(shù)指通信范圍在IOOm線通信技術(shù)，主要分為無線電波、光波、 紅外線3種方式。目前可用于工業(yè)領(lǐng)域的短距離無線通信技術(shù)主要有紅外數(shù)據(jù)傳輸 (IrDA)、無線局域網(wǎng)802.1lb (W1-Fi)、藍牙(Bluetooth)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(ZigBee)技術(shù) 等。這些技術(shù)各有特點和適用范圍，針對油田監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來說紅外線最大缺陷在于它是一種 視距傳輸，兩個相互通信的設(shè)備之間必須對準，并且中間不能有阻擋，由于油田監(jiān)控分布 廣，布局復(fù)雜，各種設(shè)備以及來往人員較多，所以紅外技術(shù)用于油田監(jiān)控不可行。而無線局 域網(wǎng)802.1lb(W1-Fi)它的過大功耗對于拋棄了電源線而使用電池供電的無線傳感器而言 是個致命的缺陷。并且，對于現(xiàn)場傳感器而言，傳輸參數(shù)的數(shù)據(jù)量很小，根本不需要高速、高 功耗、高成本的技術(shù)。藍牙提供的傳輸速率依然太高(代價就是能量消耗，是電池更換周期 變短)，沒有考慮到傳感器采集數(shù)據(jù)量很小的需求，所以也不是一種可行的技術(shù)。[0004]傳統(tǒng)的油井無線監(jiān)控系統(tǒng)大多采用集群電臺、GPRS/CDMA模式，由于移動通信基站 系統(tǒng)建設(shè)費用昂貴，只能覆蓋在用戶較集中的地方，而許多油田地域偏僻、人煙稀少，導(dǎo)致 無法覆蓋或者信號相對較差。[0005]由此，結(jié)合油田測控網(wǎng)絡(luò)的實際需要，采用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是各 種技術(shù)中的首選。ZigBee是一種新興的近距離、低成本低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于IEEE 802. 15.4標準協(xié)議。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，在數(shù)千個微小的傳感器之間 相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從 一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。發(fā)明內(nèi)容[0006]本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低的基于ZigBee無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀。[0007]實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案是一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功 儀，包括傳感器模塊、與傳感器模塊相連的無線RF模塊、與傳感器模塊和無線RF模塊相連 的電源模塊，所述傳感器模塊包括載荷傳感器、加速度傳感器，所述無線RF模塊包括主控 芯片、與主控芯片相連的信號調(diào)理電路、與主控芯片相連的實時時鐘電路、與主控芯片相連 的通訊接口電路、與主控芯片相連的看門狗電路，所述載荷傳感器和加速度傳感器分別與所述信號調(diào)理電路相連接。[0008]進一步，所述無線RF模塊還包括Flash存儲器和電源控制電路，所述Flash存儲 器、電源控制電路分別與所述主控芯片電連接。[0009]進一步，所述通訊接口電路包括RS232接口電路和RS485接口電路。[0010]進一步，所述電源模塊包括太陽能電池、充電電路、與太陽能電池和充電電路相連 的輸入穩(wěn)壓電路、與輸入穩(wěn)壓電路輸出端相連的充電鋰電池電路、與充電鋰電池電路相連 的輸出穩(wěn)壓電路，所述輸出穩(wěn)壓電路分別與所述傳感器模塊、無線RF模塊電連接。[0011]進一步，所述電源模塊包括與所述充電鋰電池電路電連接的電量檢測電路。[0012]本實用新型具有積極的效果[0013]本實用新型的結(jié)構(gòu)簡單，采用了高測量精度的加速度傳感器，可有效的提高精度， 降低功耗和成體，采用載荷傳感器，可有效提高傳感器的適應(yīng)環(huán)境溫度，而且有很好的穩(wěn)定 性好防水性，采用的無線RF模塊，增強了抗干擾性能又降低了功耗。


