基于GPRS的分布式油田原油计量和防盗系统设计-浙江大学

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1、基于GPRS的分布式油田原油计量和防盗系统设计XXXXXXX毕业设计 题 目 基于GPRS的分布式油田原油计量和防盗系统设计姓 名 xxx学 号 xxx专业班级 xxx分 院 xxx指导教师 xxxxxxx年xxx月xxx日基于GPRS的分布式油田原油计量和防盗系统设计摘 要本课题针对分布式油田的原油计量和丢盗油问题，研究开发了一套基于GPRS的原油计量和防盗系统。系统通过对原油的实时计量，解决长期以来分布式油田存在的计量方式简陋，实时性差，人为误差大的问题；通过盗油报警系统，打击盗油犯罪分子，减少或杜绝偷盗油现象。整个系统旨在提高分布式油田的信息化管理水平。整个系统包括两个部分：远程监测终端

2、和计算机监控中心。监测终端完成储油罐中原油油位、储油罐阀门状态、以及当防盗报警设备被触发时井场周边图片数据的采集，实现数据通过GPRS网络的发送和接收；计算机监控中心通过固定的IP地址登陆Internet网络，完成数据接收、保存和分析，实时显示各储油罐油位高度、当前阀门状态，并提供报表打印等功能。在远程监测终端的硬件开发中，为了保证整个硬件配置灵活、易于调试、升级和维护，采用了模块化的设计方法，即依据系统功能自顶向下的把硬件分成了五个模块，分别是数据采集模块、GPRS通信模块、图像采集模块、键盘与显示模块和系统供电模块。数据采集模块以ARM公司最新的Cortex-M3内核处理器STM32F10

3、3C6T6为核心，负责监测终端总体控制功能；GPRS通信模块由BenQ公司的M23A GSM/GPRS模块及相关外围电路组成，负责数据的发送和接收；图像采集模块负责将视频信号转换成数字信号；键盘与显示模块负责终端的显示和操作；供电模块负责对整个监测终端设备提供工作电源。论文中对数据采集模块、GPRS通信模块和键盘显示模块的电路进行了详细说明。在远程监测终端的软件开发中，借鉴于实时操作系统进行软件开发的层次化设计方法，在远程监测终端的软件设计中也采用了层次化的软件设计结构。总的来说，整个监测终端软件采用的是先软件分层，再结合有限状态机、利用事件驱动的方法来设计的。论文中首先对远程监测终端软件开发

4、中应用的编程方法进行了介绍，然后对远程监测终端的部分底层驱动程序以及应用层程序的设计进行了详细说明。论文最后对计算机监控中心的软件开发作了简要说明。关键词：GPRS，分布式油田，计量和防盗，Cortex-M3内核，STM32F103C6T6THE SYSTEM DESIGN OF MEASUREMENT AND ANTI-THEFT FOR CRUDE OIL OF DISTRIBUTED OILFIELD BASED ON GPRS NETWORKSABSTRACTTo solve problems of crude oil measurement and loss in distribut

5、ed oilfield, a crude oil measuring and anti-theft system is designed based on GPRS wireless network in the paper. In the system, a lot of problems existing in distributed oilfield for a long time can be solved, such as rough measuring method, poor real-time performance and high man-made errors. With

6、 the help of alarming system, oil-theft criminals will be reduced. The aim of the whole system is to improve the informatization management level of distributed oilfield. The system contains two parts: remote-monitoring terminal and computer-monitoring center. Remote-monitoring terminal collects dat

7、a of crude oil level in oil tank, valves status and images surrounding the oil tank when the burglar alarm equipment is triggered. Finally data are sent and received via GPRS wireless network. Computer-monitoring center achieves logging on Internet website through fixed IP to complete some functions

8、 such as data receiving, saving and analysis, the real-time display of crude oil level in oil tank, current valves status and report forms printing. In order to ensure flexible configurations of the whole hardware and make it debug easily and maintenance simply, modularization design method is adopt

9、ed in hardware design of remote-monitoring terminals. According to system function，hardware is divided into such five modules as data acquisitions module, GPRS communication module, image acquisition module, keyboard and display and power supply modules. The core of data acquisition module is ARMs l

10、atest Cortex-M3 processor STM32F103C6T6, which is in charge of the whole control of monitoring terminals. GPRS module is composed of BenQs M23A GSM/GPRS modules and related peripheral circuits, which is responsible for sending and receiving data. Image acquisition module transforms the video signal

11、into digital signal. Keyboard and display module implement display and operation of the terminal. And power supply module achieves power provision of the whole terminal equipment. In the paper circuits of data acquisition module, GPRS communication module and keyboard module are described in detail.

