專利名稱：基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及物聯(lián)網(wǎng)中的智能變送器技術領域，特別是涉及一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀。
背景技術：
在活塞運動中，氣缸內(nèi)氣體壓力隨活塞位移(或氣缸內(nèi)容積)而變化的循環(huán)曲線所包圍的面積可表示為機器所作的功或消耗的功，故稱為示功圖。在油田工業(yè)中，采集示功圖是非常重要的，油井示功圖是油井工作狀態(tài)的重要表征，可以全面反映井下抽油泵運行狀況以及原油的開采情況，并計算出采油量，因此，采用示功圖來判斷采油井的出油量是現(xiàn)代化油田常用的方法。傳統(tǒng)的示功圖是通過一個月一次的人工測量獲得，對抽油機井的數(shù)據(jù)進行手工記錄，層層傳抄、上報，不僅工作量大，易出現(xiàn)誤差，而且數(shù)據(jù)易丟失、傳遞時間慢，導致決策人員根據(jù)這些有誤差的上報數(shù)據(jù)可能做出錯誤的判斷，給出錯誤的調(diào)整方案。因此，現(xiàn)有的監(jiān)測方式效率較低，不能做到實時準確監(jiān)測，遠遠滿足不了現(xiàn)場技術人員對抽油機井的示功圖、電流圖的需求，也不能適應油田生產(chǎn)發(fā)展的需要。近年來，示功儀的使用越來越普遍，其測量活塞位移和壓力的方法為:用拉線帶動機械卷輪及電位器產(chǎn)生位移信號，再通過測量抽油機懸臂的角度，按照幾何關系計算出懸點的位移；壓力是通過安裝在選點附近的壓力傳感器獲得。上述采用拉線法測量位移的示功儀的缺點是:測量裝置體積大，機械部件多，加工復雜，使用中有卡線和短線的情況；由于存在穿線孔，油污易通過此孔流入儀表；安裝和拆除測量裝置時勞動強度大，并且受到天氣、環(huán)境和其他因素的影響，不能及時了解油井的狀況；測量位移的角度傳感器與測量壓力的壓力傳感器件的距離較遠，造成安裝和操作的不方便；要實現(xiàn)測量位移與壓力的同步，就要用總線將壓力與位移整合在一個系統(tǒng)中，這樣在長距離的有線傳輸中可能會引入較大的干擾，使得采集到的數(shù)值不準確。針對以上示功儀的不足和缺陷，設計一種可將加速度傳感器和載荷傳感器集成，可實現(xiàn)位移與壓力的同步測量，并具有微功耗的無線一體化示功儀，是當前本領域的重要改進目標。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是提供一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，使其具有微功耗、一體化的特點，可實現(xiàn)位移與壓力的同步測量，并采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術，安裝使用方便，從而克服現(xiàn)有示功儀的不足。為解決上述技術問題，本實用新型一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，包括主控制器以及與主控制器連接的加速度傳感器、載荷傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)及電源。作為本實用新型的一種改進，所述載荷傳感器、加速度傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)、主控制器和電源集成安裝在同一盒體內(nèi)。[0010]所述無線發(fā)射系統(tǒng)采用zigbee通訊技術。所述加速度傳感器采用基于MEMS技術制作的ADXL203芯片的加速度傳感器。所述載荷傳感器設計成空心圓柱形或U形彈性體，并在圓柱形或U形彈性體內(nèi)安裝有惠斯登電橋檢測電路。所述主控制器還通過無線發(fā)射系統(tǒng)連接有無線溫度傳感器、無線壓力傳感器中的一種或兩種。所述主控制器采用具有JTAG接口的MSP430芯片。所述無線發(fā)射系統(tǒng)采用XbeeS2C。所述主控制器還連接有信號調(diào)整模塊、實時時鐘模塊以及存儲器。所述電源采用高性能鋰亞電池。采用以上設計后，本實用新型與現(xiàn)有技術相比有以下優(yōu)點:1、微功耗:采用高性能鋰亞電池的供電方式，并采用低工作電流和極微小休眠狀態(tài)電流的低功耗設計，傳感器電路在不采集數(shù)據(jù)時關閉，無線模塊在不通訊時處于休眠模式，從而延長電池使用壽命，并且在安裝時，無需信號線和電源線，一節(jié)鋰電池可連續(xù)工作12個月左右，實現(xiàn)使用中的“零維護”；2、無線傳輸:利用無線技術和數(shù)字化集成傳感器技術傳輸信號，解決現(xiàn)有傳感器的電纜及機械拉線卷輪設計，以及有線電纜傳輸?shù)墓に嚪绞綆淼目煽啃?、安全性差等問題；3、一體化:將加速度傳感器和載荷傳感器集成在一個結(jié)構(gòu)里,形成無線一體化不功儀，實現(xiàn)位移與壓力的同步測量。如上所述，本實用新型一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，將加速度傳感器和載荷傳感器集成在一個小盒里，通過加速度與位移的關系，計算出位移，該儀器具有低功耗、一體化的特點，實現(xiàn)了位移與壓力的同步測量，并且采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來傳輸數(shù)據(jù)，解決了數(shù)據(jù)傳輸布線不便的問題。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

