基于嵌入式云技術(shù)的油井液位遠程測試系統

摘要：針時(shí)油井液位遠程測試系統中現場(chǎng)嵌入式設備計算資源不足和不能滿(mǎn)足遠程實(shí)時(shí)監控的問(wèn)題，本文基于云計算技術(shù)，設計和實(shí)現了一套嵌入式云測試系統?；趤嗰R遜公司的Eucalyptus(桉樹(shù))云平臺實(shí)現了云測試監控中心的功能。測控現場(chǎng)端采用STM32F103微處理器和S3C 2440A微處理器實(shí)現了測控節點(diǎn)和嵌入式測控服務(wù)器的硬件開(kāi)發(fā)，嵌入式測控服務(wù)器在嵌入式Linux操作系統的支撐下，通過(guò)KVM、QEMU實(shí)現了測試設備的虛擬化，測控節點(diǎn)和測控服務(wù)器之間采用Modbus通信協(xié)議。系統實(shí)現了實(shí)時(shí)測試和遠程實(shí)時(shí)測控的功能，測試結果表明，能滿(mǎn)足實(shí)際應用的需求。

在油井開(kāi)采過(guò)程中，為了解油井的產(chǎn)油能力，掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，測量油井的液位是一項經(jīng)常性的工作。因此，對此測量液位的實(shí)時(shí)監控以及能快速的測取、分析數據和存儲數據就顯得尤為重要。

然而針對油井的動(dòng)態(tài)液位測量必須進(jìn)行人工手持發(fā)生裝置、傳感器和測距儀等到油井現場(chǎng)去測試，并且對于測距儀的計算能力，以及存儲資源的不足，選用現在越來(lái)越成熟的云計算技術(shù)來(lái)解決。云計算通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)非本地的計算服務(wù)(包括數據處理、存儲、和信息服務(wù)等)的技術(shù)，其計算設施不在本地而在網(wǎng)絡(luò )中，用戶(hù)不需要關(guān)心他們所處的具體位置。嵌入式云計算具備通用化構件、虛擬化管理特征，也可以更加有效地降低構件成本，提高資源利用率，同時(shí)顯著(zhù)提高了系統的整體可靠性。傳統的本地油井測量測試存在很多問(wèn)題，如測試工具費用昂貴;并且由于本地測試環(huán)境的限制，難以獲得超大規模的計算能力;測試環(huán)境難以部署，測試資源準備繁瑣、測試積累比較匱乏等一系列問(wèn)題，這些都制約了測試工作的進(jìn)展。而云測試是基于云計算的一種新型測試方案。

為此，文中設計開(kāi)發(fā)出一種基于開(kāi)放式控制標準、具備完善通訊聯(lián)網(wǎng)能力的嵌入式云測試系統，應用于油井動(dòng)態(tài)液面測量中。云計算平臺采用亞馬遜公司的開(kāi)源項目Eucalyptus(桉樹(shù))云，實(shí)現了云測試監控中心的功能?，F場(chǎng)嵌入式測控服務(wù)器的終端節點(diǎn)作為云測試平臺中的NC節點(diǎn)?，F場(chǎng)測控服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò )接口采用無(wú)線(xiàn)WiFi技術(shù)或TCP/IP技術(shù)可與Internet/Intranet無(wú)縫集成，達到了“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)”的測試系統。

其在嵌入式Linux系統的支撐下，通過(guò)移植KVM、QEMU虛擬機，實(shí)現了測試設備的虛擬化，測控節點(diǎn)和測控服務(wù)器之間采用Modbus通信協(xié)議。系統實(shí)現了實(shí)時(shí)測試和遠程實(shí)時(shí)測控的功能，能有效地提高采油井的測試效率，節省人力物力財力，更節省了寶貴的時(shí)間。

1 系統體系結構

本文設計的嵌入式云測試系統是由云測試監控中心和現場(chǎng)測控兩部分構成，現場(chǎng)測控設備由嵌入式測控節點(diǎn)與嵌入式云服務(wù)器構成。測控的總體結構如圖1所示。

