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(diǎn)，在嵌入式設(shè)備中對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(diǎn)：一是覆蓋地域廣，目前移動通信網(wǎng)在全國的覆蓋率達(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，會將數(shù)據(jù)封裝進(jìn)每個分組，網(wǎng)絡(luò)容量僅在需要時才分配，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(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，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(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

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(wù)器和終端數(shù)據(jù)采集設(shè)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(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地址的油場監(jiān)控中心服務(wù)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(dāng)有異常情況時，中心控制計算機(jī)會立即向終端數(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

本系統(tǒng)的終端設(shè)備硬件設(shè)計結(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(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個串口。一個懷GPRS模塊相連，另一個與上位機(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，中心控制計算機(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(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)，并對存儲器進(jìn)行了擴(kuò)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(jī)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(kuò)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(dá)9600b/s，所有UART串行口均可同時獨(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，該模式采用多時限，可支持CS1-CS4編碼和端對端協(xié)議棧。

3 終端設(shè)備軟件設(shè)計

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)計利用TCP/IP協(xié)議來對GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和解包。由于本設(shè)計中采用的是8位單片機(jī)，資源比較有限，所以對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了簡化。其TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    由于本系統(tǒng)只對油井工作參數(shù)進(jìn)行傳遞，所以可對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(shè)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(jī)的存儲器資源。

數(shù)據(jù)打包、解包處理時，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，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A/D、串口，MUX多路轉(zhuǎn)換開關(guān)等進(jìn)行初始化。同時，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(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

監(jiān)控中心采用VC與sq12000來對終端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行監(jiān)控，所以在軟件設(shè)計時應(yīng)對每個尚未井開設(shè)一個線程，每個線程監(jiān)聽不同的端口，同時獨(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(shè)置了警戒線，一旦超過該警戒線，計算機(jī)將立刻報警。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(shè)備發(fā)送控制命令以停止設(shè)備的工作。此外，該系統(tǒng)還可以對錄入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)產(chǎn)生報表并打印。

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(yīng)用前景。