摘 要： 为实现对远程油田生产现场的监控，提出了一种基于移动通信网络进行远程传输工业生产数据的设计方案。使用EM310模块以及采集设备构成的整个采集系统，通过GPRS网络组成了一种全新的远程油田监控系统。通过实际联网测试，验证了设计方案的可行性。该方案具有可移动性、稳定性较强，受地理环境因素干扰小等优点，具有广泛的应用背景。
关键词： 远程监控； 油田监控； 移动通信网络； EM310模块
中图分类号： TN711⁃34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）11⁃0036⁃04
0 引 言
随着信息产业的高速发展，信息数字化概念在国内越来越多的领域中已经被广泛接受，尤其是关系到国家经济发展的能源行业。目前，国内各大油田采用铺设骨干网进行信息管理，但是其严重依靠网络信号，需要生产单位自己铺设网络，并且地理地貌的复杂，更加导致铺设网络的成本加大，施工难度上升，这样造成的后果是成本高，同时起效慢[1⁃6]。针对陕北油田生产区的地表特点，考虑到沟谷纵横，梁峁交错，地形较为复杂，总体交通条件较差的情况，并对铺设网络的优缺点进行分析，提出了基于移动通信网络（GSM）进行油田的数字化建设。
1 系统的总体设计
系统通过移动通信网络的短信功能实现上位机与下位机通信，因此为了能够利用移动通信网络，需要分别对上位机和下位机安置GSM模块。GSM模块是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信、语音通话、GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。
GSM模块提供RS 232串口和MCU（单片机）或者ARM进行通信，因此上位机和下位机都是以串口方式与GSM模块通信，而操控GSM模块工作的指令是AT指令集。AT指令一般应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信，是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的。通过它，终端设备发送AT指令来控制移动台，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。整个系统的设计框架如图1所示。两个GSM模块完成了上位机和下位机之间的数据传输功能，而上位机通过GSM模块将管理系统下发的控制命令发送至连接下位机的GSM模块，下位机读取存储在GSM模块中的未读信息来接收上位机下发的指令，从而完成相应的操作控制。反之，下位机将油田现场的生产信息通过GSM模块发送给连接在上位机的GSM模块，上位机读取存储在GSM模块中的未读信息来接收下位机发来的信息，并通过分析及归类，直观地将数据信息呈现给管理人员，为其提供决策支持。
2 移动通信网络的短信息功能及数据帧设计
2.1 移动通信网络的短信息功能
移动通信网络的短信功能是通过GSM系统的信令通道来传送短信息的，通过SMSC完成接收、存储和转发用户的短信息。目前，接收和发送SMS短信有三种方式可供选择，它们分别是：Block Mode，Text Mode和PDU Mode。其中，Block Mode方式发送短信需要使用Block机生产厂家提供的驱动支持，目前已经没有厂家公布支持这种短信发送模式。Text Mode方式发送短信很方便，是纯文本方式，可使用不同的字符集，从技术上说也可用于发送中文短消息，但国内手机基本上不支持，主要用于欧美地区，同时Text Mode的发送数据格式也不适合做自定义数据传输，因此选用PDU模式。PDU Mode被所有的手机支持，可以使用任何字符集，这也是手机默认的编码方式。
2.2 数据帧设计
