ARM Cortex- M0的油田采輸物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計※

于玉珠，殷春莉

（1.新疆華隆油田科技股份有限公司，克拉瑪依834000；2.新疆油田公司數(shù)據(jù)公司）

引 言

我國石油資源分布廣，開采環(huán)境比較惡劣，采油輸油覆蓋面廣且大多在野外。隨著開采規(guī)模和區(qū)域的逐年擴(kuò)大，為了提高石油生產(chǎn)效率和管理水平，將油田生產(chǎn)管理方式由事后現(xiàn)場被動管理轉(zhuǎn)變?yōu)槭孪冗h(yuǎn)程主動管理，保障油田的安全生產(chǎn)，提高處理油田突發(fā)事件的應(yīng)急能力。這就要求實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，以及“無人值守、集中監(jiān)控、定期巡檢、自動操作”。[1]

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為油田生產(chǎn)提供了新的思路和方法，在油田數(shù)據(jù)采集[2]、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及地面全面信息化等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)跨地域?qū)崟r協(xié)同工作，緊密連接生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，而且還可以實現(xiàn)油田業(yè)務(wù)與技術(shù)的整合，為后期的大數(shù)據(jù)云服務(wù)提供數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

油田采輸物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)和監(jiān)控中心組成，如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元是系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，它獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息、下達(dá)執(zhí)行指令，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息并接收監(jiān)控中指令。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元的物聯(lián)網(wǎng)云控制器主要由ARM低功耗微處理器[3]、無線通信模塊、外圍電路構(gòu)成，附加現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。實現(xiàn)以下主要功能：

①實時現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)的采集與處理，并建立Client與Server的連接，然后把實時數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器，供云服務(wù)處理。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)鋱D

②實時把遠(yuǎn)程監(jiān)控中心云服務(wù)相關(guān)執(zhí)行指令或本地閉環(huán)控制指令下發(fā)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

③通過分布廣泛的通信運營商無線通信網(wǎng)，實現(xiàn)與提供云服務(wù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接。

監(jiān)控中心主要是建立監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，接收現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，下達(dá)現(xiàn)場實時執(zhí)行指令，并與云服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互。

與現(xiàn)有現(xiàn)場控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)有以下特點：

①無線數(shù)據(jù)通信采用運營商的GPRS專用APN模式，覆蓋范圍廣、安全性相對高，適合油田采輸生產(chǎn)點分散、偏遠(yuǎn)、自有數(shù)據(jù)網(wǎng)無法覆蓋的特點。

②可遠(yuǎn)程無線實時監(jiān)控，便于后端利用云計算處理。

③低功耗，可用電池供電，解決了電網(wǎng)無法覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)控問題。

2 硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)云控制器的硬件接口如圖2所示，現(xiàn)場各種標(biāo)準(zhǔn)信號通過對應(yīng)的I/O口輸入到微處理器LPC11C14FBD48，經(jīng)過處理后傳送到M35，通過GPRS傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控中心。同時微處理器把接收到的遠(yuǎn)端監(jiān)控中心指令或自身閉環(huán)控制指令，通過相應(yīng)的I/O口傳到現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)。CAN總線用于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元之間的數(shù)據(jù)與指令的交互連接，便于端口擴(kuò)展。RS232[4]用于本地監(jiān)控和內(nèi)核程序下載、升級等。

圖2 主控板硬件接口圖

主控板實物圖如圖3所示。

圖3 主控板實物圖

2.1 ARM Cortex-M0簡介

基于ARM Cortex-M0架構(gòu)的微處理器體積小、功耗低且十分節(jié)能。該系列處理器擁有超小的硅片面積和很小的代碼足跡，以8位處理器的價位就能實現(xiàn)32位性能。Cortex-M0可大大節(jié)約系統(tǒng)成本，同時保留了與Cortex-M3等功能豐富的處理器的工具和二進(jìn)制兼容。[3]

Cortex-M0處理器在通常不到12K門的面積內(nèi)的功耗僅為85μW/MHz，可支持創(chuàng)建超低功耗的模擬和混合信號器件。僅有56個指令，可以使開發(fā)人員快速掌握整個Cortex-M0指令集，其對C語言友好的架構(gòu)，使開發(fā)變得簡單而快速。

2.2 主控模塊

本系統(tǒng)主要功能是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理并上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和云服務(wù)中心，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和云服務(wù)中心的指令及自身閉環(huán)指令并下發(fā)，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制[5]。現(xiàn)場一般比較偏遠(yuǎn)、分散且環(huán)境惡劣，同一處所需的監(jiān)控點一般較少，因此功耗、成本、環(huán)境適應(yīng)性、遠(yuǎn)程通信能力是主要要考慮的指標(biāo)。目前微處理器種類繁多，本系統(tǒng)采用的LPC11C14FBD48是NXP公司基于ARM Cortex-M0的低成本32位微處理器，提供高性能、低功率、簡單指令集和內(nèi)存尋址，與現(xiàn)有8位/16位架構(gòu)相比，代碼尺寸更??；提供低動態(tài)功耗（110μA/MHz）并減小深度睡眠電流（小于2 μA）；片內(nèi)功率配置可以針對任何低功率應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計師通過最少的設(shè)計干預(yù)實現(xiàn)最佳功耗。該處理器主頻為50 MHz，具有3.3 V單電源（2.6 V～3.6 V）、ADC、C＿CAN控制器[4]、32 KB閃存、8 KB SRAM、LQFP48封裝，外部時鐘晶振頻率為12 MHz，LPC11C14FBD48的關(guān)聯(lián)電路及主要資源分配圖略——編者注。

