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1、基于 ZigBee 的油井信息采集终端的设计彭健 1，徐志强 2，周志权 3（1.中国地质大学（武汉）机电学院自动化系，武汉 中国 430074）（2.中国地质大学（武汉）机电学院自动化系，武汉 中国 430074）（3.河海大学 能源与电气学院，南京 中国 211100）摘要：针对油田功图量油的需要提出了抽油井示功仪的设计。本文选择以 NXP JN5139-Z01-Mxx 作为主控芯片、加速度传感器 ADXL202 和压力传感器 INA122U 为传感器芯片，重点介绍加速度、压力传感器在无线示功仪装置上的应用实现过程以及载荷和位移数值的求解算法。实践证明本系统具有节能、稳定、高精度等特点，已
2、经很好地应用于江苏油田的自动化量油系统中。关键字：ADXL202；INA122U ；载荷；位移；示功仪 Design of Dynamometer Based On ZigBeePENGJian1, XUZhiqiang2 ZHOUZhiquan3（ 1. China University of Geosciences Wuhan China) （ 2. China University of Geosciences Wuhan China)（ 3. China University of hehai)Abstract：Pumping well dynamometer is designed
3、for the needs of oil field automated transformation. This paper choose the NXP JN5139-Z01-Mxx as main chip, the acceleration sensor ADXL202 and pressure sensors INA122U as sensor chip, Introduced applications process of acceleration, and pressure sensor in terms of hardware and software. Finally, us
4、ing a special algorithm get the displacement and load of the wells. Practice has proved that this system has the characteristics of energy-saving, stable, high-precision, has been used in the Jiangsu Oilfield automation of oil system.Keywords：ADXL202；INA122U；Load；Displacement； Dynamometer 1 引言测试计量是人
5、们通过各种测试手段，从外界客观事物中提取所需信息来认识事物、掌握规律的一种科学方法。传感器作为测试计量技术的重要组成部分，是整个测量系统的灵魂，起着获取信息与转换信息的重要作用，可以说没有传感器就没有信息的传输和处理。近些年，传感技术在工农业、航天军工以及与人们日常生活息息相关的各个学科中得到了越来越广泛地应用。本文正是在这种背景下将传感器技术应用于油田功图量油系统。功图量油技术即利用自动化技术测量得到油井的位移和载荷，画出载荷和位移的二维关系曲线来计算油井的常量。本系统利用载荷和位移关系的 216 对数据来画出油井的示功图，进而来计算油井的产量。1 示功仪总体结构设计由于示功仪需要在野外工作
6、，示功仪的设计理念是要求体积小、高精度、低功耗、密封性好等特点。无线示功仪主要由主控芯片，加速度传感器和载荷传感器组成组成，如图 1 所示。示功仪通过主控芯片，控制着加速度传感器和载荷传感器对抽油机各项参数进行采集，采集的加速度和载荷信号经过信号调理后再次送入主控制芯片，进行相关处理以后，存入存储器中。可充电电池 太阳能电池板负荷传感器加速度传感器信号调理存储器实时时钟2 3 2 接口电源控制电路看门狗电路主控芯片无线通讯模块电源管理信号采集4 8 5 接口图 1 无线示功仪主板结构图2 示功仪硬件设计：2.1 主控芯片的设计综合功图量油系统设计的各种需求，选择 NXP JN5139-Z01-
7、Mxx 系列模块作为示功仪的主控芯片。JN5139 是一款适用于IEEE802.15.4 和 ZigBee 应用环境的低功耗、低成本微控制器，它集成了 32 位 RISC 处理器（32MIPS） 、2.4GHz IEEE802.15.4 无线收发器、192kB ROM、96kB RAM、2路 UART、 I2C 接口、SPI 接口、内部的温度与电压传感器、并带有唤醒计时器、21 个 DIO 口、两个应用计时器、4 路 12位 ADC、2 路 11 位 DAC 以及丰富的模拟数字外围接口。 ADCVSLKMOIZWPERTNG30X8_679+-5/UFJ图 2 NXP JN5139 芯片组成框
8、图2.2 加速度传感器的设计由于示功仪在油田野外复杂环境的工作需要，本文要选用的低功耗、低成本的ADXL202 双轴加速度传感器。ADXL202是 ADI 公司出品的一款集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路系统，它具有以下特点：直流工作电压为3V 5.25V ；低功耗，功耗最大仅为 0.6mA；既可以测量动态加速度，又可以测量静态加速度，测量范围为(210)g ；输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接。 ADXL202 的外围电路设计如图 3 所示，为了消除传感器与微处理器共用电源所来带来的干扰，本系统的电路采用铁氧体磁珠、100 电阻和 0.1uF 电容来抑制干扰。ou
