摘  要: 针对分布式油田的实际需求,研究并实现了基于GPRS的分布式油田远程监控系统,实现自动连续计量、实时监控,介绍了系统构成及软硬件系统的设计与实现方法,分析了该系统的应用前景。 

　　关键词: GPRS; 分布式油田; 实时监控; 数据传输 

　　我国相当一部分油田的井场属于相距较远的分散布局,周边环境复杂,独立储存,依靠汽车运输,当前多采用看井工人工管理,对每日原油罐的储存量进行统计,因此缺少必要的监控手段。在油井的日常维护工作中,为了及时了解油井的生产状况,经常需要使用测井仪器对各个油井的各种参数进行测量。由于油井分布广泛,因此,测控中心需要派遣测井队到野外现场进行测井操作,而在此过程中需要与中心进行相互沟通,要达到这个目标,需要实时地将油罐油量以及一些井场设备的数据传递到中心,同时中心也需要传达一些必要的文件资料、处理方案等到现场。针对这一现状,本文提出基于GPRS的分布式油田远程监控系统。 

　　GPRS是在GSM基础上发展起来的一种分组交换数据承载和传输方式,该技术具有传统方式不可比拟的优势^[1]: 

　　(1)信号覆盖范围广:接入范围广,死角少,用户可充分利用已经建立起来的全国范围的移动通信网络,方便快速地为数据终端远程接入网络。 

　　(2)计费合理:GPRS实行按流量收费或者包月服务,用户只有在发送或者接收数据的时候才占用资源,用户实时在线。 

　　(3)免于维护:GPRS业务的维护工作由中国移动完成,不需要由使用单位投资建立维护通信设施。 

　　(4)通信可靠性高:GPRS具有保密性高、可靠性高、抗干扰能力强等特点,保证了数据传输的保密性和可靠性。 

　　因此,使用基于GPRS网络的传输方式将大大降低企业运营成本,同时可使管理人员实时、集中地收集井场数据,监控现场设备运行状况,实现综合科学的管理调度。 

　　本系统应用于延长油田股份有限公司,系统利用中国移动的GPRS/GSM网络作为数据传输网络,各井场的监控数据通过数据采集器汇总并用GPRS网络将采集到的油罐数据、井场设备工作数据等送回控制中心,然后由中心内系统软件进行后续处理,并提供各种统计分析数据给油田管理部门和相关决策机构,为油田科学有效管理提供了保障。本文从对该系统的分析出发,介绍了基于VB.NET技术体系的无线远程监控系统软硬件的实现。 

1 系统方案 

　　系统由三大部分组成:现场终端设备、GPRS网络、监控中心管理软件。现场测试终端包括三部分:测井仪器(包括液位传感器、报警传感器、角位移传感器、载荷传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器等)、采集器以及GPRS通信模块。由各传感器获得油井的各种参数数据,并将其传送给现场数据采集器(自行研制开发),采集器通过RS-232/485总线传输给GPRS通信模块,通过GPRS网络传递给Internet,数据包通过IP寻址方式找到监控中心服务器,实现如图1所示的数据远程的通信。 

2 系统设计 

2.1 网络设计 

　　网络设计是本系统的一个重要组成部分,它作为监控中心与各现场监测点信息交换的枢纽,对系统的性能、可靠性、稳定性起着非常重要的作用。通过GPRS网络以及Internet进行数据传输,关键问题是传输协议的选择。目前应用最为广泛的两种传输层协议分别为UDP和TCP,至于如何选择,并没有明确的标准,需要根据系统实际情况进行分析比较。 

　　UDP协议由于其不提供数据传送的保证机制,称为不可靠的传输协议^[2]。因为如果从发送方到接收方的传递过程中出现数据报丢失,协议本身并不能做出任何检测或提示,也不进行恢复。因此,一般应用在数据传输量不大且可靠性要求不高的场合。 

　　TCP协议是面向连接的可靠的数据传输协议^[3],具有很高的数据安全性,提供了可靠、有序、端到端的数据传输服务,一般应用在数据传输量大或可靠性要求高的场合。 

　　由于测井数据传输数据量要求比较大(相对于GPRS业务所提供的传输带宽来说),并且是在Internet中进行传输,网络环境比较复杂,且对数据的可靠性、准确性要求比较高,因此本系统采用TCP协议进行数据传输。 

