油气井地面无线测试系统和方法.pdf

本发明提供一种油气井地面无线测试系统和方法，系统由N台无线采集器、多台无线中继器、一台集中接收器和一台控制终端四部分组成。其中各台无线采集器与无线中继器之间、以及无线中继器与集中接收器之间由无线电连接，构成多跳的树形网络拓扑结构，集中接收器与控制终端之间是短距离的有线连接。由于采集器与中继器以及中继器与集中接收器之间采用无线传输，不再需要布置大量的线缆，使用和维护都十分方便，并且不需要长距离的有线传输，传感器的输出不需要大电流的变送电路来实现长距离的信号驱动，功耗大幅度降低；同时由于无线采集器采用周期性休眠/唤醒机制，即只在数据传输时才需要启动射频电路，而发送的数据时间非常短，因此只需要使用普通锂电池供电就可以，这样就大大地降低了供电系统的安装成本和难度，且也大大降低了系统的运行成本。

1、  油气井地面无线测试系统，其特征在于：由N台无线采集器、多台无线中继器、一台集中接收器和一台控制终端四部分组成；各台无线采集器与无线中继器之间、以及无线中继器与集中接收器之间由无线电连接，构成多跳的树形网络拓扑结构，集中接收器与控制终端之间是短距离的有线连接。

2、  根据权利要求1种所述的油气井地面无线测试系统，其特征在于：无线采集器主要由多个传感器、单片机、ADC模数转换电路、无线射频芯片和电源管理等部分构成；模拟传感器的输出端与ADC的模拟输入端连接，ADC的数字输出端与单片机的IO口连接，而数字传感器直接与单片机的IO口连接，单片机的数据端口再与无线射频芯片的数据端口连接，最后无线射频芯片的天线接口连接到天线，而电池电能管理电路部分的输出与各个需要供电的器件的电源端口连接；其中所述的传感器可以是温度、压力、流量的模拟传感器。

3、  根据权利要求1种所述的油气井地面无线测试系统，其特征在于：无线中继器主要由单片机、无线射频芯片和电源管理等部分构成；单片机的数据端口与无线射频芯片的数据端口连接，无线射频芯片的天线接口连接到天线，而电池电能管理电路部分的输出与各个需要供电的器件的电源端口连接。

4、  根据权利要求2或3中所述的油气井地面无线测试系统，其特征在于：所述的无线采集器中的单片机和无线中继器中的单片都采用低功耗单片机。

5、  根据权利要求1种所述的油气井地面无线测试系统，其特征在于：集中接收器由嵌入式CPU、外部存储器、无线射频芯片、电源管理和数据输出接口电路单元以及天线组成，天线与无线射频芯片的天线接口连接，无线射频芯片的数据端口与嵌入式CPU的一个数据端口连接，嵌入式CPU的另一个数据端口与的输入端口，外部存储器与嵌入式CPU连接，电源与电源管理单元的输入端连接，然后电源管理单元分出多个输出端分别与无线射频芯片、嵌入式CPU连接。

6、  根据权利要求5种所述的油气井地面无线测试系统，其特征在于：所述的嵌入式CPU是采用高性能的嵌入式CPU。

7、  根据权利要求1种所述的油气井地面无线测试系统，其特征在于：采用的时分多址的同步正交组网协议为：帧长度设计为1000ms，由1个长162ms的下行子帧，64个长13ms的上行帧和1个长6ms的保护时隙组成；下行子帧包括4ms保护时隙，94ms时间同步信息和64ms对上行信息的接收确认信息，集中接收器发送，采集器/中继器接收；上行子帧包括无线采集器采集到的测试信息，由对应无线采集器/无线中继器发送，集中接收器接收，上行子帧。

8、  权利要求1至7之一的油气井地面无线测试系统的采集数据处理方法，其特征在于：采集数据处理由控制终端以及为本系统设计的专用软件处理完成。具体处理步骤为：
步骤一、实时接收程序，将各采集器通过无线方式传到测试中心的数据记录到数据库中，以供分析和统计之用；
步骤二、利用实时分析模块，从数据库中读取各台无线采集器采集到的数据，以曲线、柱状图、饼状图等方式分析采集的数据，以供决策参考；
步骤三：采集数据统计，对数据库中的实时或历史数据进行统计，并以曲线、柱状图、饼状图等方式进行显示，以供决策参考。