本文基于亞馬遜公司的Eucalyptus(桉樹(shù))云平臺實(shí)現了云測試監控中心的功能。Eucalyptus是用于完成對各種虛擬設備、虛擬機實(shí)例的全局性監控，對整個(gè)集群的計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò )資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。在云測試監控中心，當有遠程客戶(hù)端的請求命令時(shí)，其可以為應用對象提供訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)，實(shí)現有效的遠程控制與管理。網(wǎng)絡(luò )化測控服務(wù)器作為云測試平臺中重要的NC節點(diǎn)。其中，現場(chǎng)嵌入式測控節點(diǎn)完成數據采集和控制開(kāi)關(guān)等工作;對于現場(chǎng)嵌入式測控服務(wù)器，實(shí)現設備的虛擬化，為遠程使用現場(chǎng)設備提供條件。

2 嵌入式測控服務(wù)器和測控節點(diǎn)硬件結構

現場(chǎng)嵌入式測控服務(wù)器和測控節點(diǎn)的系統硬件按功能主要分為：核心控制模塊、網(wǎng)絡(luò )通信模塊、數據分析及處理模塊和數據采集、繼電器控制模塊等。硬件結構分別如圖2、圖3所示。

1)核心控制部分。以三星公司生產(chǎn)的S3C244OA作為主控芯片，其采用ARM920T內核。以ARM Cortex—M3內核的STM32增強型系列芯片STM 32F103VET6微處理器。

2)信號調理電路。主要是對微音器采集到的聲音信號進(jìn)行調理，而設計的調理電路。其目的就是將聲音信號模擬量經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的信號調理送入到16位高分辨率的4路模擬量串行輸入A/D轉換器件ADS8341，將轉換之后的數字量送入主控制器。

3)網(wǎng)絡(luò )部分。包括以太網(wǎng)接口及WIFI網(wǎng)絡(luò )模塊。外接的以太網(wǎng)模塊采用的是DM9000E 100M網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊;WIFI網(wǎng)絡(luò )模塊采用的是基于SPI接口marvell 88w8686 wifi網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊;通過(guò)其中任何一個(gè)模塊都可以建立嵌入式測控服務(wù)器與該云測試系統網(wǎng)絡(luò )之間的數據通信。

4)外圍接口電路。包括：電源電路、時(shí)鐘電路、復位電路、JTAG接口電路、NandFlash/NorFlash選擇電路、串口電路、以太網(wǎng)接口。

現場(chǎng)測控完成了對聲音和壓力信號的數據采集、信號調理和繼電器等控制工作。聲音信號、壓力信號采集模塊與繼電器驅動(dòng)模塊是實(shí)現測控的基本模塊。串口RS485模塊是測控節點(diǎn)與嵌入式測控服務(wù)器實(shí)現交互的主要通信接口。

3 軟件設計

本文采用的是嵌入式Linux操作系統。Bootloader移植的是U-boot-1.1.6.tar.gz，Linux內核版本為2.6.25.8.。

3.1 虛擬化技術(shù)

3.1.1 KVM虛擬機技術(shù)

KVM(Kernel-based Virtual Machine)是一種基于Linux內核的虛擬機，它是一種全新的開(kāi)源的虛擬機技術(shù)。在KVM模型中，每一個(gè)虛擬機都是一個(gè)由Linux調度程序管理的標準進(jìn)程。一個(gè)普通的Linux進(jìn)程有兩種運行模式：內核和用戶(hù)。而KVM增加了第3種模式：客戶(hù)模式(有自己的內核和用戶(hù)模式。)KVM由2個(gè)部分組成：一個(gè)是管理虛擬硬件的設備驅動(dòng)，該驅動(dòng)使用字符串設備/dev/kvm做為管理接口;另一個(gè)是模擬硬件的用戶(hù)空間組件，這是一個(gè)需要做修改的qemu進(jìn)程。