2.3 無線通信模塊

由于主控模塊上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)流量較小，同時考慮日常全天候運行、偏遠(yuǎn)地區(qū)的覆蓋、技術(shù)成熟與穩(wěn)定性、日常運行費用等，無線通信方式采用運營商的GPRS方式。無線通信模塊采用上海移遠(yuǎn)的M35無線GSM/GPRS通信模塊。M35是四頻GSM/GPRS模塊，尺寸僅為19.9 mm×23.6 mm×2.65 mm。憑借超小的尺寸、超低功耗和寬工作溫度范圍，M35是M2M應(yīng)用的理想解決方案。適用于車載、工業(yè)及PDA、個人跟蹤、無線POS、智能計量以及其他M2M的應(yīng)用，為其提供完善的GSM/GPRS短信、數(shù)據(jù)傳輸及語音服務(wù)。M35采用LCC封裝，可通過標(biāo)準(zhǔn)SMT設(shè)備實現(xiàn)模塊的快速生產(chǎn)，為客戶提供高可靠性的連接方式，特別適合自動化、大規(guī)模、低成本的現(xiàn)代化生產(chǎn)方式。憑借內(nèi)置獨特的移遠(yuǎn)遠(yuǎn)程升級技術(shù)（QuecFOTATM），M35可實現(xiàn)遠(yuǎn)程升級及維護(hù)。本系統(tǒng)的M35無線通信模塊的電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 GPRS通信模塊電路設(shè)計

3 軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)云控制器的軟件設(shè)計主要包括現(xiàn)場控制器本身的內(nèi)核軟件和遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心軟件。內(nèi)核軟件是對控制器現(xiàn)場硬件資源進(jìn)行分配與管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)初始化等。監(jiān)控中心軟件負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場傳輸來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示以及向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送控制指令等，同時與云計算服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.1 內(nèi)核軟件

3.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

內(nèi)核軟件是基于μC/OS-II開發(fā)的多線程程序，采用C/S模式與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[6]。系統(tǒng)共創(chuàng)建了6個功能任務(wù)線程，每個線程都使用一個while（1）條件語句來實現(xiàn)無限循環(huán)，用以實現(xiàn)系統(tǒng)24小時全天候不間斷的功能任務(wù)，單個線程相當(dāng)于一個功能子系統(tǒng)。設(shè)計的軟件看門狗用于防止系統(tǒng)死機(jī)，心跳檢測功能則用于防止與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信假鏈。內(nèi)核軟件系統(tǒng)的主流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容略——編者注。

3.1.2 內(nèi)核開發(fā)工具

內(nèi)核軟件的開發(fā)采用C＋＋語言，開發(fā)工具選擇Real View MDK4.01。Real View MDK是ARM公司推出的基于微控制器的專業(yè)嵌入式開發(fā)工具。它采用了ARM的最新技術(shù)工具RVCT，集成了享譽全球的μVision IDE，因此特別易于使用，同時具備非常高的性能。與ARM之前的工具包ADS等相比，Real View編譯器的最新版本可將性能改善超過20%。

Real View開發(fā)界面如圖6所示。

圖6 RealView開發(fā)界面

3.2 監(jiān)控中心軟件

3.2.1 監(jiān)控中心開發(fā)工具

監(jiān)控中心軟件使用的是C＋＋Builder 2010開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語言是C＋＋語言。C＋＋Builder是由Embarcadero公司推出的一款可視化集成開發(fā)工具。C＋＋Builder具有快速的可視化開發(fā)環(huán)境，只要簡單地把控件（Component）拖到窗體（Form）上，定義它的屬性，設(shè)置它的外觀，就可以快速地建立應(yīng)用程序界面。C＋＋Builder內(nèi)置了許多完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴(kuò)展性（包括全面支持ActiveX控件）的可重用控件。C＋＋Builder具有一個專業(yè)C＋＋開發(fā)環(huán)境所能提供的全部功能：快速、高效、靈活的編譯器優(yōu)化，逐步連接，CPU透視，命令行工具等。

3.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)控中心軟件是基于TCP/IP開發(fā)的事件驅(qū)動型軟件，采用C/S方式通過GPRS與遠(yuǎn)端現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)云控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過ServerSocket控件的OnClient Read事件處理函數(shù)ServerSocketClient Read接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，根據(jù)需要進(jìn)行處理后顯示并存入實時庫。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需要，通過ServerSocket-﹥Socket-﹥Connections[i]-﹥Send Text（）向遠(yuǎn)端現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)云控制器發(fā)送數(shù)據(jù)或指令。通過定時器，定時把實時數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫。通過實時庫、歷史庫與云計算服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本軟件的數(shù)據(jù)鏈接采用ADO控件，設(shè)計的定時發(fā)送心跳包功能為遠(yuǎn)端設(shè)備提供心跳檢測信息。主監(jiān)控界面圖及主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容略——編者注。

結(jié) 語

本油田采輸物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，得到了油田長輸管線和偏遠(yuǎn)采油單井的實際驗證，取得了令人滿意的應(yīng)用效果。無論是現(xiàn)場的軟硬件，還是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的軟件都具有很好的可移植性，方便在不同的系統(tǒng)中應(yīng)用，并且對外提供標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口和硬件接口，方便云計算等其他系統(tǒng)調(diào)研，解決了油田生產(chǎn)偏遠(yuǎn)點無法遠(yuǎn)程監(jiān)控問題。該系統(tǒng)為油田物聯(lián)網(wǎng)與云計算提供了一種新的建設(shè)思路，具有一定的推廣價值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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