CN202748664U - 基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，电能量芯片、温度传感器和压力传感器的信号输出端分别与主控模块的信号输入端连接，主控模块的数据输入输出端与终端Zigbee传输模块的数据输入输出端连接；Zigbee数据传输模块的数据输入输出端与控制模块的数据输入输出端连接，GPRS数据传输模块的数据输入输出端与控制模块的数据输入输出端连接；监控计算机的数据输入输出端与GPRS数据传输模块的数据输入输出端连接，监控计算机的数据输入输出端与服务器的数据输入输出端连接。本实用新型对监测油井工作时的数据进行实时的主动和被动的采集，降低数据采集成本，提高数据采集的准确性和实时性及工作效率。

Description

基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***

技术领域

本实用新型涉及一种基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，属于油井参数采集技术领域。

背景技术

从90年代以来，油井的自动化和网络化管理的程度日益提高，但是由于油井大部分都分布在交通不便的野外且数量非常多，常规采用的油井数据采集方式大多需要巡井工人到现场进行抄表，这种方式不仅费时费力，增加维护成本；而且，由于一些人为因素有可能还会影响数据的准确性。虽然利用无线射频芯片作为油井数据采集的改进方式，使巡井人员可以远离油井进行数据采集和分析，但是这种方式还是需要人员到油井现场，且一次只能对少数油井的数据进行采集，工作效率还是很低。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，以解决现有的油井参数采集技术中存在的维护成本较高、准确性较差、工作效率较低的问题，为此本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，包括无线终端数据采集单元、无线通信网络和监测管理中心，无线终端数据采集单元包括采用高性能嵌入式处理器的主控模块、终端Zigbee传输模块、电能量芯片、温度传感器和压力传感器，电能量芯片的电能量信号输出端与主控模块的电能量信号输入端连接，温度传感器的温度信号输出端与主控模块的温度信号输入端连接，压力传感器的压力信号输出端与主控模块的压力信号输入端连接，主控模块的无线数据输入输出端与终端Zigbee传输模块的无线数据输入输出端连接；无线通信网络包括高性能ARM处理器构成的控制模块、GPRS数据传输模块和Zigbee数据传输模块，Zigbee数据传输模块的数据输入输出端与控制模块的Zigbee数据输入输出端连接，GPRS数据传输模块的第一数据输入输出端与控制模块的GPRS数据输入输出端连接；监测管理中心包括作为存储监测数据和告警信息的服务器和监控计算机，监控计算机的第一数据输入输出端与GPRS数据传输模块的第二数据输入输出端连接，监控计算机的第二数据输入输出端与服务器的数据输入输出端连接。

本实用新型通过融合ZigBee和GPRS技术的特点和优势，结合高性能嵌入式处理器，构成油井远程无线监测管理***，在监测管理中心就可以对监测的所有油井工作时的各种数据进行实时的主动和被动的采集，不但降低了数据采集成本，而且提高了数据采集的准确性和实时性，进一步提高了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的具体实施方式提供的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***的结构示意图；

图2是本实用新型的具体实施方式提供的无线终端数据采集单元的电路原理图；

图3是本实用新型的具体实施方式提供的压力传感器的压力信号采集电路的原理图；

图4是本实用新型的具体实施方式提供的无线通信网络中继节点的电路原理图；

图5是本实用新型的具体实施方式提供的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***的软件***的结构示意图；

图6是本实用新型的具体实施方式提供的监测管理中心主程序流程示意图；

图7是本实用新型的具体实施方式提供的整个***的工作状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本具体实施方式提供了的一种基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，如图1所示，包括无线终端数据采集单元、无线通信网络和监测管理中心，无线终端数据采集单元包括采用高性能嵌入式处理器的主控模块11、终端Zigbee传输模块12、电能量芯片13、温度传感器14和压力传感器15，电能量芯片13的电能量信号输出端与主控模块11的电能量信号输入端连接，温度传感器14的温度信号输出端与主控模块11的温度信号输入端连接，压力传感器15的压力信号输出端与主控模块11的压力信号输入端连接，主控模块11的无线数据输入输出端与终端Zigbee传输模块12的无线数据输入输出端连接；无线通信网络包括高性能ARM处理器构成的控制模块21、Zigbee数据传输模块22和GPRS数据传输模块23，Zigbee数据传输模块22的数据输入输出端与控制模块21的Zigbee数据输入输出端连接，GPRS数据传输模块23的第一数据输入输出端与控制模块21的GPRS数据输入输出端连接；监测管理中心包括作为存储监测数据和告警信息的服务器31和监控计算机32，监控计算机32的第一数据输入输出端与GPRS数据传输模块23的第二数据输入输出端连接，监控计算机32的第二数据输入输出端与服务器31的数据输入输出端连接。