上述僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型，
以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明。圖1是本實用新型基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀的組成示意圖。圖2是本實用新型的加速度傳感器電路原理圖。圖3是本實用新型的載荷傳感器電路原理圖。圖4是本實用新型的主控MCU電路原理圖。圖5是本實用新型的電源模塊電路原理圖。圖6是本實用新型的無線發(fā)射系統(tǒng)模塊電路原理圖。圖7是本實用新型的工作流程圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示，基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，主要包括主控制器以及與主控制器連接的傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)和電源。其中，傳感器包括加速度傳感器和載荷傳感器兩部分。載荷傳感器、加速度傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)、主控制器(主控制MCU)和電源都集成到一個密封金屬裝置內(nèi)，加速度傳感器和載荷傳感器可與二次儀表(RTU)整合為一體，是一體化的密封結(jié)構(gòu)。本實用新型的加速度傳感器將采集到的加速度數(shù)據(jù)進行二次積分得到活塞的角位移量，進而得到光桿角位移，因此可以和載荷傳感器集成安裝。電源供電模塊優(yōu)選采用高性能鋰亞電池，為載荷傳感器、加速度傳感器、主控制MCU以及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊供電。載荷傳感器和加速度傳感器將數(shù)據(jù)傳給主控制MCU，再經(jīng)無線發(fā)射系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場RTU單元。信號通過2.4GHZ無線通信的方式傳遞給信號接收單元RTU。此外，主控制MCU還可連接有信號調(diào)整、實時時鐘、存儲器、電源控制等基本電路，實現(xiàn)信號的A/D轉(zhuǎn)換、采集、存儲和電源管理等功能。其中，存儲器優(yōu)選64Mb以上的FRAM存儲器，其存儲容量大，性能優(yōu)良，還具有掉電數(shù)據(jù)保持功能，完全滿足記錄儀的數(shù)據(jù)存儲要求，并方便數(shù)據(jù)更換。請參閱圖2所示，本實用新型的加速度傳感器是震動測試中的重要元件，可采用基于MEMS技術的加速度傳感器，其具有過載能力好、體積小、抗沖擊、高可靠性和壽命長的優(yōu)點，可選用AD公司設計的新型單芯片雙軸傳感器，其采用ADXL203芯片，精度高，功耗低。本實用新型首先測量抽油桿的加速度，之后通過對加速度數(shù)據(jù)進行二次積分得到活塞的角位移量，進一步來說，是通過加速度傳感器輸出的幅度與加速度成正比的模擬量，再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過單片機內(nèi)部的積分軟件，根據(jù)抽油桿柱運動周期性的特點，測量出光桿角位移。請參閱圖3所示，本實用新型載荷傳感器采用電阻應變測試方法，在圓柱形或U形彈性體內(nèi)安裝檢測電路-惠斯登電橋。當彈性體受壓變形，某一橋臂電阻值發(fā)生變化時，應變片變形而引起電阻變化，電橋的輸出電壓也相應地發(fā)生變化，從而達到采集目的。本實用新型的載荷傳感器可選用集成單電源儀表放大器AD623，它能在單電源(+3V到+12V)下提供滿電源幅度的輸出，允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到更好的靈活性，符合8引腳的工業(yè)標準配置，在無外接電阻條件下，AD623被設置為單增益(G=l)，在外接電阻后，AD623可編程設置增益，增益最高可達1000倍。AD623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的誤差，線路噪聲及諧波將由于CMRR在高達200HZ時仍保持恒定。AD623有較寬的共模輸入范圍，可以放大具有低于低電平150mv共模電壓信號,在雙電源(2.5至6V)仍能提供優(yōu)良性能。低功耗，寬電源電壓范圍，滿電源幅度輸出，使AD623成為電池供電的理想選擇。在低電源電壓下工作時，滿電源幅度輸出級使動態(tài)范圍達最大。它可以取代分立的儀表放大器設計，且在最小的空間提供很好的線性度，溫度穩(wěn)定性好。