对于GSM远程通信系统，数据通信报文并无统一标准，可以根据具体情况自由设计不同通信终端之间的数据通信报文。由于GSM网络的短信数据通信接收端可以通过普通手机实现短信接收，所以必须在短信数据通信报文设计中可以进行数据加密设计，以防止非法用户对GSM短信数据通信报文的破解和滥用，保证整个SMS短信控制系统的稳定性。采用PDU模式发送短信，用户只能最多发送140 B的短信内容，而合理地利用这140 B的内容来实现系统所要求的各个功能，就需要涉及到如何制定更加简单，有效的数据协议，以此确定在不同的短信内容中包含了什么样的信息，最终完成上位机系统和下位机系统之间的操控命令和数据交换。考虑到系统应具备的功能需求，以及采用PDU模式发送短信的特点，制定了以下数据的协议。表1为PDU数据包中，在用户信息码段上制定的数据传输协议，其中，以‘$’作为短信数据通信报文的帧头字节；1 B作为设备类型；2 B作为油罐ID；1 B作为命令字；1 B报文长度，指的是报文内容的长度；报文内容受PDU短信数据包的用户信息长度的限制，一般在0～34 B之间。
为了确保上位机及下位机读取到的短信是正确的，因此需要设定一个帧头字节来确认接收到的短信是否为系统的另一方所发。由于在数据传输中，没有使用到‘$’字符，因此选择其作为帧头字节，这样不会发生传输的数据与帧头字节相同时，而导致的无法或者错误地提取用户信息。
由于整个系统的短信发送对象包含了上位机短信发送对象和下位机短信发送对象，如何辨认接收到的短信为这两对象的某一对象所发送的，需要设定一个设备类型。设备类型一共占一个字节，当设备类型为0时，代表上位机系统所发送的短信；当设备类型为1时，代表下位机系统所发送的短信。
在油田生产时，每一个油罐对应了一口油井，因此一个下位机系统对应了一个油罐。在采集数据时，获知接收到的数据归属于哪一口油井就显得十分重要。数据传输协议中的油罐ID就是为了解决这一问题，它对应了连接同一个上位机系统的所有油罐的惟一编号，其范围为1～65 535。
占一个字节的命令字是整个数据报表中最为重要的一部分，它表明了这条短信所含的内容是属于哪一类的信息。上位机系统或下位机系统根据这一命令字来读取之后的报文内容，或者执行相应的操作。命令字的设置见表2，在表中共设定了四个功能，而这四个功能也对应了不同的报文长度，以及不同的报文内容。在报文内容中，当前时间是指上位机接收到的短信时间，其格式为：一共占6 B，第一个字节存储年，范围0～255，表示2000年—2255年；第二个字节存储月，范围1～12；第三个字节存储日，范围1～31；第四个字节存储小时，采用24 h制，范围0～23；第五个字节存储分钟，范围0～59；第六个字节存储秒，范围0～59。当前油量和拉取油量都为4 B的无符号整型，范围0～4 294 967 295，单位为克。而报文长度则是根据报文内容的总长度得出的，例如：当报文内容为空时，则报文长度为0。当报文内容由当前时间和当前油量组成时，报文长度为当前时间所占的字节数加上当前油量所占的字节数之和。
3 系统硬件设计
由于基于移动通信网的油田监控管理系统的主要功能有以下方面：
（1）通过GSM网络进行远程通信，对终端进行相应的操作；
（2）通过识别IC卡的方式，实现现场集输管理的智能监控；
（3）通过智能仪表获取油罐里的实时油量信息，作为管理人员下达决策的参考依据；
（4）远程控制磕头机的工作状态，节省人力资源，并能在突发事件（如：油罐冒顶）下及时进行自我处理；
（5）拥有全面的系统自我报警机制，在油井现场发生的各种非正常情况（如：非法采油、油罐冒顶）自动发送报警信息，通知管理人员采取相应的措施，并及时处理。
通过上述功能，再考虑到以后系统升级所面临更多的功能实现，得出硬件功能为以下方面：系统能够自我上电复位、自我加载运行程序；系统硬件支持海量数据的处理；系统硬件能与GSM模块进行相互通信；系统硬件能与IC识别器进行相互通信；系统硬件能与智能仪表进行相互通信；系统硬件能控制磕头机的工作状态，即对继电器的开关量进行完整控制；系统硬件能回传磕头机的工作状态，即获取磕头机的开关量。
根据系统硬件所具备的功能，考虑到的硬件设计如下：
根据硬件系统应拥有的第2条功能，所选的硬件平台为DSP；根据井场的现场安全智能监控，所选的DSP芯片为美国德州仪器公司生产的TMS320DM642芯片。