12、 During the remote-monitoring terminal software design, software design is built in the hierarchical design way which have been using in real-time operating system software developed. Generally speaking, the whole remote-monitoring terminal software design uses hierarchical software design, and then

13、 combines with finite-state machine and takes advantage of case-driven last. System software programming idea is introduced firstly, and then driver program and application layer programs of monitoring terminal are described in detail.Finally, a brief description of software design of computer -moni

14、toring center is given in the paper.KEYWORDS: GPRS, distributed oilfield, measurement and anti-theft, Cortex-M3 core, STM32F103C6T691目 录摘 要IABSTRACTIII目 录I1 绪论11.1 项目背景及研究的目的和意义11.2 项目的国内外研究现状11.3 论文的主要研究内容21.4 论文的组织结构32 需求分析52.1 系统要解决的问题52.1.1 远程监测终端的要求52.1.2 计算机监控中心的要求52.2 远程监测终端功能分析62.3 计算机监控中心软件

15、功能分析62.4 系统技术参数72.4.1 运行环境72.4.2 测量参数及要求72.4.3 无线通信范围73 总体设计方案83.1 设计原则83.2 系统方案83.2.1 远程监测终端的结构93.2.2 计算机监控中心的结构103.3 系统方案的可行性103.4 系统开发涉及的相关内容123.4.1 GPRS网络123.4.2 GPRS模块选型163.4.3 M23A GSM/GPRS模块163.4.4 AT指令集183.4.5 远程监测终端的外设备选型193.4.6 远程监测终端的微控制器243.4.7 开发工具274 远程监测终端的硬件电路设计294.1 系统电源设计304.2 数据采集

16、模块的电路设计314.2.1 微控制器外围电路314.2.2 实时时钟电路344.2.3 数据采集模块的供电电路344.2.4 数据采集模块的串行通信电路354.2.5 模拟信号采集电路364.2.6 开关量输入处理电路374.6.7 开关量输出处理电路384.2.7 LED及蜂鸣器电路384.2.8 SD卡接口电路394.3 GPRS通信猫的电路设计414.3.1 M23A模块供电电路414.3.2 M23A模块启动电路414.3.3 M23A模块通信接口电路424.3.4 SIM卡接口电路434.4 键盘与显示模块的电路设计445 远程监测终端的软件设计475.1 软件设计方法475.1.

17、1 有限状态机485.1.2 事件驱动的程序设计方法495.2 远程监测终端底层驱动程序设计525.2.1 STM32固件库525.2.2 系统时钟节拍驱动程序545.2.3 串口底层驱动程序555.2.4 M23A GPRS通信驱动程序575.2.5 图像采集驱动程序635.2.6 开关量采集驱动程序645.2.7 模拟量采集驱动程序655.2.8 SD卡驱动程序665.2.9 键盘与显示驱动程序685.3 远程监测终端应用层程序设计716 计算机监控中心的软件开发756.1 数据库的选择766.2 功能模块的设计776.2.1 用户管理模块776.2.2 系统查询模块797 结论81致 谢

18、82参考文献83附录A：数据采集板原理图1-186附录B：数据采集板原理图1-287附录C：GPRS通信猫原理图88附录D：键盘显示板原理图89攻读学位期间发表的论文目录90攻读学位期间参与的项目90原创性声明及关于学位论文使用授权的声明91基于GPRS的分布式油田原油计量和防盗系统设计1 绪论1.1 项目背景及研究的目的和意义能源问题是一个国家经济发展的命脉，它严重影响着工业化进程的步伐。而石油能源又被誉为“工业的血液”，因而一个国家石油的储量将很大程度影响该国经济发展的速度。我国是一个石油资源不十分丰富的国家，自1993年开始，我国便超越日本成为仅次于美国的世界上第二大石油进口国1，能源机

19、构预测显示，为了保持高经济增长势头，在2040年，中国将有87的原油依赖于进口2。我国相当一部分油田的井场属于分布式布局，分布式布局指的是油井数量多且分布比较零散，各个井场之间相隔几十甚至上百公里，分散布局在各个山头或沟壑，每个井场由310口井组成，每口油井独立对应一个标准储油罐。由于各个井场储油罐相距较远，目前采用的储油方法是各井场独立存油，一段时间后再通过拉油车将原油运输到储油中心。管理方面当前多采用看井工人工管理和统计每日原油灌的储存量，缺少必要的监控手段，所以错报漏报甚至瞒报现象时有发生，并且由于缺乏监管机制，使不法分子有机可乘，偷盗油现象很严重，据有关资料，目前陕北共有分布式油井3万

20、多口，以产油100万吨为生产计划，历年来丢油的数量十分惊人，被偷盗原油占总产量的1015之间3。以上存在的问题对油田的管理带来很大影响，并严重影响了经济效益。随着我国国民经济的高速发展，市场对石油的需求也日益增多，面对市场经济中石油企业之间的激烈竞争，如何采用集中化、自动化、网络化的技术手段来实现对分布式油田的原油计量与防盗，降低生产运行维护成本，提高工作效率，以取得更好的经济效益，是分布式油田管理面临的新问题。针对分布式油田原油计量和防盗存在的问题，本论文提出了油田的原油计量和防盗的自动化监控管理方案。该方案运用GPRS无线技术作为通信媒介，利用自动化监测技术，实现对分布式油田的原油计量和防

