基于GPRS的油井自动化监控系统

    摘要：介绍一种基于GPRS油井自动化监控系统的软、硬件实现方法。该方法已针对该系统的具体特点，在嵌入式设备中对TCP/IP协议栈进行了裁减。

    关键词：PRS；TCP/IP；油井监控

当前，无论从功能还是从可靠性来讲，没有一个无线网可以与移动通信网相比拟。移动通信网的总体优点：一是覆盖地域广，目前移动通信网在全国的覆盖率达95%以上，非边远地区覆盖率几乎是100%。二是通信距离远，在任何场合都可以设中心站。三是网络可靠性高。四是稳定性好，抗自然干扰能力强。GPRS是移动通信网中的一种新技术，目前已完成无线Internet接入。这种技术在数据传输时，会将数据封装进每个分组，网络容量仅在需要时才分配，一旦分组完成发送任务，信道容量将立即释放，枚可提供即时连接和高效传输，以实现实时在线功能。因此，它是一种高铲经济的分组数据技术。

由于油田油井大多都分布在各采油场，且各油场也较分散，环境较差。因此，采用有线或人工对油井工作状态进行监控将要花费较高的成本。而采用GPRS无线通讯技术无论在成本、还是在可靠性方面都比较适合油井监控。

1 系统总体设计

本油井自动化监控系统主要由采油场监控中心服务器和终端数据采集设备组成。分布在各采油场的油井工作状态参数通过终端数据采集设备（见图1）采集，并通过嵌入在单片机中的TCP/IP协议栈将数据打包，再由GPRS模块MC35传到GPRS网络（GPRS网络通过路由器与Internet相连），最后将数据包发送到具有固定IP地址的油场监控中心服务器端口以便在监控中心实时监控油井的工作参数。当有异常情况时，中心控制计算机会立即向终端数据采集设备发送控制命令数据包，当单片机从GPRS模块接收到数据包后便可通过解包得到控制命令，从而控制正在运行的设备。该系统的总体框图如图1所示。

本系统的终端设备硬件设计结构框图如图2所示。一般情况下，油井工作状态参数主要有井口温度、井口油压、井口套压、电压、电机电流及被监控开关的断/合等。因此，在硬件设计是要用到相应的传感器。由传感器将采集到的模拟参数送入各自的信号调理单元进行处理（放大、滤波等）。调理后的信叫经MUX多路开关进入12位A/D转换器，最后送入单片机。由于参数较多，所以单片机通过控制MUX多路转换开关并采用定时循环方式采集各个传感器的参数。采集到的数据通过嵌入ROM存储器的TCP/IP协议栈打包处理，再由GPRS模块MC35将数据传输到GPRS网络。为了调试方便，可将单片机的串口扩展电路扩展成2个串口。一个怀GPRS模块相连，另一个与上位机相连，采集的数据可以通过上位机观察是否正确。继电器用于控制电机电源，当有异常时，中心控制计算机将立即向终端发现控制命令，使单片机可以通过GPRS模块接收到控制命令并控制继电器使电机停机。为了使单片机能够可靠地控制继电器，可在单片机输出引脚加上U2003驱动电路。由于油井现场采用的是22V0交流电，所以需要将交流电通过电源模块转换成5V直流电压给单片机供电。作了给单片机供电外，还要将5V直流电压经过DC/DC转换成4V以供GPRS模块使用。

    为了降低成本，本系统选用Atmel公司的AT89C51型单片机，并对存储器进行了扩展，以存储接收的以太网数据包，这样能够提高单片机的数据传输速度。AT89C51只有一个串口，而在系统中要用到2个串口。故采用成都视普科技有限公司的SP2338将一个UART串行口扩展成3个全新的全双式UART串行口，3个子串口的波特率最高可达9600b/s，所有UART串行口均可同时独立接收数据和发送数据。GPRS模块是西门子的MC35型模块。该模块可提供40线的ZIP接口（包括电源接口，电压范围为3.3V~4.4V）、SIM卡接口、标准RS232双向接口、模拟语音接口等。MC35具有GSM900和GSM18002个频段，可支持2种工作模式：一种是电路交换模式CSD，这种模式可支持语音、数据、SMS和FAX业务；一种是分析交换模式GPRS，该模式采用多时限，可支持CS1-CS4编码和端对端协议栈。

通用分组无线业务（GPRS）能提供基于IP的服务，并可与internet互连。因此，本设计利用TCP/IP协议来对GPRS业务数据进行打包和解包。由于本设计中采用的是8位单片机，资源比较有限，所以对TCP/IP协议进行了简化。其TCP/IP协议结构如图3所示。

    由于本系统只对油井工作参数进行传递，所以可对TCP/IP结构进行大量的裁减。其中应用层只需用到HTTP协议。而在传输层用TCP传输控制协议有助于提高数据通信的可靠性。网络层需要用到IP、ARP/RARP、ICMP，其中IP的作用是提供高可靠和无连接的数据包传送服务，ARP/RARP协议完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于监测网络通讯状况，由于采用的是无线通讯方式， 易出现掉线情况，所以单片机通过定时监控中心发送ICMP回显请求，并通过实时监测、掉线得拨主式来确保终端设备实时在线。数据链路层采用GPRS支持的PPP协议。通过裁减TCP/IP协议既能满足功能的需要，也可以节约单片机的存储器资源。

数据打包、解包处理时，可先由单片机采集油井工作参数。该参数要通过TCP/IP协议栈的每一层，并且每一层都应把自己的信息添加到数据头中，这样在通过MC35传输前工作参数就可被封装成IP数据包以便在internet上传输和接收。单片机接收监控中心的IP数据包时，其过程与封装数据包的过程相反，即在经过TCP/IP协议栈的每一层，都应当将相应层的头信息剥离，最后得到可用的控制命令。其终端设备程序流程如图4所示。

单片机上电后，系统先对A/D、串口，MUX多路转换开关等进行初始化。同时，单片机也通过AT命令以MC35模块进行初始化，包括监控中心的IP地址及端口、SIM卡检查、GPRS服务号码配置等。MC35初始化后，就可以通过PPP协议与Internet连接。单片机通过定时循环方式采集各个传感器的参数并分别存入各自的数据缓冲区中。主程序通过循环方式判断A/D数据缓冲区是否有数据，如果有，就将数据交给TCP/IP协议栈处理，并通过MC35发送。利用串口中断程序可判断是否有来自MC35的数据，如果有，就将数据交给TCP/IP协议栈进行处理，进而控制继电器工作。

4 监控中心软件设计

监控中心采用VC与sq12000来对终端采集到的数据进行显示、存储、打印等。由于本系统将对多个油井的参数进行监控，所以在软件设计时应对每个尚未井开设一个线程，每个线程监听不同的端口，同时独立接收和处理数据。数据处理包括将接收到的各个参数存储到数据库中，同时在主界面上用曲线实时地显示出来。该系统对每个参数设置了警戒线，一旦超过该警戒线，计算机将立刻报警。其中包括电压过压、欠压、电流过流、抽油机停工、漏油、盗油报警等。对于电压过压、欠压、电流过流等报警，监控中心会向终端设备发送控制命令以停止设备的工作。此外，该系统还可以对录入数据库的数据产生报表并打印。

本文以8位单片机、现存的GPRS模块及一些简单的外围电路实现了油田油井工作状态的无线实时监控。该系统的成本低，可靠性高，在油田油井监控中具有广泛的应用前景。