[0014]為了使本實用新型的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附 圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中[0015]圖1為本實用新型的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
[0016](實施例1)[0017]圖1顯示了本實用新型的一種具體實施方式
，其中圖1為本實用新型的電路結(jié)構(gòu) 示意圖。[0018]見圖1，一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀，包括傳感器模塊1、與傳 感器模塊I相連的無線RF模塊3、與傳感器模塊I和無線RF模塊3相連的電源模塊2，所述 傳感器模塊I包括載荷傳感器11、加速度傳感器12，所述無線RF模塊3包括主控芯片31、與 主控芯片31相連的信號調(diào)理電路32、與主控芯片31相連的實時時鐘電路33、與主控芯片 31相連的通訊接口電路34、與主控芯片31相連的看門狗電路35，所述載荷傳感器11和加 速度傳感器12分別與所述信號調(diào)理電路32相連接。本實施例中加速傳感器選用ADXL202 雙軸加速度傳感器，加速度傳感器ADXL 202的外圍電路設(shè)計包括選擇信號周期、濾波電容 (決定信號的頻帶)、分辨率和測量時間，為了消除傳感器與微處理器共用電源所來帶來的 干擾，本實用新型作了一些抗干擾的硬件設(shè)置，使傳感器根據(jù)測量要求達到最佳性能，其載 荷傳感器經(jīng)過儀表放大后與無線RF模塊相連接，低功耗精密儀用放大器INA122。[0019]所述無線RF模塊3還包括Flash存儲器36和電源控制電路37，所述Flash存儲 器36、電源控制電路37分別與所述主控芯片31電連接。[0020]所述通訊接口電路34包括RS232接口電路341和RS485接口電路342。[0021]為了突出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的特點，選用了預(yù)裝ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的 JN5139-Z01-M01模塊，這是一款基于第二代無線微控制器的通訊模塊，可以使用戶在最短 時間內(nèi)最低成本下實現(xiàn)基于IEEE 802. 15. 4或ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該模塊減少了用 戶對于RF板設(shè)計和測試工裝的昂貴費用與漫長開發(fā)時間，使得整個過程更加簡單快捷。盡管ZigBee模塊內(nèi)部已經(jīng)集成了多達96KB RAM和192KB的R0M，但是要實現(xiàn)示功儀強大的功 圖存儲能力，僅僅靠ZigBee模塊本身的存儲器是遠遠不夠的，為了防止示功儀非正常掉電 而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，只有具有掉電保護功能的Flash存儲器(33)才能滿足要求。選用Atmel 公司的AT45DB642D作為本系統(tǒng)的外部存儲器。在20MHz時鐘下，AT45DB642D的典型電流 為4mA，因此非常適用于低功耗的ZigBee無線示功儀的設(shè)計。為了增加ZigBee無線示功儀 的功能性，加入了美國DALLAS公司推出的高性能、低功耗的實時時鐘芯片DS1302，用以記 錄無線傳感裝置的在一定時間的工作狀態(tài)，考慮到示功儀會有掉電的可能，為了防止掉電 造成時間等信息丟失，將使用一個紐扣電池來配合時鐘電路，而時間的校準則通過上位機 無線校對。[0022]所述電源模塊2包括太陽能電池21、充電電路22、與太陽能電池21和充電電路22 相連的輸入穩(wěn)壓電路23、與輸入穩(wěn)壓電路23輸出端相連的充電鋰電池電路24、與充電鋰電 池電路24相連的輸出穩(wěn)壓電路25，所述輸出穩(wěn)壓電路25分別與所述傳感器模塊1、無線RF 模塊3電連接。[0023]所述電源模塊2包括與所述充電鋰電池電路24電連接的電量檢測電路26。[0024]根據(jù)ZigBee無線示功儀主板電源使用情況，需要對可充電鋰電池的電壓進行變 換，專門供傳感器等器件使用。根據(jù)低功耗要求，選用德州儀器(TI)生產(chǎn)的TPS780系列降 壓型芯片TPS780330220DDC，其500nA靜態(tài)電流的單路輸出堪稱為業(yè)界最低，很好的契合了 低功耗的設(shè)計理念。[0025]本實用新型從以下幾個方面體現(xiàn)低成本與低功耗的經(jīng)濟效益[0026]采用新興的近距離、低成本低功耗的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在滿足組網(wǎng)要求以及 數(shù)據(jù)傳輸率的同時完全達到油田測控應(yīng)用的標準。