21、盗的远程监控，可以节省人力物力，降低劳动成本，改善工人工作条件，提高生产效率与管理水平。1.2 项目的国内外研究现状经过多年的发展，我国石油勘探开发领域技术水平发展很快，并取得良好的经济效益，而在对采油现场的原油生产自动化管理上，国内石油企业与国外同行还是有一定差距。国外的油田大多采用数字化信息技术对油田进行实时监控，国内目前只有少数大型、集中分布的油田能够实现自动化控制，多数的分布式油田工作状况的管理基本上还是依靠人工的方法测控，大量参数需要报交技术人员进行分析判断再得出相应结论。针对原油的计量和防盗，国内目前的发展状况是：在原油计量方面，国内自二十世纪八十年代末在原油计量管理上推行了三级计

22、量4（分厂计量、分矿计量、分队计量），采用单独计量、计算管理模式，该模式对于当时国内各油田都处于开发中期环境下，原油生产计量、外输交接、生产管理与决策起到了很大的作用。随着国内大部分油田开发都进入到后期，产能递减，产液量增加，油井、计量站规模加大，原三级计量管理模式在某种程度上不能满足当前油田开发生产的需要。近年来国内对原油计量的研究主要有：李昌岭工程师用流量计对原油进行实时测量，用标量体积管来完成对流量计的在线标定5；刘晓良工程师采用三相工艺流程对原油进行测量，用油气分离器和压力平衡器对液位进行标定6；侯鹏倩工程师应用靶式流量计的原理，对原油计量中的密度进行了修正，解决了含有泥沙杂质的原油计

23、量问题7。长庆气田采用差压式孔板流量计，实现了计算机连续测量，保证了计量的准确性8。袁波等人应用玻璃管液面计量法，实现对油田的遥控遥测和无人值守9。在原油防盗技术研究方面，随着计算机和信息图像技术的不断发展，越来越多的技术手段被应用在原油防盗问题的解决上，但目前的研究主要集中在对原油的管道运输防盗上。大港油田应用声波原理，以管道做信道，大地做回路实现了原油防盗及阴极保护参数自动遥测监控系统，可实时对原油输送管道及阴极保护参数进行有效的检测10。华北油田安装数字视频监控系统，以视频替代了操作人员的巡视11。李华工程师在长庆油田采用瞬态负压波法，实现长输管道的泄漏定位，并实时反馈给控制中心12。孔

24、令波工程师在胜利油田应用流量预警器，开发了单井防盗报警系统13。纵览国内外关于油田原油计量和防盗的研究现状及发展趋势，为油田原油计量与防盗远程监控方面的研究奠定了扎实的基础。但在迅速发展的同时还应当看到对于集中式储油的管线运输防盗与计量问题研究的相对较多，而对分布式井场原油计量与防盗和现场设备防盗的研究相对较少。1.3 论文的主要研究内容分布式油田原油计量与防盗系统是要实现在生产管理控制中心，对分散在各局部地域储油罐的实时监控，随时掌握各油罐的储油量及总体储油量，同时若有原油被盗时现场报警，拍摄现场照片，以为日后办案提供证据的功能。整个系统旨在提高管理水平，为管理者提供科学准确的决策依据，主要

25、的研究内容有：（1）储油罐液面的探测 储油罐内部液面的变化直接反映着原油的储量和正常、异常放油的情况，对原油液面探测是系统实现的前提和关键。储油罐在野外，风沙大，温差大，环境恶劣，因此还必须研究非接触式测量在恶劣环境下探测容积变化的模式和方法，以及工作的准确性、可靠性和安全性等问题。（2）数据采集 通过传感器将液位变化的物理量和储油罐阀门开启位置的变化量转换为数字量，对数据实时采集、整理和前期运算处理，为数据显示和传输做好准备。（3）无线数据传输 由于各井场分散式布局，距离远，地形地貌复杂，从经济安全角度考虑，采用无线数据传输技术。利用GPRS网络，建立无线通信通道，把所采集的数据上传到计算机

26、监控中心。同时还需要研究在无线数据网络偶然出现信号受阻问题的时候，如何保障测量数据的连续性，数据不丢失。（4）建立可靠的防盗报警系统原油的防盗报警是整个系统的重要功能，从多个方面保证报警系统的可靠性，一是研究放油阀门异常开启的报警，即开关报警量；二是研究油位在非正常时间，异常变化的报警，即模拟报警量；三是当有异常报警发生时，采集现场图片数据，为日后办案提供证据。此外考虑现场经常也有其他设备被盗的现象，同时也要研究诸如变压器、电机等设备的防盗报警功能。1.4 论文的组织结构本项目源自于陕西省教育厅科技产业化培育项目，项目编号07JC05，根据本人在项目中承担的任务，论文中对远程监测终端的硬件和软

27、件开发作了详细介绍，对计算机监控中心软件开发只作了简要介绍，论文最后对远程监测终端的开发设计作了总结。论文共分为7章，其组织结构如下：第1章 绪论。主要介绍项目背景及研究目的和意义，国内外研究现状，最后给出了本文的主要研究内容和组织结构。第2章 需求分析。根据系统需要解决的问题，对整个系统进行了功能分析，确定了系统各个部分的功能，最后给出了系统的相关技术参数。第3章 总体方案设计。首先说明了整个系统的设计原则，提出了系统总体设计方案。整个系统由远程监测终端和计算机监控中心两个部分组成，介绍了这两个部分的结构框图，然后对整个系统的可行性进行了分析，最后对远程监测终端开发将用到的相关技术进行了介绍