具体的，无线终端数据采集单元主要由主控模块11(可采用STM32F103RBT6芯片)、终端Zigbee传输模块12(可采用无线芯片CC2430)、用于三相电压、电流的电能量芯片13、温度传感器14和压力传感器15等组成。无线终端数据采集单元采集***需要的监测数据和下发控制指令，同时各终端Zigbee传输模块12之间构成无线传感器网络，通过由Zigbee数据传输模块22和GPRS数据传输模块23构成的无线通信网络，将采集来的数据通过GPRS网络远程无线传输到监测管理中心，GPRS数据传输模块23可采用SIM300模块。整个无线终端数据采集单元的电路结构如图2所示。以最新ARM内核Cotex-M3的STM32F103RBT6芯片为核心的终端数据采集单元可以完成单一油井数据采集需要的各种传感器的连接、数据的采集与存储；达到对油井运行时电压、电流、温度和压力等数据的采集和控制，通过RS-232接口可与计算机连接，通过上位机软件处理和存贮采集到的油井数据，并进行分析汇总和对远端进行必要的控制。无线终端数据采集单元可以对油井的各类运行数据进行主动采集，然后传输到监测管理中心进行分析和存储，并根据出现的异常数据情况，对远端的油井进行必要的检测和控制，为油井的正常运行提供数据方面的参考依据。

由于抽油机使用的是工频50Hz，380V的三相电压，所以，电压电流监测电路是完成模拟电流、电压信号转换为数字信号，然后由单片机进行读取进行监测的一类电路。其主要包含电压互感器、电流互感器和电能量芯片等器件。控制***中需要输入电流、电压两路模拟信号，因此要用多路模拟开关。此外由于采样的信号是一个快速变化的信号，因此在模拟开关和A／D转换芯片之前需加一个采样保持器。在采样电压信号时保持电流信号，这样才能保证采样的电压和电流信号为同一时刻的值。本具体实施方式中对三相电压和电流有效值的计算，采用以下公式。

计算电压有效值公式为： $U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i^2}---\left(1\right)$

电流有效值计算公式为： $I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{l=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_l^2}---\left(2\right)$

电压和电流采集芯片可采用ATT7022CU芯片。该芯片是一颗精度高且功能强的多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片，它集成了七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便，该芯片适用于三相三线和三相四线应用。该芯片还集成了所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供两种视在电能（PQS、RMS）。支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。

压力传感器安装在输油管上，根据所安装管路的压力选用相应量程的传感器。根据油田输油管的具体情况，选用了HDP503压力传感器，此压力传感器的特性如下：量程为1~150Mpa，可以满足实际需要；供电电压VT为直流24V，可以选用（4～20mA(二线制)，0～5V、1～5V、0～10V(三线制)）这两类输出信号方式，压力传感器根据输油管压力的不同，发送出不同的电流值或者电压值，当压力传感器输出的电流为4mA时，电压跟随器LM110输入引脚输入1V电压;当压力传感器输出的电流为20mA时，LM110输入引脚输入5V电压。然后电压输入到STM32F103RBT6的A/D，根据不同电压，单片机可以判断出不同压力值。压力信号采集电路如图3所示。

无线通信网络的电路如图4所示，它是整个监测管理***的传输核心单元。在整个***中，起着承上启下的作用。中继节点单元通过S3C2410控制器实现GPRS网络和ZigBee网络的数据交换。基于Zigbee芯片和GPRS模块之间的协议转换的要求，本具体实施方式提供了基于这两种无线网络芯片的网络协议转换单元，它的任务是负责ZigBee和GPRS网络的双向数据转换，是一个基于ZigBee与GPRS协议的转换网关。下面给出在32MHz***时钟下，用DMA向flash存储单元内部写入程序的部分源代码。