[0027]在處理器和傳感器等器件的選型上，采用了低功耗的器件，或者采用高度集成的 專用器件。專用器件在功耗、體積和可靠性上都要優(yōu)于分離器件，如本實用新型的加速度傳 感器選用了 MEMS單塊集成電路系統(tǒng)ADXL202，壓力傳感器直接采用的油田專用載荷傳感器 等。另外，CMOS工藝的功耗僅為TTL工藝的千分之幾，因此在不影響性能要求的情況下本 實用新型選用CMOS電路器件。[0028]充分利用節(jié)電的工作方式，如的JN5139處理器的閑置、休眠、掉電等工作方式， Flash存儲器的待機維持工作方式，數(shù)模電轉(zhuǎn)換的節(jié)能工作方式，這些器件本身在工作時需 要消耗較大的電能，因此充分利用其節(jié)電方式可以顯著達到節(jié)電效果。[0029]實行動態(tài)電源管理，分區(qū)、分時供電。示功儀系統(tǒng)的所有組成部分并非時刻在工 作，但并不是所有的器件都可以設(shè)置低功耗模式，基于此，本實用新型對電路進行模塊設(shè) 計，采用分時、分區(qū)的供電技術(shù)，有選擇的把閑置的資源置于低功耗狀態(tài)或者完全關(guān)閉。[0030]采用多種外部擴展接口，方便后期維護和數(shù)據(jù)下載，提高通用性。[0031]顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而 并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明 的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以 窮舉。而這些屬于本實用新型的實質(zhì)精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍屬于本實用 新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀，包括傳感器模塊、與傳感器模塊相連的無線RF模塊、與傳感器模塊和無線RF模塊相連的電源模塊，其特征在于所述傳感器模塊包括載荷傳感器、加速度傳感器，所述無線RF模塊包括主控芯片、與主控芯片相連的信號調(diào)理電路、與主控芯片相連的實時時鐘電路、與主控芯片相連的通訊接口電路、與主控芯片相連的看門狗電路，所述載荷傳感器和加速度傳感器分別與所述信號調(diào)理電路相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀，其特征在于所述無線RF模塊還包括Flash存儲器和電源控制電路，所述Flash存儲器、電源控制電路分別與所述主控芯片電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀，其特征在于所述通訊接口電路包括RS232接口電路和RS485接口電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀，其特征在于所述電源模塊包括太陽能電池、充電電路、與太陽能電池和充電電路相連的輸入穩(wěn)壓電路、與輸入穩(wěn)壓電路輸出端相連的充電鋰電池電路、與充電鋰電池電路相連的輸出穩(wěn)壓電路，所述輸出穩(wěn)壓電路分別與所述傳感器模塊、無線RF模塊電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀，其特征在于所述電源模塊包括與所述充電鋰電池電路電連接的電量檢測電路。
專利摘要本實用新型公開了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田示功儀，包括傳感器模塊、與傳感器模塊相連的無線RF模塊、與傳感器模塊和無線RF模塊相連的電源模塊，傳感器模塊包括載荷傳感器、加速度傳感器，無線RF模塊包括主控芯片、與主控芯片相連的信號調(diào)理電路、實時時鐘電路、通訊接口電路、看門狗電路，載荷傳感器和加速度傳感器分別與信號調(diào)理電路相連接。本實用新型的結(jié)構(gòu)簡單，采用了高測量精度的加速度傳感器，可有效的提高精度，降低功耗和成體，采用載荷傳感器，可有效提高傳感器的適應(yīng)環(huán)境溫度，而且有很好的穩(wěn)定性好防水性，采用的無線RF模塊，增強了抗干擾性能又降低了功耗。
文檔編號E21B47/12GK202882899SQ20122059481
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者李訓(xùn)銘, 宋瑞瑞, 黃春海, 劉永康 申請人:河海大學(xué)