基于ZigBee无线传输网络的抽油机状态多路数据采集系统的设计

摘要

在我国油井的采集设备主要以悬梁式抽油机为主，设备比较分散，运行情况难以获得并且维护困难，数据采集基本上都是人工完成的，采油工人必须到现场采集位移、载荷、油温及流量等井口生产数据，工作人员的劳动强度大，并且各种数据的正确可靠性完全依赖于采油工作人员的工作责任心。随着现代无线通信技术的飞速发展，无线通信技术在非常多的领域得到了应用，与有线通信设备相比，它不需要布线并且搬运方便，节约了宝贵的金属资源，尤其适用于环境偏远恶劣、地势复杂、铺设固定通讯线路成本过高的地方。
　　 本文是在综合研究项目背景以及当前现有的短距离无线通讯技术的基础上，针对现有有线数据传输方式机动性差、花费高等缺点，设计了一套基于ZigBee技术的抽油机状态多路无线数据采集、传输的系统。ZigBee网络的主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。将其应用到抽油机的数据采集、传输上，具有非常明显的优势。本文详细介绍了系统的工作原理，给出了整体的硬件、软件设计方案，根据模块化设计的思想，完成了包括PIC16F886最小系统模块、系统时钟模块、数据储存模块、声光故障报警模块、电源转换模块、I/V信号调理模块、串口通讯模块、CC2530-CC2591无线发射/接收模块的硬件电路设计:在软件方面，分析了ZigBee的通信协议规范，设计了该系统的组网方式、数据采集和无线通信模块，并研究了采集终端节点、无线路由节点和网络协调器间的通信算法，解决了终端节点与无线路由节点、网络协调器间的数据传输问题。最后利用本文设计的系统搭建了一个试验平台，进行了无线传输系统的组网、发送以及接收等功能测试。
　　 实验结果表明，本文设计的基于ZigBee技术的无线采集及传输系统能够实时可靠地进行数据通信，满足了抽油机的多路数据采集及传输的设计指标，为今后智能化的抽油机数据采集与无线传输系统的实现提供了一种新的解决方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题目的和意义

1．2 国内外研究状况

1．3 课题研究内容

第2章 ZigBee技术概述

2．1 ZigBee技术

2．2 ZigBee的技术特点

2．3 ZigBee网络结构

2．3．1 ZigBee网络体系

2．3．2 ZigBee网络拓扑

2．4 ZigBee协议架构

2．5 ZigBee无线传输中所使用的射频芯片

2．5．1 CC2530芯片介绍

2．5．2 CC2591芯片介绍

2．6 本章小结

第3章 系统硬件、软件总体设计方案

3．1 系统硬件设计原则

3．2 系统硬件设计方案

3．3 系统软件设计原则

3．4 系统软件设计方案

3．5 本章小结

第4章 系统硬件设计与实现

4．1 主控制模块的硬件设计框图

4．1．1 PIC16F886单片机简介

4．2 数据采集模块设计

4．2．1 PIC16F886最小系统设计

4．2．2 系统时钟电路设计

4．2．3 数据储存电路设计

4．2．4 声光故障报警电路设计

4．2．5 电源转换电路设计

4．2．6 I／V信号调理电路设计

4．2．7 CC2530-CC2591无线发射／接收模块电路设计

4．2．8 串口通讯模块设计

4．3 单片机系统的硬件抗干扰设计

4．3．1 常用硬件抗干扰技术

4．3．2 传感器的EMI设计

4．3．3 电磁抗干扰设计

4．4 本章小结

第5章 系统软件设计与实现

5．1 工程整体架构和选项设置

5．1．1 工程整体架构

5．1．2 工程选项设置

5．2 ZigBee网络组网

5．2．1 协调器建立网络

5．2．2 路由器加入网络

5．2．3 终端节点加入网络

5．2．4 ZigBee NV操作

5．2．5 地址分配机制

5．3 数据采集及无线传输模块

5．3．1 参数采集

5．3．2 路由节点与终端节点的通信子模块

5．3．3 路由节点与协调器的通信子模块

5．4 本章小结

第6章 系统测试和结果分析

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文