9、  权利要求1至7之一的油气井地面无线测试系统的设备配置方法，其特征在于每台无线采集器通过硬件拨码确定自身的编号，集中接收器以轮训方式探测各无线采集器是否存在，根据无线采集器的应答自动列出有效的无线采集器；操作员只需将这些设备部署到地图上相应的地方即可。

油气井地面无线测试系统和方法
技术领域
本发明是油气井参数测试传输系统领域。
技术背景
油气井地面无线测试系统是用于远程监测油气井地面各类状态和参数的数据采集、传输和分析处理系统。在现有的油气井地面测试系统中，传感器采集的信息通过线缆传送到测试中心的控制终端(计算机)，由控制终端存储采集信息并形成用户需要的曲线和报表。由于现有系统中处于采集现场的传感器与处于测试中心的控制终端之间是采用有线连接方式，存在以下问题：
1)由于油气井测试现场野外作业，传感器到现场中心的距离较远(几百米)且地形复杂，造成布置线缆不方便。
2)采用有线传输需要大量的线缆，线缆的使用、损耗和维护成本也较高。
3)由于采集现场众多线缆的位置接近或交错，线缆传输的模拟信号间容易产生干扰，会造成传到测试中心的信息出现错误。
4)由于勘测地点变换频繁，单此勘测周期较短，采用有线方式带来的线缆布置和拆除工作极大地影响了工作效率。
5)现有的系统为了适应长距离有线传输，采用的传感器里都有一个放大电路，因此采集器非常耗电，只能采用输电电路供电，所以系统的供电成本很高，且使用不方便。
除有线传输方式带来的不利因数以外，还由于现有测试中心在处理方法和显示方法方面落后，使测试中心的操作缺乏人性化。因此针对上述问题，提出了数字化、无线化、智能化和集中化的升级改造的油气井地面无线测试系统。
总之：本系统针对现有的油气井地面测试系统进行了数字化、无线化、智能化和集中化的升级改造。
发明内容：
为了解决现有油气井地面无线测试系统的有线连接所带来的一切问题，特提出一种无线连接方式的油气井地面无线测试系统。
本发明所涉及的系统由N台(N是1到64之间的整数)无线采集器、多台无线中继器、一台集中接收器和一台控制终端四部分组成。其中各台无线采集器与无线中继器之间、以及无线中继器与集中接收器之间由无线电连接，构成多跳的树形网络拓扑结构，集中接收器与控制终端之间是短距离的有线连接(由于是安放在一起)。
所述的无线采集器的主要功能是完成油气井状态和参数数据的采集并转化为无线信号传输出去。无线采集器主要由多个传感器、单片机、ADC模数转换电路、无线射频芯片和电源管理等部分构成。模拟传感器的输出端与ADC的模拟输入端连接，ADC的数字输出端与单片机的IO口连接，而数字传感器直接与单片机的IO口连接，单片机的数据端口再与无线射频芯片的数据端口连接，最后无线射频芯片的天线接口连接到天线，而电池电能管理电路部分的输出与各个需要供电的器件的电源端口连接；其中所述的传感器可以是温度、压力、流量的模拟传感器；所述的ADC模数转换电路将采集到的模拟信号数字化；所述单片机通过I/O口获得数字化的测试信息并处理，并通过无线射频芯片将测试信息发送给集中接收器或无线中继器，所述的单片机采用低功耗单片机；无线采集器采用电池供电，通过电源管理模块进行电池电能管理。
所述的无线中继器的主要功能是接收无线采集器发来的数据并转发给集中接收器；无线中继器主要由单片机、无线射频芯片和电源管理等部分构成；单片机的数据端口与无线射频芯片的数据端口连接，无线射频芯片的天线接口连接到天线，而电池电能管理电路部分的输出与各个需要供电的器件的电源端口连接；其中所述的单片机采用低功耗单片机；无线中继器采用电池供电，通过电源管理模块进行电池电能管理。