28、。第4章 远程监测终端的硬件电路设计。远程监测终端采用模块化的电路设计方法，依据系统功能自顶向下的把硬件分成了五个模块，文中对各个模块的电路进行了详细说明。第5章 远程监测终端的软件设计。远程监测终端的软件通过先分层、结合有限状态机、利用事件驱动的编程思想来设计的。文中先介绍了软件编程的思想，在此基础上对远程监测终端的底层驱动程序和应用层程序进行了介绍。第6章 计算机监控中心的软件开发。文中简要介绍了系统中使用的数据库和监控中心部分功能模块。第7章 结论。文中对所做的工作进行了总结，并提出了目前存在的不足和今后改进的方向。2 需求分析充分理解需求信息对系统开发的成功至关重要，对需求进行详尽的分

29、析、准确的描述可以缩短开发周期、降低后期开发成本，也是设计高质量、高可靠性系统的首要工作。本章通过对分布式油田的原油计量和防盗需求上进行分析，以明确开发目标，满足油田管理自动化应用需求。2.1 系统要解决的问题整个系统主要解决分布式油田的原油计量和丢盗油问题。分布式油田的特点是：井场井群分散布局在各个山头或山沟之间，每个井场由310口井组成，每口油井独立对应一个标准储油罐，待标准油罐储存满后，由2050吨的油罐车运到统一的集油站，完成由分散到集中的过程。集中后的原油计量与保管非常标准正规，本系统主要针对的是分散过程的原油计量与丢盗油问题，主要包括以下两个方面的内容：（1）研发原油实时动态计量系

30、统。解决长期以来油田存在的计量方式简陋，实时性差，人为误差大的问题。（2）设计防盗油报警系统。针对分布式油田油井分布的地域广，不好管理的问题，解决丢盗油现象。2.1.1 远程监测终端的要求系统针对分布式油田的实际状况，要求监测终端应具备以下功能：（1）用非接触测量方法，对油罐内的原油进行实时测量。（2）对油罐阀门的开关及设备的运行状态能进行远程监控。（3）当有偷盗油时，抓拍现场图片并报警。（4）油罐有油位上限报警功能及现场油位显示功能。（5）采用无线数据传输方式上传检测的各类数据。（6）现场调试、参数设置功能。（7）故障自诊断功能。（8）电源必须冗余设计，确保系统供电。（9）具备一定的升级换代

31、和扩展功能。2.1.2 计算机监控中心的要求计算机监控中心要求实现以下功能：（1）显示远程现场监测终端的测量信息。（2）应能自动生成油罐存油的日、月、年报表。（3）统计分析功能，可以查询任意油罐中原油的现存量，历史存量。（4）下达各种测控指令。（5）建立数据库存储现场数据。（6）及时的数据备份，保证数据不丢失。（7）报表打印功能。2.2 远程监测终端功能分析分析整个项目对远程监测终端需求的功能，总的来说应具备如下几点：（1）具有数据采集存储功能。远程监测终端的基本功能是实时监测存油罐中油位高度、油罐阀门状态、报警器状态，当报警器被触发时，采集现场的图片数据，以为办案提供第一手资料。（2）具有数

32、据处理功能。远程监测终端对模拟量可分别设置报警上、下限，有效上、下限，当数据越限值时可生成报警记录。（3）具有通信功能。远程监测终端把各监测数据通过GPRS无线网络发送至计算机监控中心，其通讯方式采用突发事件主动上报和定时上报两种。远程监测终端也能接收来自监控中心的各种命令。（4）具有电源切换及电池充电功能。当有交流电源时系统使用交流电源为系统供电，并给蓄电池充电。当交流供电丢失时，系统能够自动切换到由蓄电池为系统供电，并保证系统在电池供电的情况下可以持续工作一定的时间。（5）具备一定的功能扩展能力。本课题中以分布式油田采油现场的储油罐为对象，实现原油的计量和防盗，整个系统可以稍加修改应用到其

33、它设备的远程监控上，另外远程监测终端的硬件设计也为系统的功能扩展留有余地，以进一步实现对采油现场抽油机等设备的监控。2.3 计算机监控中心软件功能分析根据项目需求，计算机监测中心软件应具备通信、数据库管理及数据处理、各种显示、报表打印和参数设置等功能，计算机监控中心软件的功能分述如下：（1）通信功能。计算机监控中心通过固定的IP地址接入Internet网络，接收监测终端采集的数据；同时可下达各种控制命令给远程监测终端。（2）数据库管理及数据处理功能。建立数据库存储现场数据，对通信采集的原始数据进行加工处理、并进行各种累计和统计工作。（3）显示功能。全部数据列表、分组数据列表、单点的历史数据列表

