嵌入式油田无线远程监控系统的研究和设计黄家才。等 嵌入式油田无线远程监控系统的研究和设计 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｒｅｍｏｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｏｉｌ Ｆｉｅｌｄ 簧家力 李宏舱 邦 缔 （南京工程学院自动化学院，江苏南京２１１１６７） 摘要：针对目前各种监控技术存在的缺点，提出了一种基于嵌入式系统与ＧＰＲＳ的油田无线远程监控系统，介绍了系统的总体框架 与具体实现。系统以嵌入式微处理器ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ为核心，基于￣ｘＣ／ＯＳ一Ⅱ实时操作系统，通过无线射频芯片ＣＣ１１００实现油田现场 多点数据的实时采集；同时，利用ＧＰＲＳ无线模块把采集到的数据发送给远程监控中心，监控中心接收并处理数据，最后将结果显示给 用户或发出监控命令。该无线远程监控技术在油田领域具有较好的应用前景。 关键词：油田ＧＰＲＳ ＣＣ１１００远程监控无线嵌入式系统 中图分类号：ＴＰ２７４＋．５ 文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＧＰＲＳ－ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｏｉｌ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｉｔｓ ｏｖｅｒａｌｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｄｅｔａｉｌｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ，ａｎｄ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ，ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｐ ＣＣ１ １００，ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｕｌｔｉ—ｐｏｉｎｔ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｉｅｌｆｄ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ。ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＧＰＲＳ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｄｕｌｅ， ｔｈｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｉｓ ｓｅｎｔ ｔｏ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｓｈｏｗｎ ｔｏ ｕｓｅｒｓ ｏｒ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｃｏｍｍａｎｄ ｉｓ ｓｅｎｔ ｏｕｔ．Ｔｈｉｓ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｂｅｔｔｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｏｉｌ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｉｌ ｆｉｅｌｄ ＧＰＲＳ ＣＣ１ １００ Ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ Ｏ 引言 油田的数据信息是油田生产过程中的重要参数。 目前，对油田数据的采集方式主要有人工读取、有线自 监控中心三大部分，系统原理如图１所示。 区 ＼ ， 动采集和无线自动采集三种。其中，人工读取方式必 须由固定的工作人员每隔一段时间上报一次油田数 据，浪费时间和人力。有线自动采集方式通过电缆把 母 ｌ苎兰 苎兰竺卜Ｊ 图１ 系统原理框图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ 现场数据传输到控制中心的计算机上，但现场布线复 杂、成本高。