基于GPRS的油井自動(dòng)化監控系統
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摘要：介紹一種基于GPRS油井自動(dòng)化監控系統的軟、硬件實(shí)現方法。該方法已針對該系統的具體特點(diǎn)，在嵌入式設備中對TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了裁減。
關(guān)鍵詞：PRS；TCP/IP；油井監控
引言
當前，無(wú)論從功能還是從可靠性來(lái)講，沒(méi)有一個(gè)無(wú)線(xiàn)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)在全國的覆蓋率達95%以上，非邊遠地區覆蓋率幾乎是100%。二是通信距離遠，在任何場(chǎng)合都可以設中心站。三是網(wǎng)絡(luò )可靠性高。四是穩定性好，抗自然干擾能力強。GPRS是移動(dòng)通信網(wǎng)中的一種新技術(shù)，目前已完成無(wú)線(xiàn)Internet接入。這種技術(shù)在數據傳輸時(shí)，會(huì )將數據封裝進(jìn)每個(gè)分組，網(wǎng)絡(luò )容量?jì)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)現實(shí)時(shí)在線(xiàn)功能。因此，它是一種高鏟經(jīng)濟的分組數據技術(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(xiàn)或人工對油井工作狀態(tài)進(jìn)行監控將要花費較高的成本。而采用GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)無(wú)論在成本、還是在可靠性方面都比較適合油井監控。
1 系統總體設計
本油井自動(dòng)化監控系統主要由采油場(chǎng)監控中心服務(wù)器和終端數據采集設備組成。分布在各采油場(chǎng)的油井工作狀態(tài)參數通過(guò)終端數據采集設備（見(jiàn)圖1）采集，并通過(guò)嵌入在單片機中的TCP/IP協(xié)議棧將數據打包，再由GPRS模塊MC35傳到GPRS網(wǎng)絡(luò )（GPRS網(wǎng)絡(luò )通過(guò)路由器與Internet相連），最后將數據包發(fā)送到具有固定IP地址的油場(chǎng)監控中心服務(wù)器端口以便在監控中心實(shí)時(shí)監控油井的工作參數。當有異常情況時(shí)，中心控制計算機會(huì )立即向終端數據采集設備發(fā)送控制命令數據包，當單片機從GPRS模塊接收到數據包后便可通過(guò)解包得到控制命令，從而控制正在運行的設備。該系統的總體框圖如圖1所示。
2 終端數據采集設備硬件設計
本系統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)參數主要有井口溫度、井口油壓、井口套壓、電壓、電機電流及被監控開(kāi)關(guān)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送入各自的信號調理單元進(jìn)行處理（放大、濾波等）。調理后的信叫經(jīng)MUX多路開(kāi)關(guān)進(jìn)入12位A/D轉換器，最后送入單片機。由于參數較多，所以單片機通過(guò)控制MUX多路轉換開(kāi)關(guān)并采用定時(shí)循環(huán)方式采集各個(gè)傳感器的參數。采集到的數據通過(guò)嵌入ROM存儲器的TCP/IP協(xié)議棧打包處理，再由GPRS模塊MC35將數據傳輸到GPRS網(wǎng)絡(luò )。為了調試方便，可將單片機的串口擴展電路擴展成2個(gè)串口。一個(gè)懷GPRS模塊相連，另一個(gè)與上位機相連，采集的數據可以通過(guò)上位機觀(guān)察是否正確。繼電器用于控制電機電源，當有異常時(shí)，中心控制計算機將立即向終端發(fā)現控制命令，使單片機可以通過(guò)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(dòng)電路。由于油井現場(chǎng)采用的是22V0交流電，所以需要將交流電通過(guò)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(guò)DC/DC轉換成4V以供GPRS模塊使用。
為了降低成本，本系統選用Atmel公司的AT89C51型單片機，并對存儲器進(jìn)行了擴展，以存儲接收的以太網(wǎng)數據包，這樣能夠提高單片機的數據傳輸速度。AT89C51只有一個(gè)串口，而在系統中要用到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9600b/s，所有UART串行口均可同時(shí)獨立接收數據和發(fā)送數據。GPRS模塊是西門(mén)子的MC35型模塊。該模塊可提供40線(xiàn)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(yǔ)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(yǔ)音、數據、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編碼和端對端協(xié)議棧。
3 終端設備軟件設計
通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（GPRS）能提供基于IP的服務(wù)，并可與internet互連。因此，本設計利用TCP/IP協(xié)議來(lái)對GPRS業(yè)務(wù)數據進(jìn)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(jìn)行了簡(jiǎn)化。其TCP/IP協(xié)議結構如圖3所示。
數據打包、解包處理時(shí)，可先由單片機采集油井工作參數。該參數要通過(guò)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據頭中，這樣在通過(guò)MC35傳輸前工作參數就可被封裝成IP數據包以便在internet上傳輸和接收。單片機接收監控中心的IP數據包時(shí)，其過(guò)程與封裝數據包的過(guò)程相反，即在經(jīng)過(guò)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，系統先對A/D、串口，MUX多路轉換開(kāi)關(guān)等進(jìn)行初始化。同時(shí)，單片機也通過(guò)AT命令以MC35模塊進(jìn)行初始化，包括監控中心的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(guò)PPP協(xié)議與Internet連接。單片機通過(guò)定時(shí)循環(huán)方式采集各個(gè)傳感器的參數并分別存入各自的數據緩沖區中。主程序通過(guò)循環(huán)方式判斷A/D數據緩沖區是否有數據，如果有，就將數據交給TCP/IP協(xié)議棧處理，并通過(guò)MC35發(fā)送。利用串口中斷程序可判斷是否有來(lái)自MC35的數據，如果有，就將數據交給TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行處理，進(jìn)而控制繼電器工作。
4 監控中心軟件設計
監控中心采用VC與sq12000來(lái)對終端采集到的數據進(jìn)行顯示、存儲、打印等。由于本系統將對多個(gè)油井的參數進(jìn)行監控，所以在軟件設計時(shí)應對每個(gè)尚未井開(kāi)設一個(gè)線(xiàn)程，每個(gè)線(xiàn)程監聽(tīng)不同的端口，同時(shí)獨立接收和處理數據。數據處理包括將接收到的各個(gè)參數存儲到數據庫中，同時(shí)在主界面上用曲線(xiàn)實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。該系統對每個(gè)參數設置了警戒線(xiàn)，一旦超過(guò)該警戒線(xiàn)，計算機將立刻報警。其中包括電壓過(guò)壓、欠壓、電流過(guò)流、抽油機停工、漏油、盜油報警等。對于電壓過(guò)壓、欠壓、電流過(guò)流等報警，監控中心會(huì )向終端設備發(fā)送控制命令以停止設備的工作。此外，該系統還可以對錄入數據庫的數據產(chǎn)生報表并打印。
5 結束語(yǔ)
本文以8位單片機、現存的GPRS模塊及一些簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現了油田油井工作狀態(tài)的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監控。該系統的成本低，可靠性高，在油田油井監控中具有廣泛的應用前景。
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