中石化物探无线传输方案：低功耗终端与4G网关的远程监控实践

1. 背景概述

场地现场井口分布分散，数量众多，出现异常现象需及时处理。
人工巡视耗时长、时效性差；有线传输布线繁琐、成本高，且线路本身易出现故障；现场无移动网络覆盖，无法采用4G联网上报。

需要一种支持大量接入、覆盖范围广、数据传输高效，且具备数据中心汇总能力的无线传输技术，对现场分散节点进行数据采集，再通过中心处连接网络将数据同步至平台服务器，实现数据推送与展示。

2. 方案功能介绍

本方案包含终端与网关两种设备：

终端设备

• 搭载Zigbee协议模块，支持自组网功能；
• 支持休眠终端、路由器、协调器三种角色；
• 支持电池供电与外部供电。

休眠终端：
设备平时处于整体休眠状态，仅在有数据发送需求时唤醒，发送完成后恢复休眠，功耗低，适合电池供电。

路由器/协调器：
需保证网络与数据传输正常，需采用外部供电。

Zigbee设备休眠周期电流参考值

休眠周期	平均电流
3S	103.23uA
5S	60.75uA
10S	29.19uA
15S	24.83uA
60S	12.12uA

Zigbee设备功耗参考值

电压	测试项	功率模式	协调器(mA)	休眠终端(mA)
3.3V	发射电流	高功率20dBm	137.81	133.22
		中功率10dBm	47.77	47.01
		低功率3dBm	25.24	23.00
	接收电流		47.50	47.11
	空闲电流		11.47	NA
	休眠电流(uA)		NA	2.5

网关设备

• 搭载Zigbee协议模块，可与终端组成网络，支持路由器、协调器角色；
• 搭载4G协议模块，可将Zigbee数据通过4G同步至互联网，供平台服务器获取。

 

网络结构说明

整个数据网络由休眠终端、路由器（协调器）终端、网关设备共同构成：

1. 每个监控点安装一台休眠终端；
2. 每个监控区域安装一台路由器终端，负责区域内的组网与数据转发；
3. 现场选择一处供电、信号良好的场地安装协调器终端，确保全网稳定；
4. 在Zigbee覆盖范围内寻找有4G信号的场地安装网关；
5. 若无4G信号，可通过路由器级联延伸网络至有信号区域再安装网关。

3. 方案应用介绍

每个井口安装一台休眠终端，与三轴传感器对接，作为报警节点。合理布置路由器（协调器）与网关，完成网络构建。

工作流程：

1. 井口传感器检测到异常 → 发送数据至对应休眠终端；
2. 休眠终端唤醒 → 上报异常数据、节点ID、经纬度坐标；
3. 数据经路由器转发至网关；
4. 网关通过4G将数据传至平台服务器；
5. 平台进行报警推送与数据展示。

 

状态监测：

每个休眠终端周期性上报自身工作状态与电池信息，平台可实时监测设备在线状态与电量，及时通知维护。

4. 方案技术介绍

ZigBee（紫蜂）是一种低速短距离传输的无线网络协议，基于IEEE 802.15.4标准，特点包括：

• 低速、低耗电、低成本
• 支持大量网络节点
• 支持多种网络拓扑
• 低复杂度、快速、可靠、安全

适用于短距离、低功耗、低速率的数据传输场景，如周期性、间歇性数据与低响应时间应用。

网络特性：

• 可容纳多达65535个节点；
• 节点间可相互通信，距离可扩展；
• 每个节点既可采集数据，也可中转其他节点数据；
• 支持终端节点（RFD）与全功能节点（FFD）组网。

安全机制：

1. 加密技术：128位AES算法，支持网络层与设备层加密；
2. 鉴权技术：网络层与设备层双重鉴权，防内外攻击；
3. 完整性保护：支持0/32/64/128位完整性校验；
4. 顺序更新：通过帧编号防重放攻击，确保数据新鲜性。

Zigbee设备1km通信测试丢包情况