陳　琦，丁麗娜（.哈爾濱光宇電氣自動(dòng)化有限公司，黑龍江　哈爾濱 50078；.綏化學(xué)院，黑龍江 綏化 5000）

基于STM 32和GPRS的無(wú)線油井監(jiān)控器*

陳琦1，丁麗娜2
（1.哈爾濱光宇電氣自動(dòng)化有限公司，黑龍江哈爾濱 150078；2.綏化學(xué)院，黑龍江 綏化 152000）

對(duì)油田中的抽油機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，傳統(tǒng)方式有很多弊端，如油井位置遠(yuǎn)，人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)困難，全面檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)且不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，導(dǎo)致影響生產(chǎn)進(jìn)度等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了STM32和GPRS模塊無(wú)線油井監(jiān)控器，可以遠(yuǎn)程對(duì)抽油機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制，在監(jiān)控中心服務(wù)器即可完成對(duì)油機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控，且采用無(wú)線油井監(jiān)控器方案具有實(shí)施方便快速、查看故障點(diǎn)直觀、節(jié)省人力和物力成本、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

STM32；無(wú)線；GPRS；油井控制器

0　引言

隨著科技的進(jìn)步，石油工業(yè)正在向智能化和信息化發(fā)展，企業(yè)信息化和管控一體化已成為實(shí)現(xiàn)“降本增效，提高管理水平”這一油田改革目標(biāo)中的一個(gè)重要課題。隨著油田采油信息化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展和拓寬，采油設(shè)備的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)與信息技術(shù)的緊密結(jié)合成為石油工業(yè)發(fā)展的必然。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)辟了新的有效途徑，通過(guò)安裝在油井的數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備，可以直接將井場(chǎng)采油機(jī)運(yùn)行工作狀況的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送到采油部門(mén)的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)油井的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，逐步形成油田生產(chǎn)管理與監(jiān)控一體化的信息網(wǎng)絡(luò)，將油田油井及管網(wǎng)監(jiān)控與生產(chǎn)調(diào)度管理整合成一個(gè)整體方案。使用基于STM32和 GPRS的無(wú)線油井監(jiān)控器，可組成一套先進(jìn)的、高可靠性、高性?xún)r(jià)比的綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)將大大提高管理和維護(hù)效率。相對(duì)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在節(jié)能和日常維護(hù)上將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1　系統(tǒng)原理分析

無(wú)線油井監(jiān)控器的構(gòu)成如圖1所示，包括高性能32 位 ARM處理器、高可靠性 GPRS模塊、斷電儲(chǔ)能模塊、斷電數(shù)據(jù)保存單元、隔離RS485通訊單元和開(kāi)出等。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離短信通訊、GPRS通訊、RS485通訊；可檢測(cè)3路模擬量、自身運(yùn)行電壓；并有斷電告警、模擬量異常告警等功能。該系統(tǒng)可與中心站監(jiān)控軟件配合組成綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，也可以根據(jù)實(shí)際需求做相應(yīng)的配置，從而應(yīng)用到不同領(lǐng)域。

圖1　無(wú)線油井監(jiān)控器終端應(yīng)用框圖

GPRS通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)是如今移動(dòng)通信網(wǎng)中的成熟技術(shù)，完成了無(wú)線Internet接入，能向用戶(hù)提供Internet所能提供的一切功能。這種技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組（TCP/IP）傳送，可以接入基于 TCP/IP的外部網(wǎng)絡(luò)和X.25網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從空中接口到外部網(wǎng)絡(luò)之間的分組數(shù)據(jù)傳輸，并提供透明通道。網(wǎng)絡(luò)容量?jī)H在需要時(shí)才分配，一旦分組完成發(fā)送任務(wù)，信道容量立即釋放，所以提供了即時(shí)連接和高效傳輸，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線的功能。GPRS的設(shè)計(jì)既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，因此，它是一種經(jīng)濟(jì)高效的分組數(shù)據(jù)技術(shù)。用戶(hù)在擁有一個(gè)電話號(hào)碼的同時(shí)將擁有一個(gè)固定的或動(dòng)態(tài)分配的IP地址，可以方便地實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有 Internet數(shù)據(jù)網(wǎng)的無(wú)縫連接［1］。

當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)油機(jī)故障或異常（比如停機(jī)、過(guò)流、皮帶打滑等）時(shí)，會(huì)通過(guò)GPRS方式把數(shù)據(jù)上報(bào)給控制中心，也可以通過(guò)短信方式直接上報(bào)給維護(hù)人員，由于數(shù)據(jù)中有故障油井名稱(chēng)編號(hào)等信息，方便維護(hù)人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。監(jiān)測(cè)模塊以GPRS通訊為主，與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，GPRS按流量計(jì)費(fèi)，可以有效降低通信成本。短信和RS485方式為輔，進(jìn)行定值設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸和故障報(bào)警，多種方式可以滿足不同情況的需要，可以使工作更加高效、快捷。用主控芯片內(nèi)部集成ADC采集相關(guān)油井工作的電流參數(shù)可以判斷出油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。使用設(shè)計(jì)斷電儲(chǔ)能單元，即使模塊供電故障也可以報(bào)警［2］。

2　電路設(shè)計(jì)方案

無(wú)線油井檢測(cè)模塊系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。監(jiān)控器選用微控制器STM32芯片，通過(guò)串口連接GPRS模塊SIM900A，并與外圍電源電路、485通訊電路、ADC測(cè)量模擬量電路、開(kāi)出電路共同組成系統(tǒng)硬件。