根据硬件系统应拥有的第3～5条功能，同时考虑到GSM模块和IC识别器的通信接口为RS 232串口，智能仪表的通信接口为RS 485串口，同时为了方便以后系统升级，在此多预留了一个RS 232串口。因此整个硬件系统需拥有3个RS 232串口、1个RS 485串口。
根据硬件系统应拥有的第6～第7条功能，充分考虑到该系统所控制的磕头机的个数不大于7个，同时控制继电器的开关的数据位数和获得继电器开关的数据位数应相等，因此从DSP中引出了8位数据总线，作为继电器开关量的数据传输，为了节省硬件资源，降低硬件开发及生产成本，采用了数据双向传输方式。
基于系统所要求的硬件设计，制定了如下设计方案：
选用TMS320DM642芯片作为系统的主控芯片，根据该芯片需要的电源选用相应的电源芯片得到5 V和3.3 V的电压；
为了能让系统上电自我重启和自我加载程序，通过DM642外加4M[×]8 b的FLASH；由于DM642的片上存储资源较小，所以外加2块4M[×]64 b的异步存储器SDRAM，扩大系统的存储数据能力；
为了扩展系统的诸多功能，通过DSP的外部存储器接口外加了一块CPLD器件，该器件实现外部地址的扩展，可以通过地址扩展带动实现相应功能，如并行数据转换串行数据的器件。
由于系统需要4个串口，因此在CPLD外挂接2块并行数据转换串行数据的器件（TL16C752B），而每块TL16C752B可以控制两个串口，因此达到了硬件系统的设计要求。
由于系统需要控制并获得磕头机的工作状态，并实现数据总线的读写操作复用的功能，因此从DM642中引出低8位的数据线作为传输控制及获得控制磕头机工作的继电器的开关量；为了实现数据总线的读写功能复用，因此8位数据线通过CPLD器件，在CPLD器件内部进行逻辑判断，实现数据线的功能复用。
由于CPLD器件上挂接了8位数据线，两块TL16C752B器件，为了让主控芯片DM642能够去控制，因此从DM642上引出了8根地址线，这8根地址线通过CPLD进行逻辑功能添加后，对每个器件和数据线进行地址映射，这样使每个和CPLD连接的模块都有了对DM642的地址映射。
为了让CPLD能和DM642之间进行相互的通信，需要将CPLD的控制引脚和DM642的部分控制引脚相接，这样实现了CPLD在DM642的控制下进行正常工作。
通过上述的方案设计，得出系统的设计方案如图2所示。
4 系统软件设计
系统软件设计主要包括了下位机模块程序设计，以及上位机模块程序设计。
下位机模块程序的主流程图如图3所示。
由于硬件设计电路中，EMIF的CE0到CE2的空间挂接有FLASH，SDRAM和串口数据的串并行转换芯片，因此必须要对EMIF进行CE空间的控制寄存器的配置。由于串口通信的数据才有8位数据，1位停止位的格式，因此要对TL16C752B芯片的寄存器配置，同时考虑到DSP传输数据的速度很快，因此对TL16C752B芯片的收发数据的FIFO缓冲区进行最大字节的配置。由于硬件设计电路中要求使用DM642自身的定时器来完成系统的时钟系统，因此对DM642的32位定时器进行配置，DM642共有三个通用32位定时器，本系统采用第一个定时器完成时钟系统，因此对定时器0进行相关配置。系统是基于GSM网络进行远程通信来实现诸多功能的，因此验证和保证网络的流畅性是非常有必要的。根据EM310芯片所支持的AT指令集进行验证和配置其工作方式，该模块完成了EM310的网络流畅性，关闭EM310的回显功能和设置EM310接收的短信格式。
系统采用DM642片内的定时器0作为系统的时钟，而定时器采用中断方式打开，因此在这一模块中，对定时器0的中断使能是必须的，同时，为了保证系统时钟在计时的同时对油罐中的油量信息进行读取并将这一数据作为系统的初始状态，因此在定时器工作的时候就记录油量数据。系统一旦运行，就必须告诉上位机其工作状态已为正常工作时，并且要让上位机对其时间信息，油量上升门限百分比和每日汇报油量的时间进行设置，因此必须引入一个信号来告诉上位机其工作状态已经从关闭状态变为工作状态，在这里，这个信号就是重启警报。同样，由于系统控制了多个磕头机的工作状态，为了避免上位机在未对磕头机的工作时间段进行设置就出现其永远关闭的现象，因此系统本身就包含了对磕头机工作状态的初始化。