　　在延长油田各井场都覆盖了GPRS网络,井场下位机接入到GPRS网后获得一个延长油田内部的IP地址,通过TCP/IP协议与监控中心进行数据的实时交互传输。为了验证GPRS的数据传输方案以及使用流式套接字网络编程的可行性,系统使用自己编写的通信测试程序,在延长油田采油一大队进行了实地测试。测试的性能参数包括数据吞吐量(瞬时、平均)、RTT(收发一个循环)时延(最大时延、最短时延)、平均误帧率,如表1所示。 

　　经过实地试验,远程数据传输的时延是RTT时延的一半,通常情况下的延迟不到500ms,完全能够满足实时性的要求,且采用TCP协议,丢帧和错帧非常少,能够很好地满足通信可靠性和安全性的要求。 

　　下位机通过拨号接入到GPRS网络后获得一个延长油田内部的IP地址,油井现场的数据以及监控中心的反控指令通过GPRS网络进行传输。 

2.2  硬件设计 

　　本系统由分布在不同井场的下位机和监控中心的上位机形成的分布式油田远程监控系统组成。经过严格的理论分析和实际测试,最终选定的。主要硬件有:液位传感器、报警传感器、角位移传感器、载荷传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器等传感器、ETR186T嵌入式网络模块^[4]、ARK-24016亚当模块^[5]、西门子公司的MC35i模块、带若干232/485扩展口和支持ETR186T开发的应用目标板、提供5V直流供电的电源,具体组成结构如图2所示。采集器对各个传感器进行监听,通过RS-232/485总线进行数据接收。上位机主要为监控中心,监控中心主要由数据服务器、监控计算机组成。 

2.3 软件设计 

　　本系统的软件主要由上下位机管理软件组成。 

　　下位机管理软件采用C语言编写,主要负责接收各传感器上发出的数据、建立GPRS网络通信、解析监控中心下达的各种命令并向各传感器下达反控指令,其关键就是GPRS网络通信的建立。 

　　GPRS的通信采用TCP/IP协议,以保证数据在网络中的安全可靠传输。设计中TCP/IP协议采用瑞士计算机科学院的Adam Dunkels 等开发的一套用于嵌入式系统的源代码开发的TCP/IP协议栈lwip。下面是创建一个和TCP/IP相关的新进程的代码示例。 

    # define LWIP_STK_SIZE          10*24 //和TCP/IP相关任务的堆栈的大小 

    # define LWIP_TASK_SIZE         5字节 //和TCP/IP相关任务的最多数目 

    # define LWIP_START_PRIO        5字节 //和TCP/IP相关任务的起始优先级 

    OS_STKLWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和TCP/IP相关堆栈区 

    Us8_t   curr_prio_offset; 

    Sys_thread_t; 

    Sys_systhread_new (void(* function)(void * arg),void * arg, int prio)   //略 

　　上位机管理软件是面向用户的可视化的操作软件,界面如图3所示,用户可以通过它实时查询各油井的工作状态并下达相应的管理意见。本系统采用基于Windows XP的Visua Basic.net编写了此软件,使用Winsock控件接收和发送数据。Winsock^[6]是Windows操作系统中网络编程的接口,它给程序员提供了访问TCP和UDP网络服务的方便途径。 

　　上位机与下位机进行通信,需设置其数据的格式,本项目中数据格式如表2所示。

　　本系统已在延长油田部分井场试运行了一年,整个系统的设计达到了预期的精度和可靠性要求,大大提高了油田管理的自动化水平,给油田带来了可观的经济和社会效益。我国有大部分的油田属于分散式布局,故本系统的开发将大大地提高这类油田的管理效率。 

　　本系统的不足之处在于,由于受GPRS数据传输模式的限制,其流量不能满足实时图像传输的要求。相信随着GPRS技术的日益成熟,无线监控技术必将在各个行业中发挥重要的作用。 

参考文献 

[1] 林梅金,罗飞,李如雄.GPRS网络的远程监控系统[J].计算机工程,2006,32(3):240-247. 

[2] 王继刚,顾国昌,徐立峰,等. 可靠UDP数据传输协议的研究与设计[J]. 计算机工程与应用, 2006,42(15):113-116. 

[3] 梁鸿,刘芳.基于TCP/IP的网络流量监测系统模型的研究[J]. 计算机系统应用, 2006,16(6):30-33. 

[4] 成都英创信息技术有限公司.NB100网络模块.http://www.emtronix.com,2006. 

[5] 研祥智能科技股份有限公司.亚当模块ARK-14017.http://www.evoc.com,2005.