所述的集中接收器主要功能是接收和处理无线采集器和无线中继器发来的数据，并将数据处理后发送给控制终端，同时还要在控制终端的控制下完成整个无线网络的管理功能。集中接收器由嵌入式CPU、外部存储器、无线射频芯片、电源管理和数据输出接口电路单元以及天线组成，天线与无线射频芯片的天线接口连接，无线射频芯片的数据端口与嵌入式CPU的一个数据端口连接，嵌入式CPU的另一个数据端口与的输入端口，外部存储器与嵌入式CPU连接，电源与电源管理单元的输入端连接，然后电源管理单元分出多个输出端分别与无线射频芯片、嵌入式CPU连接，对它们供电管理，电源可以是在本装置内的蓄电池，也可是外部输电电源；所述的数据输出接口电路单元是将单片机输出的数字信号格式转变为RJ45或DB9的电路，是本装置连接控制终端的输入输出端口；所述的嵌入式CPU是采用高性能的嵌入式CPU，所述的天线一般选用全向天线。
所述的控制终端是以计算机以及处理软件组成。主要完成对系统的设备管理和数据的分析处理。
集中接收器与控制终端之间的有线连接可以是以太网方式连接也可以是串口连接。
该发明的系统在通信协议上采用时分多址的同步正交组网协议，下行子帧由集中接收器发送，采集器/中继器接收，上行子帧由对应无线采集器/无线中继器发送，集中接收器接收，上行子帧包括无线采集器采集到的测试信息；
另外，无线采集器采用周期性休眠/唤醒机制，所述的周期性休眠/唤醒机制是：各个无线采集器在分配给自己的上行帧前两个上行帧的开始时刻对传感器供电，并开启射频发送电路，当传感器采集到稳定的测试信息后，就停止对传感器供电，并在分配给自己的上行帧结束时刻关闭射频发送电路；而无线采集器在下行帧开始时刻前的一定时间内开启射频接收电路，在下行帧结束时刻关闭射频接收电路。
基于该系统的设备配置方法为：每台无线采集器通过硬件拨码确定自身的编号，集中接收器以轮训方式探测各无线采集器是否存在，根据无线采集器的应答自动列出有效的无线采集器。操作员只需将这些设备部署到地图上相应的地方即可。而维护系统设备方法为：设备启动、设备暂停、采集周期控制。
基于该系统的采集数据处理方法由控制终端以及为本系统设计的专用软件处理完成。具体处理步骤为：
步骤一、实时接收程序，将各采集器通过无线方式传到测试中心的数据记录到数据库中，以供分析和统计之用。
步骤二、利用实时分析模块，从数据库中读取各台无线采集器采集到的数据，以曲线、柱状图、饼状图等方式分析采集的数据，以供决策参考。
步骤三：采集数据统计，对数据库中的实时或历史数据进行统计，并以曲线、柱状图、饼状图等方式进行显示，以供决策参考。
本发明的实质以及有益效果
1)采用无线传输，不再需要布置大量的线缆，使用和维护都十分方便；
2)测试中心不再需要同时接入大量的线缆，而是通过无线轮询的方式实现多点到一点的通信，测试中心的接入更加的简洁；
3)采用时分多址的同步正交组网协议，保证测试信息传输的实时性；
4)由于不需要长距离的有线传输，传感器的输出不需要大电流的变送电路来实现长距离的信号驱动，功耗大幅度降低；同时由于无线采集器采用周期性休眠/唤醒机制，即只在数据传输时才需要启动射频电路，而发送的数据时间非常短，因此只需要使用普通锂电池供电就可以，这样就大大地降低了供电系统的安装成本和难度，且也大大降低了系统的运行成本。
5)降低传感器和线缆的使用成本。
图1油气井地面无线测试系统实施例的组成结构示意图；
图2是本发明的一个实施例中的无线采集器内部组成图；
图3本发明的一个实施例中的无线中继器内部组成框图；
图4本发明的一个实施例中的集中接收器内部组成框图；
