基于GPRS的油井自動化監(jiān)控系統(tǒng)

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

    關鍵詞：PRS；TCP/IP；油井監(jiān)控

引言

當前，無論從功能還是從可靠性來講，沒有一個無線網(wǎng)可以與移動通信網(wǎng)相比擬。移動通信網(wǎng)的總體優(yōu)點：一是覆蓋地域廣，目前移動通信網(wǎng)在全國的覆蓋率達95%以上，非邊遠地區(qū)覆蓋率幾乎是100%。二是通信距離遠，在任何場合都可以設中心站。三是網(wǎng)絡可靠性高。四是穩(wěn)定性好，抗自然干擾能力強。GPRS是移動通信網(wǎng)中的一種新技術，目前已完成無線Internet接入。這種技術在數(shù)據(jù)傳輸時，會將數(shù)據(jù)封裝進每個分組，網(wǎng)絡容量僅在需要時才分配，一旦分組完成發(fā)送任務，信道容量將立即釋放，枚可提供即時連接和高效傳輸，以實現(xiàn)實時在線功能。因此，它是一種高鏟經(jīng)濟的分組數(shù)據(jù)技術。

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

1 系統(tǒng)總體設計

本油井自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要由采油場監(jiān)控中心服務器和終端數(shù)據(jù)采集設備組成。分布在各采油場的油井工作狀態(tài)參數(shù)通過終端數(shù)據(jù)采集設備（見圖1）采集，并通過嵌入在單片機中的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（GPRS網(wǎng)絡通過路由器與Internet相連），最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到具有固定IP地址的油場監(jiān)控中心服務器端口以便在監(jiān)控中心實時監(jiān)控油井的工作參數(shù)。當有異常情況時，中心控制計算機會立即向終端數(shù)據(jù)采集設備發(fā)送控制命令數(shù)據(jù)包，當單片機從GPRS模塊接收到數(shù)據(jù)包后便可通過解包得到控制命令，從而控制正在運行的設備。該系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2 終端數(shù)據(jù)采集設備硬件設計

本系統(tǒng)的終端設備硬件設計結構框圖如圖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、電機電流及被監(jiān)控開關的斷/合等。因此，在硬件設計是要用到相應的傳感器。由傳感器將采集到的模擬參數(shù)送入各自的信號調理單元進行處理（放大、濾波等）。調理后的信叫經(jīng)MUX多路開關進入12位A/D轉換器，最后送入單片機。由于參數(shù)較多，所以單片機通過控制MUX多路轉換開關并采用定時循環(huán)方式采集各個傳感器的參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)通過嵌入ROM存儲器的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。為了調試方便，可將單片機的串口擴展電路擴展成2個串口。一個懷GPRS模塊相連，另一個與上位機相連，采集的數(shù)據(jù)可以通過上位機觀察是否正確。繼電器用于控制電機電源，當有異常時，中心控制計算機將立即向終端發(fā)現(xiàn)控制命令，使單片機可以通過GPRS模塊接收到控制命令并控制繼電器使電機停機。為了使單片機能夠可靠地控制繼電器，可在單片機輸出引腳加上U2003驅動電路。由于油井現(xiàn)場采用的是22V0交流電，所以需要將交流電通過電源模塊轉換成5V直流電壓給單片機供電。作了給單片機供電外，還要將5V直流電壓經(jīng)過DC/DC轉換成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，并對存儲器進行了擴展，以存儲接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，這樣能夠提高單片機的數(shù)據(jù)傳輸速度。AT89C51只有一個串口，而在系統(tǒng)中要用到2個串口。故采用成都視普科技有限公司的SP2338將一個UART串行口擴展成3個全新的全雙式UART串行口，3個子串口的波特率最高可達9600b/s，所有UART串行口均可同時獨立接收數(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、標準RS232雙向接口、模擬語音接口等。MC35具有GSM900和GSM18002個頻段，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；一種是分析交換模式GPRS，該模式采用多時限，可支持CS1-CS4編碼和端對端協(xié)議棧。

3 終端設備軟件設計

通用分組無線業(yè)務（GPRS）能提供基于IP的服務，并可與internet互連。因此，本設計利用TCP/IP協(xié)議來對GPRS業(yè)務數(shù)據(jù)進行打包和解包。由于本設計中采用的是8位單片機，資源比較有限，所以對TCP/IP協(xié)議進行了簡化。其TCP/IP協(xié)議結構如圖3所示。

    由于本系統(tǒng)只對油井工作參數(shù)進行傳遞，所以可對TCP/IP結構進行大量的裁減。其中應用層只需用到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，ARP/RARP協(xié)議完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于監(jiān)測網(wǎng)絡通訊狀況，由于采用的是無線通訊方式， 易出現(xiàn)掉線情況，所以單片機通過定時監(jiān)控中心發(fā)送ICMP回顯請求，并通過實時監(jiān)測、掉線得撥主式來確保終端設備實時在線。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)約單片機的存儲器資源。

數(shù)據(jù)打包、解包處理時，可先由單片機采集油井工作參數(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。單片機接收監(jiān)控中心的IP數(shù)據(jù)包時，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，都應當將相應層的頭信息剝離，最后得到可用的控制命令。其終端設備程序流程如圖4所示。

單片機上電后，系統(tǒng)先對A/D、串口，MUX多路轉換開關等進行初始化。同時，單片機也通過AT命令以MC35模塊進行初始化，包括監(jiān)控中心的IP地址及端口、SIM卡檢查、GPRS服務號碼配置等。MC35初始化后，就可以通過PPP協(xié)議與Internet連接。單片機通過定時循環(huán)方式采集各個傳感器的參數(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)議棧進行處理，進而控制繼電器工作。

4 監(jiān)控中心軟件設計

監(jiān)控中心采用VC與sq12000來對終端采集到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、打印等。由于本系統(tǒng)將對多個油井的參數(shù)進行監(jiān)控，所以在軟件設計時應對每個尚未井開設一個線程，每個線程監(jiān)聽不同的端口，同時獨立接收和處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理包括將接收到的各個參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時在主界面上用曲線實時地顯示出來。該系統(tǒng)對每個參數(shù)設置了警戒線，一旦超過該警戒線，計算機將立刻報警。其中包括電壓過壓、欠壓、電流過流、抽油機停工、漏油、盜油報警等。對于電壓過壓、欠壓、電流過流等報警，監(jiān)控中心會向終端設備發(fā)送控制命令以停止設備的工作。此外，該系統(tǒng)還可以對錄入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)產(chǎn)生報表并打印。

5 結束語

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