论文总字数：28031字

摘 要

在石油生产过程中，为了提高生产效率并保证生产安全，需要对抽油机的环境数据进行实时监测。传统的人工值守方式难以满足石油产业智能化生产的需求，而工业物联网的发展为石油开采过程的技术性变革提供了可能性，因此本文研究并设计了基于无线传感网络的抽油机环境数据采集系统。

本文首先分析了无线通信技术的特点，根据油田的实际情况选用ZigBee组网技术对抽油机环境数据进行采集和传输，并通过对目前市面流行的ZigBee开发模块进行比较，选用CC2530芯片来实现系统的软硬件开发。其次，通过分析抽油机各项环境数据的意义，选取油井口的温度和油压以及抽油机的载荷和位移作为系统所需处理的信息，并根据抽油机工作现场的实际环境选定了相应的传感器件。此外，利用Qt图形用户界面开发框架为系统设计了监控终端，实现传感数据的上位机图形显示。

最后，在实验室环境下对抽油机环境数据采集系统进行了测试，成功实现了ZigBee无线组网通信、传感数据图形化显示等功能，验证了无线传感网络在抽油机环境数据采集领域的应用可行性。

关键词：无线传感网络，抽油机环境数据，ZigBee，CC2530，Qt

Abstract

In the process of oil production, aiming at improving efficiency and ensuring safety, it is necessary to monitor the environmental data of the pumping unit in real time. The traditional artificial duty mode can hardly meet the demand of intelligent production for the petroleum industry, and the development of industrial Internet of Things provides the possibility of technical changes in the oil exploitation process. Therefore, an environmental data acquisition system for pumping unit based on wireless sensor network is studied and designed in this paper.

In this paper, firstly the characteristics of wireless communication technology is analyzed. then according to the actual situation of the oilfield, ZigBee technology is chose to collect and transfer the environmental data of pumping unit, and after comparing three popular ZigBee modules in the market, the CC2530 chip is applied to realize the software and hardware design of the system. Secondly, by analyzing the significance of the several kinds of environmental information of pumping unit, the temperature and oil pressure of the oil well port and the load and displacement of the pumping unit are selected as the information to be processed in this system. and depending on the actual environment of the pumping unit work site, four corresponding sensor units are selected. Thirdly, a monitoring terminal is designed by Qt, a graphical user interface development framework, in order to graphically display the sensing data of the system in the upper computer.

In the end, the environmental data acquisition system for pumping unit was tested in the laboratory, successfully realizing the communication in the wireless network and graphical presentation of sensor data, proving the using feasibility of the wireless sensor network in the field of monitoring pumping unit environmental information.

KEY WORDS: wireless sensor network, pumping unit environmental data, ZigBee, CC2530, Qt

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1抽油机监控技术的研究现状 1

1.2.2无线传感网络的研究现状 2

1.3论文研究内容及意义 2

1.4论文组织结构 3

1.5本章小结 3

第二章 无线传感网络的相关技术概述 4

2.1组网技术概述及比较 4

2.2ZigBee技术概述 5

2.2.1ZigBee的设备类型 5

2.2.2ZigBee的网络结构 6

2.2.3ZigBee的网络协议 6

2.3本章小结 9

第三章 抽油机环境数据采集系统设计方案 10

3.1总体设计方案 10

3.1.1系统需求分析 10

3.1.2系统设计任务 11

3.2系统架构 11

3.3系统开发环境 12

3.3.1硬件开发环境 12

3.3.2软件开发环境 13

3.4本章小结 14

第四章 抽油机环境数据采集系统硬件设计 15

4.1系统硬件设计方案 15

4.2传感器模块硬件设计 15

4.3ZigBee模块硬件设计 16

4.3.1ZigBee节点核心板硬件设计 17

4.3.2ZigBee节点功能底板硬件设计 18

4.4本章小结 19

第五章 抽油机环境数据采集系统软件设计 20

5.1系统软件设计方案 20

5.2无线传感网络的软件设计 20

5.2.1Z-Stack协议栈介绍 20

5.2.2协调器节点的软件设计 22

5.2.3路由器节点的软件设计 23

5.2.4终端节点的软件设计 24

5.2.5串口通信的软件设计 25

5.3监控终端的软件设计 26

5.3.1图形化应用程序框架Qt介绍 27

5.3.2串口通信设计 28

5.3.3数据的图形化显示设计 29

5.3.4数据的文件存档设计 30

5.4本章小结 30

第六章 抽油机环境数据采集系统实验测试 32

6.1系统的软硬件平台搭建 32

6.2测试结果展示 33

6.3本章小结 34

第七章 总结与展望 35

7.1总结 35

7.2展望 35

参考文献 36

致 谢 38

第一章 绪论

1.1研究背景

我国目前高速发展的经济形势对石油的需求日益攀升，因此如何提高石油的生产效率成为当下炙手可热的研究课题。

石油生产的核心环节是使用抽油机进行采油。我国大部分油田属于低渗透油田，它们的丰度低、渗透率低、单井产能低，因此抽油机的抽油能力与油井的供液能力难以实现实时匹配，进而容易导致油泵充满率低、抽油杆损耗快、抽油效率低等问题，增大了石油开采的成本^[1]。因此，对抽油机的环境数据进行实时监测是保证石油开采效率和安全性的重要手段。

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