收到短信以及处理短信内容模块是本系统的最重要的核心，前面所提的模块都是为了使这个模块能够正常运行所做的准备。其中查询EM310芯片中有无新短信是该模块的重要步骤，因为只有得到新的短信后并且验证新的短信是上位机所发的短信，该模块才能进行相应的处理，而没有得到新的短信或者并不是上位机所发的短信，该模块将会跳过这一模块，因此前面所做的验证网络流畅性等都是为了保证上位机给该系统所发的短信能正确地被EM310接收到并读入DSP中。为了保证短信的保密性，因此在上位机发送短信的同时，对短信进行加密，而到了本系统，需要对短信进行译码。由于通信协议中包含了短信的命令字以及相应的控制信息，因此对短信译码后按照通信协议进行影像的任务处理。
油量发生异常判断及后续处理的功能主要完成了远程控制磕头机的工作状态，节省人力资源，并能在突发事件（如：油罐冒顶）下及时进行自我处理，并且拥有全面的系统自我报警机制，在油井现场发生的各种非正常情况（如：非法采油、油罐冒顶）自动发送报警信息，通知管理人员采取相应的措施，并及时处理这两个功能。这一模块是本系统自发完成的控制，触发其完成的各种功能都和系统的初始化或者油量状态有关。其中，系统的初始化是根据系统向上位机发送重启报警后，上位机接收到该报警后就主动给下位机发送相应的初始化信息。IC卡的设置主要是规范工作人员进行拉取原油的行为，使上层人员能对每一次拉取油的员工信息和采取油量信息进行管理。而油量状态是根据连接在该系统的智能仪表所读取的信息进行判断的，当油量处于非正常下降（主要是指在无工作人员进行拉取原油的时候油量下降）和超过设置门限而可能导致油罐冒顶的现象时，系统会自发的进行报警，尤其是当油罐将要冒顶的时候，系统会自我地对磕头机进行操作，关闭其电源开关量，使其关闭，停止抽油。
上位机系统的监控软件所需要的生产现场的数据信息和控制下位机系统的指令都是通过GPRS模块的通信来实现的。该监控软件是基于Windows标准图形化界面，在VS2010环境下，采用ADO（ActiveX Data Objects）方式连接数据库管理系统SQL Server 2008。该应用软件的主要功能是提供了一个良好的界面。
监控中心软件负责接收各油田生产现场的正常工业数据或异常报警数据信号，显示各油田生产现场的生产状态，并对每次接收到的数据进行分析判断，然后将这些参数数据存入数据库中。管理人员通过分析各生产现场采集设备采集到的各油井各项参数，了解各油井的生产状况。并且在监控中心服务器端向油田生产现场发生控制指令，以调整现场的工作状态。
5 结 论
该系统将GPRS网络技术和数字化油田建设的理念结合在一起，各油田工作点通过GPRS网络将数据远程发送至监控中心，从根本上实现了无线通信。目前，已在西安某石化设备公司下进行推广使用。该系统通过对GPRS网络的数据帧协议的设定，提出了基于移动通信网络传输油田生产数据的机制，使系统能够在无需在高成本的情况下进行油田数字化建设，提高了系统的稳定性，减少了更多的资金开销，可以在不同的地域进行使用，具有广泛推广的实际应用价值。
参考文献
[1] 包明国，赵跃华.GPRS无线通信控制器及其在数字化油田中的应用[D].镇江：江苏大学，2005.
[2] 李立春，张晓东.基于GPRS的油田计量采集控制系统的设计[J].嵌入式系统应用，2010（1）：71⁃72.
[3] 贾向朝，张玉杰.基于GPRS的油田远程监测防盗系统[J].通信技术，2008（11）：208⁃210.
[4] 潘峥嵘，滕尚伟，尹晓霜，等.基于GPRS的油田抽油机远程在线监控系统的设计与实现[J].化工自动化及仪表，2008，35（1）：75⁃77.
[5] 肖兵，李利军.基于无线网络及GPRS油田监控系统设计[J].智能电器与计算机应用，2010，17（5）：24⁃27.
[6] 王如涛，黄星，赵金龙，等.应用于油田的ARM9 GPRS无线通信系统[J].自动化应用，2011，7（2）：27⁃29.