低功耗窄带物联网LoRa技术在稠油蒸汽驱采油井中的应用分析

宋晨 王晓东 韩光 仇雨薇

[摘 要]油气生产物联网系统是利用物联网技术，实现油田生产数据自动采集、远程监控、生产预警等功能，支持油气生产过程管理。数据采集和传输是实现系统功能的基础，以采油井为例，其数据采集流程为无线仪表通过ZigBee技术将数据传至RTU，而RTU通过有线方式与远传模块进行通信，最终实现数据上传。此方式存在数据传输链路节点多、故障发生概率大等问题，从而增加了后期设备维护难度。低功耗窄带LoRa技术具有低成本、低功耗、长距离和安全性高等优点，通过应用在油井物联网建设中，可取消传输侧的RTU设备，从而能够减少传输链路层级，降低投资。

[关键词]油气生产物联网系统；采油井；低功耗窄带；LoRa技术

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.032

[中图分类号]TP393；TE357.7 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）16-00-02

新疆红山油田位于准噶尔盆地西北缘红车断裂带北段，距离克拉玛依市西南约20 km，主要以蒸汽驱和吞吐的稠油开采方式为主，生产成本高，管理方式为“现场值守、人工巡检”模式，员工劳动强度大，与此同时，工作对象大部分为高温高压设备，安全生产压力大，因此，急需通过建设油气生产物联网系统改变现有的生产管理模式。采用传统物联网“仪表-RTU-远传模块-基站（网关）”的建设方式，势必会产生投资费用高、链路管理难度大等难题，因此通过对低功耗窄带LoRa无线通信技术进行研究，本文创新地提出了“仪表-基站（网关）”的数据透传模式，能够降低数据中间传输环节，从而简化数据链路，大幅降低物联网建设成本，进一步提高数据的传输效率。

1 LoRa技术概述

LoRa（Long Range）技术是一种新型的基于1 GHz以下的长距离、低功耗数据传输技术，是一种使用扩频调制机制的无线通信技术。LoRa技术融合了数字扩频、数字信号处理和向前纠错编码技术，通过使用线性调频扩频调制技术，既保持了像FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关能够并行接受并处理多个节点的数据，大大擴展了系统容量。LoRa技术有以下特点：①远距离，164 dB链路预算，传输距离大于8 km；②易部署，快速、灵活的基础设施易组网且投资成本较少；③低功耗，LoRa节点模块仅用于通讯，电池寿命长达5年；④低成本，免牌照的频段，网关、路由器建设和运营、节点、终端成本低。

2 低功耗窄带物联网的体系架构

低功耗窄带物联网体系架构包含数据采集与监控子系统、数据传输子系统和生产管理子系统，如图1所示。

低功耗窄带物联网系统在数据传输层应用LoRa无线通信技术，在数据采集层取消RTU设备，将前端仪表内集成一个LoRa通信模块，并通过485协议实现模块和仪表之间进行通信，如图2所示。

在LoRaWAN网络架构过程中，最为基础和典型的方式就是拓扑结构，扮演中继网关，能够更好地发挥数据通信以及服务器数据通信的作用，使LoRaWAN协议与TCP/IP协议间进行相互转换，在这里所有的节点都属于双向通信。网关能够通过多通道实时接收信号，然后对多路信号进行处理。若是在一定特殊的条件下，此项技术的运用也不是非常复杂，在手持终端和设备之间可以实现信息的交换作业，对检测设备进行更好地配置，由此保障短距离内也可以实现双向通信。同时，开发基于LoRa仪表端的物联网业务平台，通过接入油井实时生产数据，对全厂进行统一集中监控。

在红山油田选取部分汽驱采油单井安装LoRa压力变送器1块、LoRa温度变送器1块、LoRa一体化示功仪1台和LoRa电参模块1台，对油井杠点压力、温度、功图、电参数和运行状态进行监测，如表1所示。

3 低功耗窄带物联网系统的应用效果

LoRa无线传输技术在保障红山油田生产数据传输及时、完整、安全和可靠的同时，大大降低了建设投资费用，使得低成本稠油物联网成为可能，将单井物联网建设成本从数万元降至1万元左右。同时，由于LoRa仪表具有功耗低的优势，大幅延长了现场无线仪表电池的寿命，结合太阳能技术，使无线仪表的电池寿命从原来的3年延长到了4.5年。该技术的应用为红山油田生产发展、应用和推广更先进的智能装置提供了可靠、高效的传输通道，为油田信息化和工业化的深度融合提供了有力的支撑，后期也将在智能油田建设中进行全面推广应用。

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