34、（年、月、日）显示、故障列表显示等功能。（4）报表功能。以表格的形式，记录、显示各监测点的数据信息，可代替人工抄表填写工作运行报表。（5）打印功能。提供多种打印方式，可根据需要将报表打印出来。可打印的内容包括各种报表、统计图表、趋势曲线等各种表格。2.4 系统技术参数2.4.1 运行环境（1）各监测点分散分布、距离远、地形和环境复杂。（2）温湿度变化范围大。（3）各种电磁干扰。2.4.2 测量参数及要求本系统监测的物理量共三种，分别是模拟量信号、开关量信号和视频信号。（1）油位变化范围：08米；测量精度：30毫米。（2）外部开关量电平输入：高电平16V24V，低电平0V8V。（3）视频信号接口

35、方式：RS232。2.4.3 无线通信范围GPRS：在移动基站覆盖的地域。3 总体设计方案3.1 设计原则系统的设计原则体现了整个系统的实现思路，是系统实现的技术基础和依据。根据分布式油田现场的实际情况，本系统中按下列原则进行了总体设计：（1）可靠性原则可靠性是整个系统的基本要求，在使用中要求系统具有抗恶劣工作环境的能力，无故障工作时间长。具体包括硬件系统的可靠性设计，软件的抗干扰和可靠性设计、系统故障的自保护、自检、自诊断设计、元器件与参数合理选择等几个方面。（2）先进性和实用性原则系统从分布式油田的实际需求出发，远程监测终端既可单机运行，也可以与计算机监控中心联网运行。由于GPRS网络在全

36、球范围内己经实现了联网和漫游，本系统通讯方式构架于GPRS网络平台，无需进行重新投资建设通讯网络，降低了系统投资。（3）模块化结构设计原则模块化结构的硬件产品使系统配置灵活，紧凑简便，易于升级和维护。为方便以后系统功能的扩展，系统设计上留有扩展余地，使整个系统具有发展潜力，能顺利过渡到下一代。（4）操作、维护的简便性原则根据简便性原则，产品设计要便于操作。远程监测终端的操作设置要方便，符合操作者使用习惯；计算机监控中心为可视化图形界面，操作简单、维护方便，保证系统长期可靠运行。3.2 系统方案分布式油田原油计量和防盗远程监控系统是将安装在井场储油罐上的各种传感器采集数据（油位、阀门状态、报警器

37、状态）利用GPRS无线通信平台传输至计算机监控中心，监控中心的管理人员利用计算机分析、汇总，实时掌握采油现场的储油量，辅助于管理者决策。另外还有原油被盗时现场报警，远程监测终端拍摄现场照片，照片数据分本地和计算机监控中心两地保存，为日后办案提供证据的功能。整个系统分为远程监测终端和计算机监控中心两个部分。远程监测终端主要完成数据采集、数据传输、现场报警、显示和设置等功能，计算机监控中心主要完成对远程监测终端采集数据的分析和存储、实时显示、报表打印等功能。由于采油现场储油罐数量众多，各个井场分布也很分散，整个系统中应用GPRS无线通信网络，将计算机监控中心和各个远程监控终端联系起来。整个系统的结

38、构框图如图3-1所示。图3-1 系统总体结构框图Fig3-1 Overall system structure diagram3.2.1 远程监测终端的结构根据整个系统对监测终端的功能需求，远程监测终端的硬件结构框图如图3-2所示。图3-2 监测终端的硬件结构框图Fig3-2 Monitoring terminal hardware structure diagram远程监测终端以微处理器为核心，包括图像采集、时钟、键盘与显示、数据存储和报警等电路。传感器输出信号先经过调理电路，再经过模数转换变为数字信号，微处理器对处理后的数据进行本地存储和显示，并将这些数据通过GPRS模块发送至监控中心。远

39、程监测终端的供电分为三部分：系统板供电，传感器供电和GPRS通信模块供电。关于远程监测终端各个部分电路的设计，后面章节有详细介绍。3.2.2 计算机监控中心的结构计算机监控中心系统由接入Internet网络的通用计算机、打印机等组成。监控中心通过固定的IP地址接入Internet网络，从网络上接收远程监测终端传输来的监测数据。计算机监控中心的结构如图3-3所示。图3-3 监控中心结构框图Fig3-3 Control center structure diagram本系统设计中选用了数据中心申请固定的公网IP的方式， 采用该方式对整个系统的运行费用影响不大，但却可提高通信质量，保证数据传输的可靠

40、性。3.3 系统方案的可行性整个系统主要涉及原油油位计量和防盗、GPRS无线数据通信几个方面，以下就各个方面的可行性分别进行说明。在油位计量方面，近年来由于光纤和超声波等高新技术不断的涌现，油位监测已进入多功能、高精度的新阶段。根据所选液位敏感元件的不同，液位测量的方法主要分为接触式测量和非接触式测量方法14，如图3-4所示。图3-4 液位测量方法Fig3-4 Level measuring method随着监测技术的发展，非接触测量法中的浮沉式的测量方法因机械部分不便于维修和更换，现在很少会使用它，热感式、电感式和称重式测量方法，因精度和应用范围的限制，不具备通用性，多用于小型油罐上。本系统