3.1.2 移植KVM到ARM架構平臺

本文采用KVM虛擬化方案，來(lái)實(shí)現在A(yíng)RM處理器硬件架構平臺上的虛擬化，即設備的虛擬化，為遠程使用現場(chǎng)設備提供條件。在KVM中，通過(guò)打開(kāi)設備節點(diǎn)“/dev/kvm”就可以創(chuàng )建一個(gè)虛擬機。這里需要對載有KVM模塊的Linux內核進(jìn)行修改，使之能夠支持ARM架構。盡管KVM提供了可以被所有用戶(hù)空間仿真器使用的通用接口，然而QEMU是唯一的可以執行這些數據的工具。

3.1.3 編譯QEMU

QEMU擁有支持ARM主機與客戶(hù)環(huán)境的仿真技術(shù)，在QEMU仿真環(huán)境下忽略了試圖使KVM有效的操作，因此需要對QEMU進(jìn)行修改以使KVM能夠運行。QEMU是一個(gè)用戶(hù)級與系統級的仿真器，它在KVM上下文環(huán)境中被當作用戶(hù)空間的應用程序運行，它與用戶(hù)操作系統相互配合，向內核模塊發(fā)送消息并對I/O和其它設備進(jìn)行仿真，通過(guò)編輯QEMU的配置和運行時(shí)的參數可以使QEMU能夠支持KVM。在交叉編譯時(shí)，除了需要關(guān)注交叉編譯的設置外，還需要修改內核和設置KVM參數。

3.1.4 創(chuàng )建并運行虛擬機

Eucalyptus實(shí)現基本的簡(jiǎn)單的虛擬機管理功能，它的主要目標是將基本的虛擬化管理API化。簡(jiǎn)單易用，擴展方便。用戶(hù)可以通過(guò)euca 200ls工具制作鏡像，上傳之后可以通過(guò)命令行運行實(shí)例。查看實(shí)例運行情況，停止，重啟自己的實(shí)例。也可以通過(guò)web界面查看已上傳鏡像，并禁止自己上傳的鏡像，修改自己的資料。也可以作為用戶(hù)存儲文件和數據的地方。創(chuàng )建的鏡像和運行的虛擬機，如圖4所示。

圖4中的方框部分顯示出，虛擬機的內核編號、鏡像編號、IP地址和運行實(shí)例，并且成功運行登入進(jìn)虛擬機實(shí)例。

3.2 數據采集與測深計算

數據采集是測控系統的基礎，是由以STM32F103微處理器為核心的現場(chǎng)測控節點(diǎn)完成，將采集到的聲音信號發(fā)送給現場(chǎng)嵌入式測控服務(wù)器，其采用ModBus協(xié)議進(jìn)行通信。云測試監控中心將聲音信號數據通過(guò)去野值、接箍波提取、液面回波提取、FFT變換等一系列程序處理后，最終得到油井液位的深度。

3.3 ModBus通訊協(xié)議和協(xié)議棧移植

本文選用完全符合工業(yè)標準的Modbus通訊協(xié)議。Mod bus通訊協(xié)議，讀保持寄存器(0x03)、讀輸入寄存器(0x04)等15個(gè)常用功能碼，完全能滿(mǎn)足工業(yè)應用要求。

Modbus協(xié)議支持Modbus RTU/ASCII/TCP 3種傳輸方式，其移植可以基于串口或網(wǎng)口來(lái)完成，從而實(shí)現MobusRTU/ASCII或Mobus TCP幀的處理，這點(diǎn)與協(xié)議棧具體應用場(chǎng)景、使用的處理器平臺、硬件接口密切相關(guān)。本文采用ModBus RTU傳輸方式進(jìn)行現場(chǎng)嵌入式測控設備之間的通訊。ModBus主機協(xié)議中Commun層和從機協(xié)議中Port層，都是將Modbus的物理層鏈路與具體平臺的硬件驅動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，該層本質(zhì)上完成不同鏈路上數據幀的接收工作。Modbus中的各個(gè)功能碼操作函數都是平臺無(wú)關(guān)的，應用程序通過(guò)解析數據幀中的功能碼查找函數指針，并最終執行功能碼函數。Mbm.c和mb.c文件為用戶(hù)應用程序提供了調用接口，對Modbus不同的傳輸方式(RTU、ASCII、TCP)進(jìn)行了統一的管理。