9、tYfil体.ydcse图 3 加速度传感器引脚连接电路图2.2.1 加速度信号的获取芯片的数字输出信号是如下图所示的方波：T 2T 1图 4 ADXL202 输出的数字信号占空比反映悬点加速度的大小和方向，计算公式为： 由12()0.5)/%Ag上式可知，只需测量 T2 和 T1 即可得到加速度的值。本文利用 JN5139 的两个硬件定时器（Timer）协调操作实现对 T2 和 T1 的测量。硬件所需的连接只需将竖直方向的数字脉冲输出引脚 XOUT 与 JN5139 的Timer0 的捕获引脚 TIM0_CAP 相连即可，如上图 3 。采集信号时，利用 Timer1 定时间隔 C（ C 取
10、1501.024 毫秒远大于 T2） ，定时触发中断，在中断处理中再利用Timer0 捕获（Capture）加速度信号，当信号上升沿或下降沿时触发中断，读取计数，即可实现对 T1 和 T2 的测量。如下图所示：T i m e r 0 捕 获T i m e r 1 定 时 间 隔 C T i m e r 0 捕 获T i m e r 1 定 时 间 隔 C 采 集 N 次图 5 定时器捕获加速信号2.3 压力传感器的设计考虑到安全稳定以及抽油杆形状的特殊性，本文选用了载荷传 CL-YB-10M/15t。这种传感器采用全密闭封装，提高了传感器的适应环境温度性能，具有很好的稳定性和防水性。CL-YB
11、-10M/15t 载荷传感器在抽油杆上的安装示意图如图 6所示。方 卡 子钢 丝 绳载 荷 传感 器悬 绳 器光 杆图 6 示功仪载荷传感器安装示意图示功仪采集的载荷的基本电路是带有特殊（热敏或力敏）电阻的电阻桥，由物理量变化引发电阻变化，导致电路输出电压的变化，输出电压视传感器从几毫伏到上百毫伏不等。JN5139 芯片带有 4 路 12位 ADC 通道，对应的模拟电压值范围为02.4V。传感器到芯片 ADC 引脚之间用运算放大器对电压信号进行放大，合理调节放大倍数，使得运放输出的电压在 2.2V 左右，即留有一定余量。电路连接框图示意如下：-RR RR电 势 差G N DV C CA 点B
12、点运 算放 大 器J N 5 1 3 9 A D C图 7 载荷传感器原理示意2.3.1 载荷信号的获取ADC 采集的软件设计先利用 DIO 口使能传感器电路的供电，再通过外围设备的API 配置 JN5139 芯片的 ADC 参数（ADC通道选择，采集模式等） ，然后便可直接利用 ADC 提供的 API 读取采样结果（04095的数值） ，采集完毕后，还需关闭传感器电源。之所以每次采集后均关闭传感器电源，是保证节点尽可能少地消耗功率，在节点能耗中，传感器所在的采集模块占了很大部分。3 数据处理设定 Timer1 定时间隔为 1501.024，本文采取先采集 800 个点的加速度值，由800 个
13、点加速度值来推算抽油泵的周期。据此再采集一个周期内 216 个点的加速度值和载荷值（前文介绍过一张示功图包括 216个点，所以采样间隔为 c=T/216。 ） ，然后经过下文由载荷传感器的数字采样值求解抽油井的载荷值和由加速度求位移的算法求得抽油井的载荷和位移值。根据求得的 216对载荷和位移关系的数据对画出的油井示功图如图 9 所示3.1 示功仪中的周期的计算本文通过对原始加速度信号进行合理的数字滤波来得到精确度很高的周期结果。数字滤波方法包括：剔除粗大误差、限幅滤波、递推平均滤波、查找极值、极值点归并。 “剔除粗大误差”是按照拉伊达法则，在所有采样点中查找出满足“与均值差值大于 3 倍标准
14、差”的粗大误差点，并用其前后两点的平均值代替。“限幅滤波”是对“剔除粗大误差”的补充，通过对相邻两个点的增幅百分比绝对值进行限定，超过限定值的点也将被其前后两点的平均值所代替，完成对脉冲性扰动的滤除。限定值根据实验测试获得，设为 1.75%。限幅滤波算法的程序代码如下：#define A /允许的最大值 char prevdata; /上一次的据 char filterfunc() char nextdata; /新数据变量 nextdata = get_data();/获得新数据变量 if(nextdata-data)A|(data-nextdataA) return prevdata;/返
15、回上一次数据作为本次采样数据else return nextdata; “递推平均滤波”即滑动平均滤波，N 点递推平均滤波就是用点 i 后 N 个点（包括点 i）的平均值来代替点 i 的值，表达式为：Xi = (Xi + Xi+1 + + Xi+N-1)/N，每次应用递推平均滤波后，会抛掉最后 N-1 个点，尽管波形的相位发生了改变，但剩余点之间的相对位置是不变的，即周期的值没有改变。发现取 N=5 时更能反映真实的加速度信号。程序如下：/函数：5点滑动滤波void pointFilter( int *p )int i,m;i = m =0;for(i = 0; i+4 n; i+)pi=(p
16、i+pi+1+pi+2+pi+3+pi+4)/5;m+;n = m;“查找极值”是对滤波后的所有点进行遍历，若点的幅值分别大于等于前后两点的幅值则认为该点是极大值点，同理，若点的幅值分别小于等于其前后两点的幅值则判定其为极小值点。由于递推平均滤波的影响，波峰/波谷附近可能会出现许多相等的点，即会误判出多个极值点，需要对其进行归并。以冲次为 3 次/分钟（周期约为 20 秒）的抽油机为例，获得 800 点原始加速度后，整个周期计算的过程演示如下：原始加速度信号 剔除粗大误差 限幅滤波递推平均滤波 查找极值点 极值点归并最后可以得到图中一个周期的采样点间隔数为 130，计算周期值 1301501.024毫秒=19968 毫秒。3.2 由加速度求位移计算原理已知 A(t)、 a(t)、G(t