在專利，AD623用于信號調(diào)理，主要是起到信號放大的作用，且將差分數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單端數(shù)據(jù)。請參閱圖4所示，主控制器采用MSP430F149芯片完成運算、通訊、處理等全部控制功能。處理器工作采用間歇方式，大部分時間處于休眠狀態(tài)，極少的工作時間全速運行，減少了功耗。MSP430單片機是低功耗單片機，能夠為節(jié)點降低功耗，減小了系統(tǒng)的能源開銷。MSP430通過P40——P45接口與FM25V05鐵電非易失存儲器通信，從而讀取采集到的數(shù)據(jù)。MSP430通過SPI接口與無線芯片通信。并且MSP430通過端子可以實現(xiàn)在線調(diào)試，端子是有復位功能和JTAG端口組成。復位功能是通過單片機P58引腳實現(xiàn)。平常狀態(tài)下，端口為高電平，如果有低電平跳變，則產(chǎn)生復位。單片機的P54——P57端口為JTAG端口，可以實現(xiàn)在線編程、在線調(diào)試、更換程序等功能。請參閱圖5所示，本實用新型的電源部分主要通過四節(jié)電池供電，兩節(jié)并聯(lián)，為MCU供電；兩節(jié)串聯(lián)，為傳感器供電。輸入3.6V，通過一個IN5819降到3.3V，然后再給電路板供電。通過LP2980低壓差線性穩(wěn)壓器為載荷傳感器和角位移芯片提供5V的參考電源。MCU通過P32引腳來控制LP2980是否工作。請參閱圖6所示，無線發(fā)射系統(tǒng)的通信部分采用S2C模塊。S2C是一種低成本單片Zigbee協(xié)議收發(fā)器，為低功耗無線應用而設計。S2C通過SPI接口與MCU進行通信。很容易通過編程使其工作在2.4GHz范圍內(nèi)，其功耗低、靈敏度高、小尺寸、集成了位同步器等特點，主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活，通過布置多個節(jié)點，可以實現(xiàn)多點的信號數(shù)據(jù)采集。信號傳遞通過2.4GHZ無線通信的方式傳遞給信號接收單元，zigbee接口傳送給遠傳平臺，從而實現(xiàn)示功圖的遠程監(jiān)控。本實用新型基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀以16位微處理器為核心，采用高性能、微功耗電路，集采集、存儲和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊于一體的高技術、高精度功圖測試儀，直接安裝到抽油機進口的懸繩器上，無需其他任何接線，體積小，方便安裝和維護；殼體采用金屬材料制作而成，不怕撞擊，抗曬抗凍，密封防水級別較高，增加了耐用性，適合油田上比較惡劣的環(huán)境；載荷傳感器、加速度傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)采集模塊化設計，便于調(diào)試和更換元器件，若這三部分中的某個模塊壞了，只需更換該模塊，只要載荷傳感器不更換，就不需要重新標定。采用模塊化設計既方便維護又節(jié)約成本；采用加速度計算抽油機沖程的應用，使得位移、沖次量的計算和測量更加簡單實用；采用人機交換方式設置參數(shù)(設備地址、通信信道、數(shù)據(jù)監(jiān)控、設備校準、載荷測試、讀取功圖等)，采用磁鋼外部激活，便可通過二次儀表、手抄器、PDA、筆記本電腦等無線方式設置通訊參數(shù)，解決了抽油機井無線一體化示功儀開蓋設置通訊參數(shù)的問題；采用一次高性能鋰亞電池，可靠持久；采用精確電源管理技術，關閉不工作的模塊以節(jié)能，使設備處于低功耗狀態(tài)；可以實時監(jiān)測電池電量，電量過低自動報警；上位機服務器和RTU之間通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，遠程實時監(jiān)測抽油機井地面示功圖。本實用新型基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀的數(shù)據(jù)可實時自動無線傳輸?shù)竭h端計算機或服務器中，從采集、處理、存儲、發(fā)送到存入遠程計算機或服務器全部實現(xiàn)自動化，無需任何人工參與，通過無線方式可實現(xiàn)對半徑300米以上范圍內(nèi)的信號進行傳遞，從而很大程度上減少了施工難度。通過遠程平臺既可以讀取當前的抽油機井地面示功圖，也可以讀取歷史示功圖，根據(jù)時間即可實現(xiàn)歷史記錄查詢；具有擴展功能，如果在采集功圖的基礎上還需要采集溫度、壓力，只需要在油井的相應位置安裝無線溫度傳感器和無線壓力傳感器，利用無線一體化示功儀中的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行遠程傳輸。因此，無需專門為采集溫度和壓力而安裝RTU控制終端柜，從而節(jié)省成本，減少安裝和維護工作量；遠程升級，RTU和無線發(fā)射系統(tǒng)的嵌入式程序均可以通過GPRS連接進行遠程升級。采用高精度、零漂移的載荷、位移傳感器，即可代替目前常規(guī)的油井示功儀，又可對重點油井實施連續(xù)不間斷的監(jiān)測。