无线自动采集方式通过无线通信设备把 油田数据实时传送到远程计算机，但功耗较大，且传输 距离短、采集现场布线复杂。 系统中无线采集终端分布在油田现场，可由电池供 电，构成一个无线局域网，用以采集油田各点的压力、温 度和流量等数据，并把采集到的数据打包，通过无线ＲＦ 网络发送到嵌入式中继器。嵌入式中继器把各无线采 集单元发来的打包数据通过ＧＰＲＳ模块以及ＧＰＲＳ网 络／互联网发送到远程监控中心。远程监控中心收到中 针对以上各种现有技术存在的缺点，本文提出一 种基于嵌入式系统与ＧＰＲＳ的油田远程无线监控系 统。该系统无需在现场进行繁琐的电缆布线，便可对 现场参数实时采集与远传，具有实时性强、可靠性高以 继器发来的数据后，形成报表等显示给用户。 上述无线远程监控分为以下三种工作模式。 及结构小巧等特点。 ①连续监控，即各无线采集终端按照设定的间隔 １ 系统总体设计方案 本系统包括无线采集终端、嵌入式中继器和远程 南京工程学院校级科研基金资助项目（编号：ＫＸＪ０８０１０）。 修改稿收到日期：２０１０—１２—１３。 周期采集数据，并通过中继器远传到监控监控中心。 ②断续监控，即需要对现场数据监控时，由监控 中心发出一次监控命令给中继器，中继器把该命令下 发到各无线采集终端。无线采集终端接到该命令后立 第一作者黄家才，男，１９７７年生，２ＯＯ６年毕业于吉林大学控削科学与控制 工程专业，获博士学位，副教授；主要从事信号检测、智能控制方面的研究。 即完成数据采集以及数据传输，最终远程监控中心收 到各采集终端发来的数据。 ４６ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｋ ３２ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１１ 嵌入式油田无线远程监控系统的研究和设计黄家才。等 ③个别监控，即对指定的现场采集终端进行数据 监控。 此外，嵌入式微控制器还把各无线采集终端发来 的数据备份到存储模块中，当用户需要现场查看时，可 上述三种方式使远程监控更加灵活方便。 通过键盘模块和显示模块进行操作。 电源管理模块负责把油井现场２２０ Ｖ交流电用电 源转换模块转换成３．３ Ｖ直流电源，为微控制器和 ２系统硬件电路设计 下面分别介绍嵌入式中继器、无线采集终端和远 程监控中心这三部分的硬件组成。 ２．１嵌入式中继器设计 ＧＰＲＳ模块等供电。 ２．２无线采集终端设计 无线采集终端负责对现场工作参数进行采集，并 通过无线发射模块将数据发送到中继器。其中，低功 嵌入式中继器是数据传输的桥梁 ，其原理如 图２所示。其中嵌入式微控制器采用基于Ｃｏｄｅｘ—Ｍ３内 核的ＳＴＭ３２ＦｌＯ３ＺＥ模块 。Ｃｏｄｅｘ—Ｍ３是一种基于 ＡＲＭ７ｖ架构的最新ＡＲＭ嵌入式内核，它采用哈佛结 构，使用分离指令和数据总线，具有基础内核小、价格 低、速度快等优点。本系统采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ作为中 继器的ＭＣＵ进行总体设计，可使中继器具有更好的性 能以及更低的功耗。 图２ 中继器原理框图 Ｆｉｇ．２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｐｅａｔｅｒ 无线发射模块由无线射频芯片ＣＣ１１００构成，嵌 入式微控制器通过ＳＰＩ接口与ＣＣ１１００通信，获取各无 线采集终端发来的数据。本系统选用Ｃ１１００射频芯片 作为无线收发器具有如下优势 。 ①具有４３３／８６８／９１５ ＭＨｚ三个波段载波频率，支 持２一ＦＳＫ、ＧＦＳＫ和ＭＳＫ调制方式，抗干扰能力极强， 适用于环境恶劣的生产现场。 ②传输能力较强，空旷传输距离达５００ ｉｎ，增加功 放模块（ＰＡ）后则可达１ ２００ ｍ。 ③ＣＣ１１００是一种低成本、可灵活配置的单片 ＵＨＦ收发器，且功耗很低，完全可以采用电池供电。 从ＣＣ１１００的传输距离可以看出，无线采集终端 可以放置在以中继器为中心、半径为５００ ｉｎ（加功放则 为１ ２００ ｍ）的范围内，完全满足了油田现场数据采集 的距离要求。 ＧＰＲＳ模块采用西门子ＭＣ３５。该模块提供标准 ＲＳ－２３２双向接口、４０线ＺＩＰ接口和ＳＩＭ卡接口等。嵌 入式微控制器首先通过内部串口与ＧＰＲＳ模块相连， 把各采集终端发来的数据通过嵌入到内部程序存储器 的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈打包处理，再由ＧＰＲＳ模块将数据传 输至ＧＰＲＳ网络，最终到达远程监控中心。 