基于GPRS的油井自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

    摘要：介紹一種基于GPRS油井自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法。該方法已針對(duì)該系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，在嵌入式設(shè)備中對(duì)TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了裁減。

    關(guān)鍵詞：PRS；TCP/IP；油井監(jiān)控

引言

當(dāng)前，無論從功能還是從可靠性來講，沒有一個(gè)無線網(wǎng)可以與移動(dòng)通信網(wǎng)相比擬。移動(dòng)通信網(wǎng)的總體優(yōu)點(diǎn)：一是覆蓋地域廣，目前移動(dòng)通信網(wǎng)在全國(guó)的覆蓋率達(dá)95%以上，非邊遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋率幾乎是100%。二是通信距離遠(yuǎn)，在任何場(chǎng)合都可以設(shè)中心站。三是網(wǎng)絡(luò)可靠性高。四是穩(wěn)定性好，抗自然干擾能力強(qiáng)。GPRS是移動(dòng)通信網(wǎng)中的一種新技術(shù)，目前已完成無線Internet接入。這種技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)封裝進(jìn)每個(gè)分組，網(wǎng)絡(luò)容量?jī)H在需要時(shí)才分配，一旦分組完成發(fā)送任務(wù)，信道容量將立即釋放，枚可提供即時(shí)連接和高效傳輸，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線功能。因此，它是一種高鏟經(jīng)濟(jì)的分組數(shù)據(jù)技術(shù)。

由于油田油井大多都分布在各采油場(chǎng)，且各油場(chǎng)也較分散，環(huán)境較差。因此，采用有線或人工對(duì)油井工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控將要花費(fèi)較高的成本。而采用GPRS無線通訊技術(shù)無論在成本、還是在可靠性方面都比較適合油井監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本油井自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要由采油場(chǎng)監(jiān)控中心服務(wù)器和終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。分布在各采油場(chǎng)的油井工作狀態(tài)參數(shù)通過終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備（見圖1）采集，并通過嵌入在單片機(jī)中的TCP/IP協(xié)議棧將數(shù)據(jù)打包，再由GPRS模塊MC35傳到GPRS網(wǎng)絡(luò)（GPRS網(wǎng)絡(luò)通過路由器與Internet相連），最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到具有固定IP地址的油場(chǎng)監(jiān)控中心服務(wù)器端口以便在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控油井的工作參數(shù)。當(dāng)有異常情況時(shí)，中心控制計(jì)算機(jī)會(huì)立即向終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送控制命令數(shù)據(jù)包，當(dāng)單片機(jī)從GPRS模塊接收到數(shù)據(jù)包后便可通過解包得到控制命令，從而控制正在運(yùn)行的設(shè)備。該系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2 終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。一般情況下，油井工作狀態(tài)參數(shù)主要有井口溫度、井口油壓、井口套壓、電壓、電機(jī)電流及被監(jiān)控開關(guān)的斷/合等。因此，在硬件設(shè)計(jì)是要用到相應(yīng)的傳感器。由傳感器將采集到的模擬參數(shù)送入各自的信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行處理（放大、濾波等）。調(diào)理后的信叫經(jīng)MUX多路開關(guān)進(jìn)入12位A/D轉(zhuǎn)換器，最后送入單片機(jī)。由于參數(shù)較多，所以單片機(jī)通過控制MUX多路轉(zhuǎn)換開關(guān)并采用定時(shí)循環(huán)方式采集各個(gè)傳感器的參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)通過嵌入ROM存儲(chǔ)器的TCP/IP協(xié)議棧打包處理，再由GPRS模塊MC35將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)。為了調(diào)試方便，可將單片機(jī)的串口擴(kuò)展電路擴(kuò)展成2個(gè)串口。一個(gè)懷GPRS模塊相連，另一個(gè)與上位機(jī)相連，采集的數(shù)據(jù)可以通過上位機(jī)觀察是否正確。繼電器用于控制電機(jī)電源，當(dāng)有異常時(shí)，中心控制計(jì)算機(jī)將立即向終端發(fā)現(xiàn)控制命令，使單片機(jī)可以通過GPRS模塊接收到控制命令并控制繼電器使電機(jī)停機(jī)。為了使單片機(jī)能夠可靠地控制繼電器，可在單片機(jī)輸出引腳加上U2003驅(qū)動(dòng)電路。由于油井現(xiàn)場(chǎng)采用的是22V0交流電，所以需要將交流電通過電源模塊轉(zhuǎn)換成5V直流電壓給單片機(jī)供電。作了給單片機(jī)供電外，還要將5V直流電壓經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換成4V以供GPRS模塊使用。