MOV  DPTR，#DMACFG

MOV  A，#SRC_HI

MOVX DPTR，A

INC  DPTR

MOV  A，#SRC_LO

MOVX   DPTR，A

INC    DPTR

MOV    A，#0DFh

通过对CC2430、S3C2410和SIM300（GPRS模块）的分析，在uClinux操作***程序框架结构的基础上，建立两个任务ZigBee_T、GPRS_T，为避免数据拥塞，***创建两个消息队列：GPRS_ZigBeeQ=ZSGCET(&MsgQA[0]，Q_Size)，ZigBee_GPRSQ=ZSGCET(&MsgQB[0]，Q_Size)。

本具体实施方式的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***的软件***分成三个部分，由监控中心软件子***、无线通信网络软件子***和无线无线终端数据采集单元软件子***组成。图5给出了整个软件***的结构图。其中下位机软件（包括无线终端数据采集软件子***和无线通信网络中继节点软件子***）主要由C语言、汇编语言和嵌入式操作***uClinux以模块化结构进行开发。而上位机软件（监测管理中心软件子***）用VC＋＋6.0和SQL Server数据库进行开发。

监测管理中心操作***采用Windows2003Server中文版，数据库采用SQL Server。服务器接收到GPRS网络传来的IP数据后要进行验证。在收到来自监测管理中心的就绪信息之后，下位机将采集的数据编制成规定格式，通过GPRS网络发送到监测管理中心，监测管理中心读取IP数据包，识别信息内容，然后进行分析和显示。监控中心软件主要应用VC＋＋6.0的socket控件来实现数据的收发，通过UDP或者TCP协议进行数据的交互，实现网络的通信。监测中心主程序流程图如图6所示。由图6可知，整个监测***的工作都是以数据监测和故障处理为核心的。在***的初始状态下，***的物理部件即ZigBee无线传感器网络和GPRS网络进行数据采集和监测工作，如果没有问题则***将持续的处于这种状态，如果有问题则说明被监测的设备中出现故障，这时将通过告警装置进行显示，提示相应的工作人员去处理发生的故障。同时，***也会对采集来的远端数据进行存储处理和统计分析。

本具体实施方式利用基于嵌入式技术的油井无线远程监测***对油井实施性能监测和控制保护，整个***的工作状态如图7所示，是对现有油井维护方式进行改进的一种良好手段。本***采用高性能嵌入式处理器***作为远端监测模块的控制和通信核心，利用Zigbee技术构成无线传感器网络，利用GPRS网络形成远程监测网络。相关分析表明，本方案利用了嵌入式技术、ZigBee和GPRS技术的优势，具有传送及时、运行可靠等优点。并且本***的扩展性较强，在实际应用中可以灵活扩展功能，以适应需求。因此，本***的设计有广泛的应用前景。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，包括无线终端数据采集单元、无线通信网络和监测管理中心，其特征在于，无线终端数据采集单元包括采用高性能嵌入式处理器的主控模块、终端Zigbee传输模块、电能量芯片、温度传感器和压力传感器，电能量芯片的电能量信号输出端与主控模块的电能量信号输入端连接，温度传感器的温度信号输出端与主控模块的温度信号输入端连接，压力传感器的压力信号输出端与主控模块的压力信号输入端连接，主控模块的无线数据输入输出端与终端Zigbee传输模块的无线数据输入输出端连接；无线通信网络包括高性能ARM处理器构成的控制模块、GPRS数据传输模块和Zigbee数据传输模块，Zigbee数据传输模块的数据输入输出端与控制模块的Zigbee数据输入输出端连接，GPRS数据传输模块的第一数据输入输出端与控制模块的GPRS数据输入输出端连接；监测管理中心包括作为存储监测数据和告警信息的服务器和监控计算机，监控计算机的第一数据输入输出端与GPRS数据传输模块的第二数据输入输出端连接，监控计算机的第二数据输入输出端与服务器的数据输入输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，其特征在于，所述主控模块采用STM32F103RBT6芯片。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，其特征在于，所述终端Zigbee传输模块采用CC2430芯片。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，其特征在于，所述电能量芯片采用ATT7022CU芯片。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，其特征在于，所述压力传感器采用HDP503压力传感器。

6.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，其特征在于，所述控制模块采用S3C2410芯片。

7.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术和无线网络的远程油井监测管理***，其特征在于，所述GPRS数据传输模块采用SIM300模块。

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