Modbus RTU屬于Modbus數據幀在串行鏈路上的傳輸模式?；赗TU的Modbus主要移植步驟如下：

1)232/485接口驅動(dòng)。在主機協(xié)議的Commun層和從機協(xié)議port層portserial.c中完成串口相關(guān)函數的編寫(xiě)，包括串口初始化、數據發(fā)送、數據接收、中斷處理等。

2)定時(shí)器功能。在主機協(xié)議的mbm.c中，采用線(xiàn)程進(jìn)行定時(shí)器;在從機協(xié)議的port層porttimer.c中完成定時(shí)器相關(guān)函數的編寫(xiě)，包括定時(shí)器的初始化、定時(shí)器的使能與禁止、超時(shí)中斷函數等。

現場(chǎng)測控系統采用Modbus RTU數據幀進(jìn)行傳輸，設計中利用操作系統提供的多任務(wù)環(huán)境，創(chuàng )建Modbus RTU服務(wù)任務(wù)來(lái)管理和響應數據幀。

根據實(shí)際需要，用戶(hù)可以刪減不必要的功能碼或增加自定義功能碼，協(xié)議的可裁剪性與擴展性非常好。本設計中使用到的功能碼與Modbus地址間的對應關(guān)系如表1所示。在程序中可以根據表1所對應的功能碼來(lái)讀寫(xiě)數據。

4 系統測試

采用本文提出的方法，設計出的這套云測試系統。在華北油田進(jìn)行了30多口井次試驗，其中包括多種井況，得到聲速、時(shí)間和深度，聲速的范圍335～343 m/s，深度的誤差范圍1.0～3.0 m，通過(guò)瀏覽器遠程訪(fǎng)問(wèn)本節點(diǎn)，啟動(dòng)數據采集，得到的結果如表2所示。

現場(chǎng)試驗結果表明，通過(guò)得到的聲音信號波形與油井動(dòng)態(tài)液面的深度測量值，其誤差較小，滿(mǎn)足實(shí)際應用需求。

5 結束語(yǔ)

文中基于云測試技術(shù)，設計實(shí)現了一套網(wǎng)絡(luò )化嵌入式云測控系統，在開(kāi)源Linux系統的支撐下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )化傳感器和虛擬化等技術(shù)實(shí)現了遠程數據的采集、實(shí)時(shí)測試和遠程實(shí)時(shí)監控;對采集到的聲音信號進(jìn)行濾波、測深算法很好的消除了由現場(chǎng)惡劣環(huán)境帶來(lái)的噪聲并得到了相應的接箍波和液面回波的波形曲線(xiàn)，在華北油田試驗結果得到的波形也比較理想。在現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )化嵌入式測控系統中，系統提供了多接口，實(shí)現了智能測控節點(diǎn)的遠程維護。以S3C2440A為核心的主控制器，作為現場(chǎng)嵌入式測控服務(wù)器，通過(guò)RS485硬件接口，采用ModBus通訊協(xié)議，分別監控多個(gè)以STM32F103為核心主控制器的現場(chǎng)嵌入式測控節點(diǎn);在Linux操作系統的支撐下，通過(guò)KVM，QEMU完成了設備的虛擬化，為遠程使用現場(chǎng)設備提供條件;在Linux和μC/OS-II操作系統上，分別移植符合工業(yè)標準的Modbus主機協(xié)議棧和從機協(xié)議棧，并基于多線(xiàn)程、多任務(wù)環(huán)境實(shí)現了對Modbus RTU數據幀的響應和處理，實(shí)現系統終端設備的多通道、智能化、網(wǎng)絡(luò )化控制。

實(shí)際運行結果表明，該智能云測控節點(diǎn)穩定可靠，性?xún)r(jià)比高，通用性與適應性強。該嵌入式云測試系統及相關(guān)技術(shù)還可適用于其他網(wǎng)絡(luò )化測控系統，在云測試發(fā)展的各個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。