《自动化仪表》第３２卷第ｌ１期２０１１年ｌ１月 耗处理器选用ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０Ｆ４２５０微处理器 ， 其最大特点就是低功耗、可电池供电。ＭＳＰ４３０Ｆ４２５０ 一般处于休眠状态，ＣＣ１ １００被配置为电磁波唤醒模式 且平时处于休眠状态，以节省功耗。当ＣＣ１１００接收 到中继器发来的命令时，则退出休眠状态，并唤醒 ＭＳＰ４３０Ｆ４２５０微处理器进人相应的处理程序。 ＭＳＰ４３０Ｆ４２５０控制电池管理模块给传感器供电；当 ＣＣ１ １００完成数据采集和无线传输后，再次进入休眠状 态。无线采集终端原理框图如图３所示。 图３ 无线采集终端原理框图 Ｆｉｇ．３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｌ 每个采集终端采用３．３ Ｖ电池供电，避免了繁琐 的布线。由于ＣＣ１１００的传输距离较远，因此，采集终 端和中继器构成～个大范围的无线局域网，然后通过 ＧＰＲＳ模块把数据远传到监控中心。 ２．３远程监控中心设计 远程监控中心主要由数据服务器和监控计算机组 成。监控计算机使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０集成 开发环境以及ＳＱＬ２００８，并通过Ｗｉｎｓｏｃｋ控件访问Ｉｎ— ｔｅｌｎ＇ｅｔ，获取中继器发来的数据 ］，最后进行显示、存 储和打印等操作。 ３系统软件设计 系统软件设计主要包括嵌入式中继器、无线采集 终端和监控中心这三部分软件设计。 ３．Ｉ嵌入式中继器软件设计 由于嵌入式中继器要同时处理与ＣＣ１１００的通 信、与ＧＰＲＳ的通信以及数据备份和人机接口等多个 任务，为保证中继器具有较好的实时陛，嵌入式微控制 器ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ移植了ｗＣ／ＯＳ—ＩＩ实时操作系统。 Ｉ￣Ｃ／ＯＳ－１１是一个使用ＡＮＳＩＣ语言编写的、完整的、可 ４７ 嵌入式油田无线远程监控系统的研究和设计 黄家才，等 移植、固化、剪裁的抢占式实时多任务内核。它包含小 ３．３监控中心软件设计 部分的汇编代码，使其可以供不同构架的微处理器使 用。中继器程序流程图如图４所示。 监控中心使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０集成开发 环境以及ＳＱＬ２００８，通过Ｗｉｎｓｏｃｋ控件访问Ｉｎｔｅｒｎｅｔ获取 中继器发来的数据，并进行显示、存储和打印等。具体 实现过程是通过函数ＲｅｃｅｉｖｅＦｒｏｍ（１ｏｎｇ ｓｚＢｕｆｆｅｒ，ｌｏｎｇ 进入主函数ｍａｉｎＯ ● ｎＬｅｎｇｔｈ，ｌｏｎｇ ｓｚＳｒｃＶＩＰ，ｌｏｎｇ ｎＦｌａｇｓ）接收中继器由 调用ＯＳｌｎｉｔＯ进行操作系统初始化 ● ＧＰＲＳ发来的数据，并放到ｓｚＢｕｆｆｅｒ［］数组中；通过Ｓｅｎｄ． Ｔｏ（１ｏｎｇ ｓｚＢｕｆｆｅｒ，ｌｏｎｇ ｎＬｅｎｇｔｈ，ｌｏｎｇ ｓｚＤｅｓｔＶＩＰ，ｌｏｎｇ 系统时钟初始化 ● ｝ 【创建ｃＣＬＩＯ０双向通信任务 ● ｎＦｌａｇｓ）函数把命令发给中继器。 创建ＧＰＲＳ双向通信任务 ● ４ 结束语 本文基于嵌入式系统与ＧＰＲＳ，设计了油田无线 远程监控系统。该系统的特点如下：①无线采集终端 采取低功耗设计方案，电池供电，不需要现场提供额外 电源，避免了现场繁琐的电缆布线，降低了成本，特别 ｌ创建人机接口任务 ＋ ｌ ￣ＯＳＳｔａ州）肩动操作系统 图４ 中继器程序流程图 Ｆｉｇ．４ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｒｅｐｅａｔｅｒ 适合于油田采集点分散且布线困难的场合；②远程监 控中心可以远离生产现场，实时接收各采集终端发来 的数据，并自动生成报表，有利于集中管理并极大地提 ３．２无线采集终端软件设计 每个无线采集终端都有自己的地址。无线采集终 端程序流程图如图５所示。 高了工作效率；③中继单元采用嵌入式微控制器，进一 步提高了系统的实时性以及整体性能。该无线远程监 控技术在油田领域有很好的应用前景。 参考文献 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