    為了降低成本，本系統(tǒng)選用Atmel公司的AT89C51型單片機(jī)，并對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行了擴(kuò)展，以存儲(chǔ)接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，這樣能夠提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度。AT89C51只有一個(gè)串口，而在系統(tǒng)中要用到2個(gè)串口。故采用成都視普科技有限公司的SP2338將一個(gè)UART串行口擴(kuò)展成3個(gè)全新的全雙式UART串行口，3個(gè)子串口的波特率最高可達(dá)9600b/s，所有UART串行口均可同時(shí)獨(dú)立接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。GPRS模塊是西門子的MC35型模塊。該模塊可提供40線的ZIP接口（包括電源接口，電壓范圍為3.3V~4.4V）、SIM卡接口、標(biāo)準(zhǔn)RS232雙向接口、模擬語音接口等。MC35具有GSM900和GSM18002個(gè)頻段，可支持2種工作模式：一種是電路交換模式CSD，這種模式可支持語音、數(shù)據(jù)、SMS和FAX業(yè)務(wù)；一種是分析交換模式GPRS，該模式采用多時(shí)限，可支持CS1-CS4編碼和端對(duì)端協(xié)議棧。

3 終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）能提供基于IP的服務(wù)，并可與internet互連。因此，本設(shè)計(jì)利用TCP/IP協(xié)議來對(duì)GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和解包。由于本設(shè)計(jì)中采用的是8位單片機(jī)，資源比較有限，所以對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)化。其TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    由于本系統(tǒng)只對(duì)油井工作參數(shù)進(jìn)行傳遞，所以可對(duì)TCP/IP結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的裁減。其中應(yīng)用層只需用到HTTP協(xié)議。而在傳輸層用TCP傳輸控制協(xié)議有助于提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)層需要用到IP、ARP/RARP、ICMP，其中IP的作用是提供高可靠和無連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)，ARP/RARP協(xié)議完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通訊狀況，由于采用的是無線通訊方式， 易出現(xiàn)掉線情況，所以單片機(jī)通過定時(shí)監(jiān)控中心發(fā)送ICMP回顯請(qǐng)求，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、掉線得撥主式來確保終端設(shè)備實(shí)時(shí)在線。數(shù)據(jù)鏈路層采用GPRS支持的PPP協(xié)議。通過裁減TCP/IP協(xié)議既能滿足功能的需要，也可以節(jié)約單片機(jī)的存儲(chǔ)器資源。

數(shù)據(jù)打包、解包處理時(shí)，可先由單片機(jī)采集油井工作參數(shù)。該參數(shù)要通過TCP/IP協(xié)議棧的每一層，并且每一層都應(yīng)把自己的信息添加到數(shù)據(jù)頭中，這樣在通過MC35傳輸前工作參數(shù)就可被封裝成IP數(shù)據(jù)包以便在internet上傳輸和接收。單片機(jī)接收監(jiān)控中心的IP數(shù)據(jù)包時(shí)，其過程與封裝數(shù)據(jù)包的過程相反，即在經(jīng)過TCP/IP協(xié)議棧的每一層，都應(yīng)當(dāng)將相應(yīng)層的頭信息剝離，最后得到可用的控制命令。其終端設(shè)備程序流程如圖4所示。

單片機(jī)上電后，系統(tǒng)先對(duì)A/D、串口，MUX多路轉(zhuǎn)換開關(guān)等進(jìn)行初始化。同時(shí)，單片機(jī)也通過AT命令以MC35模塊進(jìn)行初始化，包括監(jiān)控中心的IP地址及端口、SIM卡檢查、GPRS服務(wù)號(hào)碼配置等。MC35初始化后，就可以通過PPP協(xié)議與Internet連接。單片機(jī)通過定時(shí)循環(huán)方式采集各個(gè)傳感器的參數(shù)并分別存入各自的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。主程序通過循環(huán)方式判斷A/D數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果有，就將數(shù)據(jù)交給TCP/IP協(xié)議棧處理，并通過MC35發(fā)送。利用串口中斷程序可判斷是否有來自MC35的數(shù)據(jù)，如果有，就將數(shù)據(jù)交給TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行處理，進(jìn)而控制繼電器工作。

4 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心采用VC與sq12000來對(duì)終端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印等。由于本系統(tǒng)將對(duì)多個(gè)油井的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)每個(gè)尚未井開設(shè)一個(gè)線程，每個(gè)線程監(jiān)聽不同的端口，同時(shí)獨(dú)立接收和處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理包括將接收到的各個(gè)參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)在主界面上用曲線實(shí)時(shí)地顯示出來。該系統(tǒng)對(duì)每個(gè)參數(shù)設(shè)置了警戒線，一旦超過該警戒線，計(jì)算機(jī)將立刻報(bào)警。其中包括電壓過壓、欠壓、電流過流、抽油機(jī)停工、漏油、盜油報(bào)警等。對(duì)于電壓過壓、欠壓、電流過流等報(bào)警，監(jiān)控中心會(huì)向終端設(shè)備發(fā)送控制命令以停止設(shè)備的工作。此外，該系統(tǒng)還可以對(duì)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生報(bào)表并打印。

5 結(jié)束語

本文以8位單片機(jī)、現(xiàn)存的GPRS模塊及一些簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)了油田油井工作狀態(tài)的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)的成本低，可靠性高，在油田油井監(jiān)控中具有廣泛的應(yīng)用前景。