41、中采用的是超声波非接触测量方法，选用的是重庆兆易公司的RISEN-BS1KA0型号超声液位变送器，该变送器集超声波传感器、温度传感器、超声伺服电路、变送电路为一体，内部电磁屏蔽及出厂四十八小时高低温老化，使其具有很高的稳定性和长期可靠性。壳体采用质地坚固且声学特性好的合成材料，其外形精巧美观，防水、防尘，可适应大多数工况现场。在防盗监控方面，由于分布式油田的油井大多分散在人烟稀少的山脉里，即使报警，待相关人员到达时只能亡羊补牢，因此普通的防盗报警系统只能起到警示作用。本系统中应用了红外线传感器和摄像设备，当红外线传感器被触发有警情出现时，摄像设备拍摄井场附近的图片，为日后办案提供证据，这样可有

42、效打击盗油犯罪分子，从而减少或杜绝偷盗油现象，提高经济效益。在GPRS无线数据传输方面，目前GPRS无线通讯网络信号覆盖范围广，通讯速率较高，是一种具有高实时性和高可靠性的通讯方式，本应用中将GPRS作为整个系统的通信网络，可以节约自己建设通信网络的成本，整个系统的运行费用也比较低。综上所述，整个系统方案能够满足分布式油田对原油计量和防盗的要求，具有良好的可行性。通过对油田现场储油罐油位的实时监控，可以杜绝由人工计量造成的错报漏报等现象，实现计量站无人值守、减员增效，提高油田管理自动化水平；通过系统中的防盗报警措施，可以减少或杜绝偷盗油现象，提高企业的经济效益。3.4 系统开发涉及的相关内容3

43、.4.1 GPRS网络（1）几种通信方式的比较按传递信息的媒质不同，通信可分为两大类15。一类称为有线通信，它是利用导线来完成信息传递的；另一类称为无线通信，它是利用电波在空气中的传播实现信息传递的。目前常用有线和无线的通信方式主要有：电话线拨号、无线数传电台、基于GSM短消息的数据传输、基于GPRS的数据传输等方式。各数据传输方式的比较见表3-116。表3-1 各数据传输方式的比较Tab3-1 Comparison of various data transmission modes电话线拨号无线数传电台短消息GPRS模式覆盖范围窄20Km较宽较宽通信速率56Kbps1.2Kbps160字节

44、/包21.485.6Kbps建设成本高高较低较低运行费用高一般较高较低实时性差差差高可靠性一般低一般较高相比于GPRS数据传输模式，其它各通讯方式的优缺点如下16：1）电话线拨号。这种方式存在建设费用高、施工周期长、扩展性差、设备维护难等缺点。2）无线数传电台。无线数传电台属于专用网络，利用无线信道进行数据传送，网络可以覆盖二、三十公里范围内。无线数传电台的优点是传输频带较宽，通信容量较大，除了交每年的占频费外，平时运行无需格外费用。其缺点是需申请频点使用权，受地形、气候的影响较大，系统的可靠性、实时性较差。3）基于GSM短消息的数据传输。这是一种非连续性数据传输，具有通信范围广的特点。其主要

45、缺点是信息按条收费，费用较高，只能传送小流量数据（限于160字节），存在短消息延时、丢失和拥塞等现象，实时性不强。而利用GPRS作为数据通信网络具有如下优势1718：u 永远在线。即用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送，终端还一直与网络保持联系。u 采用数据流量计费。用户可以保持一直在线，只有在读取数据的时候占用资源并进行付费，改变以往按连接时间计费的方式，这将节约用户资费。u 传输数据速率高。GPRS 网络的传输速度最大可以高达170Kbps，速度的高低取决与网络运营商的设置。现在根据中国移动公司的情况，网络的传输速度可以稳定在2040Kbps。u 组网简单。GPRS的无线数字数据网DD

46、N（Digital Data Network）可以通过Internet网络随时随地构建覆盖全国的虚拟移动数据通信专用网络，与数据中心一起提供透明数据传输通道，组成用户专用数据网络，为广大的中小企业提供接入便利、费用低廉的通信方式。u 通信链路由运营商维护。由于采用中国移动的GPRS数据业务，因此链路维护也由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧。u 可靠性强。系统具有纠错、重发机制，从而确保资料的完整性和正确性。系统具有自动恢复功能，在GPRS 网络状态不稳定的情况下，保证系统稳定工作，而无需人工干预。u 接入时间短。GPRS 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。u 数据安全性高

47、。系统在数据传输过程中加入了加密机制，资料可以在公网上安全地传输。总的来说，利用GPRS进行数据传输具有：“永远在线”、“按流量计费”、“高速数据传输”等优点。GPRS作为目前和将来大规模发展的一种组网方式，具有分布式、集散型、网络化、开放式特点，在工业控制、环境保护、水利水文监测、报警等领域中得到愈来愈广泛的应用1920。鉴于GPRS已在工业上应用比较成熟及其本身通信方式的优点，我们选用GPRS作为本系统中数据传输的网络。（2）GPRS概述GPRS是通用无线分组业务GeneralPacketRadioSystem的缩写，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务21，是GSM网络向第三代

48、移动通信演进过程中的过渡技术。GPRS将移动通信技术和IP技术有机结合，组成了移动IP网络，与高速发展的固定IP网实现无缝连接，为用户提供数据、语音、图像等多媒体业务22。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。有了GPRS，用户的呼叫建立时间大大缩短，几乎可以做到“永远在线”。此外，GPRS是以营运商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而令每个用户的服务成本更低23。GPRS是在原有的基于电路交换数据业务CSD（Circ