1至5为无线采集器，6为无线中继器，7至11为无线采集器与无线中继器之间的无线通信链路，12为集中接收器，13为集中接收器与无线中继器之间的链路，14为控制终端，15为模拟传感器，16为数字传感器，17为采集器中的单片机，18为ADC模数转换电路，19为采集器中的无线射频芯片，20为天线，21为采集器的电源管理单元，22为无线中继器的天线，23为无线中继器的无线射频芯片，24为无线中继器的单片机，25为无线中继器的电源管理单元，26为无线中继器的蓄电池电源，27为集中接收器的嵌入式CPU，28为集中接收器的无线射频芯片，29为集中接收器的电源管理单元，30为集中接收器的数据输出接口电路单元，31为集中接收器的天线，32为FLASH存储器。
实施例
在图1所示的油气井地面无线测试系统的组成结构的实施例中，气井地面无线测试系统由五个无线采集器、一个无线中继器、一个集中接收器、一个控制终端组成；无线采集器节点1至5分别通过射频信号与无线中继器6建立通信链路7、8、9、10、11，无线中继器6与集中接收器12也是通过无线电建立通信链路13，然后集中接收器12与控制终端14再通过RJ45网络
采用的时分多址的同步正交组网协议为：帧长度设计为1000ms，由1个长162ms的下行子帧，64个长13ms的上行帧和1个长6ms的保护时隙组成；下行子帧由集中接收器发送，采集器/中继器接收，下行子帧包括4ms保护时隙，94ms时间同步信息和64ms对上行信息的接收确认信息；上行子帧由对应无线采集器/无线中继器发送，集中接收器接收，上行子帧包括无线采集器采集到的测试信息。
无线采集器采用周期性休眠/唤醒机制为：各个无线采集器在分配给自己的上行帧前两个上行帧的开始时刻对传感器供电，供电开始13ms后传感器采集到稳定的测试信息，然后停止对传感器供电；无线采集器在分配给自己的上行帧开始时刻开启射频发送电路，在上行帧结束时刻关闭射频发送电路；无线采集器在下行帧开始时刻前4ms开启射频接收电路，在下行帧结束时刻关闭射频接收电路。
在图2所示的无线采集器的实施例中，无线采集器由模拟传感器15、数字传感器16、单片机17、ADC模数转换电路18、一个无线射频芯片19、天线20和电源管理单元21得等部分构成；模拟传感器15的输出端与ADC模数转换电路18的模拟输入端连接，ADC模数转换电路18的数字输出端与单片机17的IO口连接，而数字传感器16直接与单片机17的IO口连接，单片机17的数据端口再与无线射频芯片19的数据端口连接，最后无线射频芯片19的天线接口连接到天线20，而电源管理21的输出与各个需要供电的器件的电源端口连接。
在图3所示无线中继器实施例中，无线中继器由天线22、无线射频芯片23、单片机24、电源管理单元25、电源26组成，其中单片机24里注入数据处理和控制其它部件运行的功能软件。天线22与无线射频芯片23的天线接口连接，无线射频芯片23的数据端口与单片机24的数据端口连接，蓄电池电源26与电源管理单元25的输入端连接，然后电源管理单元25分出多个输出端分别与无线射频芯片23、单片机24连接。
在图4所示集中接收器实施例中，集中接收器由嵌入式CPU27、无线射频芯片28、电源管理单元29和数据输出接口电路单元30以及天线31、FLASH存储器32组成。天线31与无线射频芯片30的天线接口连接，无线射频芯片30的数据端口与嵌入式CPU27的一个数据端口连接，嵌入式CPU27的另一个数据端口与数据输出接口电路单元30连接，外部电源与电源管理单元29的输入端连接，然后电源管理单元29分出多个输出端分别与无线射频芯片30、嵌入式CPU29连接，FLASH存储器32与嵌入式CPU29连接。