圖2　無(wú)線油井檢測(cè)模塊系統(tǒng)硬件框圖

STM32F103系列芯片是意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置達(dá) 128 KB閃存，零等待周期的存儲(chǔ)器。它還有豐富的外設(shè)接口，能夠高效地處理數(shù)據(jù)，保證程序處理速度和性能上的冗余。采用低功耗設(shè)計(jì)，降低能耗的同時(shí)可以提高模塊的使用壽命。本文選用了STM32F103RBT6芯片，2個(gè)12位的μs級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器。2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)I2C接口（SMBus/PMBus）、3 個(gè)USART接口、1個(gè) USB接口、一個(gè)CAN接口、內(nèi)置軟件看門(mén)狗等［3］。

SIM900A模塊是 SIMCom公司推出的新款緊湊型產(chǎn)品，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性?xún)r(jià)比高。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24 mm×24 mm×3 mm，能適用于M2M應(yīng)用中的各類(lèi)設(shè)計(jì)需求，標(biāo)準(zhǔn)串口通過(guò)AT命令控制，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)［4］。

主控芯片通過(guò)串口 1與 SIM900模塊連接通訊，實(shí)現(xiàn)配置GPRS模塊和收發(fā)數(shù)據(jù)，用串口2連接MAX485接口芯片實(shí)現(xiàn)485通訊功能；通過(guò)I2C總線接口連接EEPROM芯片 AT24C64，實(shí)現(xiàn)定制數(shù)據(jù)的掉電存儲(chǔ)；通過(guò)LM6482運(yùn)放搭建濾波器連接STM32片上AD，通過(guò)連接電流互感器對(duì)抽油機(jī)的電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；電源部分采用LM2576為SIM900模塊供電，通過(guò)ASM1117芯片為 STM32芯片供電，并加入超級(jí)電容單元，即使監(jiān)控器突然斷電，仍然可以上傳斷電故障信息。

布局方面，由于 SIM900A天線部分射頻頻率較高，采用靠近線路板邊緣側(cè)，周?chē)伒靥幚?，天線引線采用射頻專(zhuān)業(yè)同軸屏蔽電纜，應(yīng)盡量短，接至金屬機(jī)殼外部。對(duì)強(qiáng)干擾信號(hào)造成的運(yùn)行出錯(cuò)采用軟硬件自恢復(fù)電路處理，保證在無(wú)人值守時(shí)也能可靠運(yùn)行。對(duì)采集到的交流信號(hào)端加入TVS和穩(wěn)壓管，實(shí)行防電脈沖沖擊和防雷保護(hù)措施，已在實(shí)際應(yīng)用中獲得了極好的效果。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。上電啟動(dòng)后，首先對(duì)硬件和 AD進(jìn)行初始化，并對(duì) I/O端口、運(yùn)行燈、EEPROM及兩個(gè)串口進(jìn)行初始化，分別設(shè)置相應(yīng)的波特率以及數(shù)據(jù)格式。然后對(duì)SIM900初始化，通過(guò)串口發(fā)送AT命令，設(shè)置各項(xiàng)功能參數(shù)（比如設(shè)置預(yù)定的 IP地址），再檢測(cè)是否正確連接入網(wǎng)，如果連接正常，則根據(jù)ADC采集數(shù)據(jù)判斷油井狀態(tài)，把數(shù)據(jù)從串口1發(fā)送到GPRS模塊，通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò) TCP協(xié)議方式把狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控中心所預(yù)定的目的IP地址上去。

模塊可以根據(jù)油井當(dāng)前運(yùn)行的電流值，判斷當(dāng)前油井電機(jī)工作的狀態(tài)。異常數(shù)據(jù)會(huì)與EEPROM中設(shè)定的上下限定值相比較，做出異常判斷，如油井電機(jī)停機(jī)、油井?dāng)嚯?、電流異常等情況。同樣，監(jiān)控中心可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)和更改定值到檢測(cè)模塊以適應(yīng)不同規(guī)格的油井油機(jī)。根據(jù)需要配置是否進(jìn)行RS485通訊、或短信通訊上報(bào)數(shù)據(jù)或報(bào)警信息。如果GPRS網(wǎng)絡(luò)正在傳送的數(shù)據(jù)忽然斷開(kāi)或者其他外界原因引起GPRS傳輸出現(xiàn)問(wèn)題，這時(shí)還持續(xù)向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在傳送數(shù)據(jù)的過(guò)程中加入了判斷 SIM900模塊是否加入網(wǎng)絡(luò)的程序，檢測(cè)入網(wǎng)AT指令和串口數(shù)據(jù)檢測(cè)方式，如果下發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到應(yīng)答則判斷為網(wǎng)絡(luò)故障，會(huì)重新進(jìn)行GPRS連接，等到網(wǎng)絡(luò)連接建好之后再繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。

Wireless oil w ell monitor based on GPRS and STM 32

Chen Qi1，Ding Lina2
（1.Harbin Coslight Electrical Automation Co.，Ltd.，Harbin 150078，China；2.Suihua University，Suihua 152000，China）

For the maintenance of oil pumping machine in oil field，there are many drawbacks in traditional methods，such as far distance from oil well，personnel difficulties in detection field，long comprehensive testing time and can not find the fault at the first time，all the things above will lead to the delay of production schedule.In this paper，the realization of STM32 and GPRS wireless modules can monitor well，realize remote detection and control the oil engine.In the monitoring center，the server can complete the state monitoring of oil machine.The use of wireless oil well monitor scheme has advantages such as implementing fast and conveniently，viewing the fault directly，saving manpower cost material cost，and maintaining conveniently etc.

STM32；wireless；GPRS；oil well controller

TP

A

1674-7720（2015）06-0001-02

綏化學(xué)院杰出青年基金項(xiàng)目（ SJ13005 ）