49、uit-switched data services）方式的GSM（Global System of Mobile communication）网络上引入了两个新的网络节点24：GPRS服务支持节点SGSN（Serving GPRS Suport Node）和网关支持节点GGSN（Gateway GPRS Suport Node）。GPRS服务支持节点和移动交换中心MSC（Mobile service switching center）在同一等级水平，并跟踪单个MSC的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统。网关支持节点GGSN支持与外部分组交换网的互通，并经由基于IP的G

50、PRS骨干网和GPRS服务支持节点SGSN连通。图3-5给出了GPRS与Internet连接的框图。图3-5 GPRS与Internet连接框图Fig3-5 GPRS link with Internet diagramGPRS终端通过接口从数据采集器取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站。分组数据经SGSN封装后，GPRS服务支持节点SGSN通过GPRS骨干网与网关支持接点GGSN进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。（3）GPRS的几种组网方式25利用GPRS网络进行无线数据传输，数据链路的建立是关键，数据链路建立的方式

51、如图3-6，主要有：数据中心通过ADSL拨号上网、数据中心申请固定的公网IP、数据中心使用专线方式连接至移动网关、数据中心通过VPN隧道连接和点对点连接几种方式。图3-6 GPRS几种组网方式Fig3-6 Several GPRSnetwork connections modes1）数据中心通过ADSL拨号上网这是一种最经济的方案，数据中心通过普通的ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）包月业务连接上Internet。但是每次连上Internet后数据中心获得的公网IP地址都不一样，所以在GPRS数据采集终端中无法直接设置目标IP来连接数据中心。2）数

52、据中心申请固定的公网IP该方案和ADSL拨号方式类似，只是使用该方案时，用户需要向网络服务提供商（比如电信、网通）申请一个固定的公网IP地址。使用该方案的优点是具有较高的稳定性，并且速度上较普通ADSL更快些，缺点是费用稍高，具体情况请咨询当地的网络服务商。3）数据中心使用专线方式连接至移动网关中国移动针对行业应用还推出了无线数字数据网DDN（Digital Data Network）业务，该业务使用数据专线连接用户的数据中心和GPRS网络的网关支持节点GGSN。该方案的优点是具有更高的速度和更低的时延，并且在网络稳定性和在数据安全性方面也有较大的提高，但是费用较高。4）点对点连接当数据中心无

53、法连接公网Internet 时，可以使用点对点连接方式。在这种方式下，与数据中心相连的GPRS通信终端要设置为服务器模式，远程的GPRS数据采集终端要配置为客户机模式。5）VPN隧道连接中国移动的无线数字数据网DDN业务除了数据专线方式外还有VPN隧道方式，该方式指数据中心通过公共Internet与GPRS接入平台间建立起IP隧道来进行连接。该方案比专线方式更经济，而速度和数据安全性比数据中心通过ADSL拨号上网的方案更有优势。在分布式油田原油计量与防盗系统的开发中，综合考虑以上几种GPRS组网方式的优缺点，以及为便于整个系统的开发和后期维护，我们使用了数据中心申请固定的公网IP的组网方式。3

54、.4.2 GPRS模块选型GPRS技术把Internet的通讯方式引入到了无线通信领域，实现了无线网络与有线网络的互连。无线用户可以很方便地采用熟悉的标准TCP/IP通讯模式与Internet直接交换数据，也就应运而生了GPRS终端产品。GPRS模块就是为使用GPRS服务而开发的无线通信终端设备，因此在开发GPRS终端产品的时候，就而临着如何选择一个低成本、易开发的GPRS模块的问题。目前市场上GPRS模块很多，从功能来分，GPRS模块可以分为两类：通用的GPRS模块和内置TCP/IP协议栈的GPRS模块。（1）通用的GPRS模块这一类模块的特点是只支持GPRS短信的收发模式，本身不具备TCP

55、/IP协议处理功能。应用此类模块时，终端软件基本要求是要能处理PPP拨号和网络协议。当处理能力不强或没有操作系统时，需要用户自己开发或者移植一些协议，编程实现GPRS的拨号上网、PPP配置并最终建立TCP/IP网络节点，实现GPRS的附着和激活过程，此后才能与Internet通信，因此用户的开发任务较重，有时甚至超过了应用本身的工作量。此类模块的代表为Siemens公司的MC35、SonyEricsson公司的GR47、Motorola公司的G18、Wavecom公司的Q2403系列等。（2）内置TCP/IP协议栈的GPRS模块这一类模块是在通用GPRS模块基础上内置TCP/IP协议实现的，用

56、户一般只需要调用相应的AT命令对其进行设置，模块自身就会完成GPRS网络和Internet的互连，然后实现数据传输，开发过程比较简单。代表如Siemens公司的TC45、Motorola G20、SIMCOM公司的SIM100、BenQ公司的M23A等。随着GPRS技术的不断发展，GPRS模块的功能越来越强大，成本却越来越低，综合考虑到成本和开发难度，做无线数据传输开发时选用内置TCP/IP协议栈的GPRS模块才是明智之举，因此在远程监测终端的开发中选用的是BenQ公司内置TCP/IP协议栈的M23A GSM/GPRS模块。3.4.3 M23A GSM/GPRS模块M23A GSM/GPRS是

