摘要：介紹一種基于GPRS油井自動化監控系統的軟、硬件實現方法。該方法已針對該系統的具體特點，在嵌入式設備中對TCP/IP協議棧進行了裁減。

關鍵詞：PRS；TCP/IP；油井監控

引言

當前，無論從功能還是從可靠性來講，沒有一個無線網可以與移動通信網相比擬。移動通信網的總體優點：一是覆蓋地域廣，目前移動通信網在全國的覆蓋率達95%以上，非邊遠地區覆蓋率幾乎是100%。二是通信距離遠，在任何場合都可以設中心站。三是網絡可靠性高。四是穩定性好，抗自然干擾能力強。GPRS是移動通信網中的一種新技術，目前已完成無線Internet接入。這種技術在數據傳輸時，會將數據封裝進每個分組，網絡容量僅在需要時才分配，一旦分組完成發送任務，信道容量將立即釋放，枚可提供即時連接和高效傳輸，以實現實時在線功能。因此，它是一種高鏟經濟的分組數據技術。

由于油田油井大多都分布在各采油場，且各油場也較分散，環境較差。因此，采用有線或人工對油井工作狀態進行監控將要花費較高的成本。而采用GPRS無線通訊技術無論在成本、還是在可靠性方面都比較適合油井監控。

1 系統總體設計

本油井自動化監控系統主要由采油場監控中心服務器和終端數據采集設備組成。分布在各采油場的油井工作狀態參數通過終端數據采集設備（見圖1）采集，并通過嵌入在單片機中的TCP/IP協議棧將數據打包，再由GPRS模塊MC35傳到GPRS網絡（GPRS網絡通過路由器與Internet相連），最后將數據包發送到具有固定IP地址的油場監控中心服務器端口以便在監控中心實時監控油井的工作參數。當有異常情況時，中心控制計算機會立即向終端數據采集設備發送控制命令數據包，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關的斷/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行處理（放大、濾波等）。調理后的信叫經MUX多路開關進入12位A/D轉換器，最后送入單片機。由于參數較多，所以單片機通過控制MUX多路轉換開關并采用定時循環方式采集各個傳感器的參數。采集到的數據通過嵌入ROM存儲器的TCP/IP協議棧打包處理，再由GPRS模塊MC35將數據傳輸到GPRS網絡。為了調試方便，可將單片機的串口擴展電路擴展成2個串口。一個懷GPRS模塊相連，另一個與上位機相連，采集的數據可以通過上位機觀察是否正確。繼電器用于控制電機電源，當有異常時，中心控制計算機將立即向終端發現控制命令，使單片機可以通過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驅動電路。由于油井現場采用的是22V0交流電，所以需要將交流電通過電源模塊轉換成5V直流電壓給單片機供電。作了給單片機供電外，還要將5V直流電壓經過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，并對存儲器進行了擴展，以存儲接收的以太網數據包，這樣能夠提高單片機的數據傳輸速度。AT89C51只有一個串口，而在系統中要用到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9600b/s，所有UART串行口均可同時獨立接收數據和發送數據。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、標準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、數據、SMS和FAX業務；一種是分析交換模式GPRS，該模式采用多時限，可支持CS1-CS4編碼和端對端協議棧。

3 終端設備軟件設計

通用分組無線業務（GPRS）能提供基于IP的服務，并可與internet互連。因此，本設計利用TCP/IP協議來對GPRS業務數據進行打包和解包。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協議進行了簡化。其TCP/IP協議結構如圖3所示。

由于本系統只對油井工作參數進行傳遞，所以可對TCP/IP結構進行大量的裁減。其中應用層只需用到HTTP協議。而在傳輸層用TCP傳輸控制協議有助于提高數據通信的可靠性。網絡層需要用到IP、ARP/RARP、ICMP，其中IP的作用是提供高可靠和無連接的數據包傳送服務，ARP/RARP協議完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于監測網絡通訊狀況，由于采用的是無線通訊方式， 易出現掉線情況，所以單片機通過定時監控中心發送ICMP回顯請求，并通過實時監測、掉線得撥主式來確保終端設備實時在線。數據鏈路層采用GPRS支持的PPP協議。通過裁減TCP/IP協議既能滿足功能的需要，也可以節約單片機的存儲器資源。

數據打包、解包處理時，可先由單片機采集油井工作參數。該參數要通過TCP/IP協議棧的每一層，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，其過程與封裝數據包的過程相反，即在經過TCP/IP協議棧的每一層，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多路轉換開關等進行初始化。同時，單片機也通過AT命令以MC35模塊進行初始化，包括監控中心的IP地址及端口、SIM卡檢查、GPRS服務號碼配置等。MC35初始化后，就可以通過PPP協議與Internet連接。單片機通過定時循環方式采集各個傳感器的參數并分別存入各自的數據緩沖區中。主程序通過循環方式判斷A/D數據緩沖區是否有數據，如果有，就將數據交給TCP/IP協議棧處理，并通過MC35發送。利用串口中斷程序可判斷是否有來自MC35的數據，如果有，就將數據交給TCP/IP協議棧進行處理，進而控制繼電器工作。

4 監控中心軟件設計

監控中心采用VC與sq12000來對終端采集到的數據進行顯示、存儲、打印等。由于本系統將對多個油井的參數進行監控，所以在軟件設計時應對每個尚未井開設一個線程，每個線程監聽不同的端口，同時獨立接收和處理數據。數據處理包括將接收到的各個參數存儲到數據庫中，同時在主界面上用曲線實時地顯示出來。該系統對每個參數設置了警戒線，一旦超過該警戒線，計算機將立刻報警。其中包括電壓過壓、欠壓、電流過流、抽油機停工、漏油、盜油報警等。對于電壓過壓、欠壓、電流過流等報警，監控中心會向終端設備發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生報表并打印。

5 結束語

本文以8位單片機、現存的GPRS模塊及一些簡單的外圍電路實現了油田油井工作狀態的無線實時監控。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。