此外，本實用新型還可替代石油采油現(xiàn)場用拉線帶動機械卷輪及電位器產(chǎn)生位移信號測量抽油機工況的傳統(tǒng)方法，利用微功率無線自組網(wǎng)成熟技術、載荷傳感器和加速度傳感器測量技術的無線示功儀能夠定時采集抽油機示功圖數(shù)據(jù)，借助微處理器計算得到抽油機光桿在一個運動周期內(nèi)的載荷和與之對應的位移數(shù)據(jù)，分析完成地面功圖計算、抽油受力分析、抽油機平衡計算、系統(tǒng)效率分析。請配合參閱圖7所示，微功耗的無線示功儀將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控終端，終端的電測量單元對油井設備用電負荷情況進行全面的監(jiān)測，特別是與示功儀同步采集一個沖程周期內(nèi)的電功率瞬時數(shù)據(jù)，通過無線傳輸將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到中心服務器。系統(tǒng)主站是數(shù)據(jù)分析和查詢的核心，對監(jiān)控終端傳回的各種數(shù)據(jù)進行分析處理，將結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至各單位，使油田各管理者或生產(chǎn)者在任何可接入互聯(lián)網(wǎng)的地方都能對油井工作情況實時掌握。系統(tǒng)主站可繪制油井地面功圖，繪制設備的用電量、電壓、電流、使用功率等用電參數(shù)曲線，繪制與功圖同步的電功率曲線，計算最佳的抽油機平衡塊位置調(diào)整參數(shù)，分析抽油機效率，為油井設備的節(jié)能降耗提供更為精確的數(shù)字依據(jù)。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
權利要求1.一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化不功儀，其特征在于包括主控制器以及與主控制器連接的加速度傳感器、載荷傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)及電源。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述載荷傳感器、加速度傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)、主控制器和電源集成安裝在同一盒體內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述無線發(fā)射系統(tǒng)采用zigbee通訊方式。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述加速度傳感器采用基于MEMS技術的ADXL203芯片的加速度傳感器。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述載荷傳感器設計成空心圓柱形或U形彈性體，并在圓柱形或U形彈性體內(nèi)安裝有惠斯登電橋檢測電路。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述主控制器還通過無線發(fā)射系統(tǒng)連接有無線溫度傳感器、無線壓力傳感器中的一種或兩種。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述主控制器采用具有JTAG接口的MSP430芯片。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述無線發(fā)射系統(tǒng)采用XbeeS2C。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述主控制器還連接有信號調(diào)整模塊、實時時鐘模塊以及存儲器。
10.根據(jù)權利要求1所述的基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，其特征在于:所述電源采用高性能鋰亞電池。
專利摘要本實用新型是有關于一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀，包括主控制器以及與主控制器連接的加速度傳感器、載荷傳感器、無線發(fā)射系統(tǒng)及電源。本實用新型在安裝時，無需信號線和電源線，采用一節(jié)鋰電池電源可連續(xù)工作12個月左右，實現(xiàn)使用中的“零維護”；并且解決現(xiàn)有傳感器的電纜及機械拉線卷輪設計，以及有線電纜傳輸?shù)墓に嚪绞綆淼目煽啃?、安全性差等問題；實現(xiàn)位移與壓力的同步測量，形成基于無線物聯(lián)網(wǎng)的微功耗一體化示功儀。
文檔編號G01L3/24GK203011594SQ20122068108
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權日2012年12月11日
發(fā)明者郭月明, 劉守會, 邊飛, 吳昊, 王雨 申請人:北京中油瑞飛信息技術有限責任公司, 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司