57、BenQ公司推出的GSM/GPRS双频通信模块42，它集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，适合于开发基于GSM/GPRS的无线应用产品，如无线终端、报警/安防系统、远程控制等产品，应用范围十分广泛。M23A GSM/GPRS模块主要的性能指标如下：u 外形尺寸55.5405.85mm，重量13克；u GPRS Class 8 多时隙功能，Class B操作模式；u 支持EGSM900/DCS1800/PCS1900三个频段；u 支持3V SIM卡接口；u 在GPRS数据通信模式下消耗电流最大280mA；u 电源电压范围：直流3.3V到4.5V；u 工作温度：-20摄氏度到60摄氏度；M2

58、3A GSM/GPRS模块共有44个引脚，通过一个插槽引出。这44个引脚大致可以划分为5类，即电源接口、数据输入/输出、SIM卡接口、音频接口和控制接口。在接口座上各引脚的编号及位置如图3-7所示。图3-7 M23A模块引脚编号及位置Fig3-7 M23A module pins number and locationM23A GSM/GPRS模块的各个引脚的功能如表3-2所示。表3-2 M23A模块引脚功能Tab3-2 M23A module pins function接口名称引脚数量功能说明UART/RS2326RS232传输接口UART22内部软件调试BU1蜂鸣器驱动引脚GPIO6常规用

59、途I/OPower On1启动引脚LED Driver1二极管驱动引脚SIM4SIM卡接口VBATRF3电源输入VBATBB1电池输入Audio7音频信号接口Keypad Interrupt1键盘中断BGND10地ANT1天线M23A GSM/GPRS模块支持外部SIM卡，可以直接和3.0V的SIM连接，模块能自动检测和适应SIM卡类型。为使用模块的GPRS功能，应用时选用的SIM卡需要开通GPRS业务。M23A GSM/GPRS模块还提供标准的RS-232串行接口，用户通过串行口使用AT命令完成对模块的操作。3.4.4 AT指令集AT命令是Hayes公司为MODEM（调制解调器）制定的一个控

60、制指令集，用于数据终端（计算机）和MODEM之间的通信。由于Hayes公司生产的MODEM产品在工业界占有主导的地位，为了保持产品的兼容性，其它MODEM制造厂商也接受并使用了AT指令，因此AT命令目前在工业界已经成为一个事实标准，非Hayes公司的MODEM 产品也都支持AT指令集。AT命令通常是由字符AT或at（大小写应一致）作为前缀，MODEM从这两个字符中检测出计算机使用的波特率、字长、奇偶校验等信息。发给MODEM的指令一般使用7个数据位、一个奇偶位和一个停止位组成的帧，也可以使用有8 个数据位、无奇偶位和1个停止位组成的帧，另每个AT指令都是以“rn”作为结束符。表3-3 GPRS

61、 相关的 AT 命令Tab 3-3 Correlative AT command of GPRSAT指令指令功能使用举例（指令意义）AT+IRP设置模块串口通信速率AT+IRP=0(模块自适应串口通信速率)AT+COPS设置是否自动登陆网络 AT+COPS=1（选择自动登陆网络）AT+CREG当前网络注册情况AT+CREG=1（查询是否登陆上网络）AT%CGPCOPCO字符串激活指令AT%CGPCO=1,PAP,1 （激活PCO字符串）AT+CGDCONT定义PDP文本指令AT+CGDCONT=1,IP,CMNET（定义PDP文本）AT$DESTINFO设置将连接的IP地址AT$DESTINF

62、O=10.181.170.1,2,5001,0（将连接的IP地址：10.181.170.1，端口5001）ATD*97#对设置的的IP地址拨号，进入数据传输模式ATD*97#（连接已用AT$DESTINFO指令设置的IP地址和端口号）+从数据传输模式返回指令模式命令+（返回指令传输模式，模块又能接收AT指令；在数据传输模式下，指令将被当成数据）表3-3只列出了系统设计时使用到的AT指令，关于GPRS相关的AT指令的详细材料请参见本论文的参考文献48。3.4.5 远程监测终端的外设备选型为了实现分布式油田的计量和防盗，采集需要监测的各物理量，远程监测终端使用了超声波液位变送器、图像采集卡、红外对射探测器和接近开关等几个监测设备，以下对远程监测终端使用的各个设备的原理和性能作简要介绍。（1）超声波液位变送器超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点，以超声波作为监测手段，并将输出信号转换成工业上常用的标准信号的液位变送器就是超声波液位变送器。超声波液位变送器的工作原理是由超声波探头发出高频脉冲声波，声波遇到被测物位表面被反射，换能器接收反射回波转换成电信号。由于声波脉冲发射过程中机械惰性占用了传输时间，使靠近超声波换能器的一小段区域不能接收声波，这个区域称为盲区，盲区大小与超声波的量程有关。