低功耗广域物联网在海上油田应用浅析

颜斌

摘 要 LoRa是低功耗广域物无线网络协议（LPWAN），主要应用于大型无线传感网络。本文首先针对目前LPWAN物联网通信技术的NB-IoT与LoRa的技术特点进行分析。结合海上油田生产中的助航设备状态监控场景，探讨基于LoRa技术的物联网的部署架构、无线传感器设计、通信协议与数据服务软件的及时要点。本文最后总结了LoRa技术在油气田生产和设备管理领域的发展前景。

关键词 物联网;LPWAN;LoRa;NB-IoT;海上助航设备

引言

物联网，“Internet of things（IoT）”，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。国内石油行业对物联网技术也有深入的研究与应用，中国石油的油气生产物联网（A11）与中国石化开展的生产信息化项目都广泛使用了大量的物联网新技术，取得了良好的经济效益与社会效益。本文通过总结海上油田助航设备监控的物联网技术试验，探讨LPWAN在油田生产领域的适用性、应用方式和需要解决的问题，并展望了未来的应用前景。

1LPWAN技术分析

物联网的主要目标是通过通信技术将人与物，物与物进行连接。在工业数据采集、智能家居等区域网通信场景一般采用短距离通信技术，但对于广范围、远距离的连接则需要远距离通信技术。LPWAN技术正是为满足物联网需求应运而生的远距离无线通信技术。

LPWAN专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。目前LPWAN可分为两类：一类是工作于免授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。当前LPWAN公认的最有应用前景的两个代表技术分别为NB-IoT和LoRa。

基于LoRa通信技术的成本优势、免授权带宽、自主部署通讯基站等特点，胜利海上油田于2017年在海上助航设备监控应用领域进行了LoRa物联网通信技术的技术试验[1]。

2LPWAN在海上助航设备监控应用

2.1 海上生产场景

海上助航设备状态采集具有如下特点：

（1）航标灯等助航设备状态数据数据量小、低速传输。助航设备只有蓄电池电压、供电电压、灯的光强等几个状态值，数据采集的时间间隔可以在5分钟甚至30分钟。

（2）助航设备安装在金属结构平台上，金属结构及海水对无线信号有屏蔽及衰减作用。ZigBee、WIFI等短距离无线通信技术，无法实现一个平台内的信号传输。

（3）平台分布范围广，且大部分为无人值守平台。部分助航设备现场没有电力供应，航标灯依靠太阳能电池供电，要求监控设备功耗低。

（4）大部分海域无电信运营商网络信号，有人驻守的平台有油田局域网。部分助航设备距离最近有网络的平台5公里之内。

2.2 LoRaWan网络架构

在综合考量对比分析之后，海上助航设备状态监控系统采用了功耗低、抗干扰能力强、传输距离更远的LoRa技术实现数据采集和传输。

系统的网络架构按照LoRaWAN推荐的网络架构，包括终端、基站、NS（网络服务器）、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP的以太网上。传感器采集状态数据后通过LoRa模组与LoRa网关通讯，实现数据的接收和发送。LoRa网关通过以太网上传至LoRaWAN。

2.3 通信协议与服务软件

（1）通信协议

无线终端传感器与LoRa网关之间的通信协议主要有数据透传和LoRaWAN协议两种。由于助航设备的状态监测只监测、无控制，该系统中采用了LoRa数据透传方式。

（2）数据解析

LoRa数据由网关传输到实时数据接收服务器进行解析和存储。服务器采用多线程高并发技术实现，单台服务器能够支持5万个传感器的数据处理。

（3）数据存储与服务

数据存储使用MongoDB数据库，这种NoSQL数据库的存储和访问效率高，适合实时数据高效存取的需求，同时又提供较为丰富的查询方式，在必要的场景下也容易实施高可用集群。

系统以Restful API的方式对外提供数据访问接口服务，能够获取各个传感器的实时和历史数据。

2.4 现场试验与应用情况

还是助航设备监测系统开发完成后，从2018年2月在海上平台部署试运行。同时监测航标灯、信号灯、雾笛设备的状态信息。经过近10个月的应用試验，基于LoRa技术具有如下特点：

（1）LoRa无线信号绕射能力强。系统采用室内型LoRa网关，安装在平台的中控机房，平台甲板上的助航设备监测数据能够有效传输，无线信号可以有效穿透多层金属结构。

（2）有效传输距离远。利用信号监测装置，室内型LoRa网关的周边进行信号强度验证，有效传输距离1～2公里。室外型LoRa网关，采用室外天线，传输距离达到5～7公里。

（3）数据采集解析稳定。为了验证数据采集传输的稳定性，试验过程中将每个无线终端采集间隔设置为30秒。经过长达5个月的验证，数据采集稳定，丢包率不超过0.1%。

（4）终端传感器功耗低。无线终端传感器的供电采用助航设备的蓄电池供电，待机功耗2mAh，信号发送功耗185mAh。在30秒采集传输一次数据的情况下，航标灯太阳能电池可以在无光纤不充电的模式下，供航标灯、终端传感器连续工作96小时以上。

3结束语

LoRa是物联网无线传输的一种新技术，其工作在1GHz以下的免授权频段，绕射能力强、低功耗、抗干扰，链路预算高达160dBm，适用于物联网低速数据传输应用场景。系统通信距离远、功耗低、成本低，能极大地满足数据监测的需求。LoRa的透明传输方式可以作为局部区域的无线接入或无线骨干网的覆盖延伸技术，具有较高的推广应用价值。随着LoRaWAN协议的成熟商用，LoRa技术一定会智能油气田建设中得到广泛应用。

参考文献

[1] 张彬，王志鹏，马庆.NB-IoT部署方案及关键问题分析[J].电信工程技术与标准化，2017，（6）：72-75.