基于ARM+Linux架構(gòu)智能油氣水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

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(中國石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249)

0 引言

及時、準(zhǔn)確、直觀地了解每口油井的工況，對于確保生產(chǎn)安全、提高生產(chǎn)效率、做出正確生產(chǎn)決策等都有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。油田生產(chǎn)數(shù)字化控制與管理技術(shù)適應(yīng)當(dāng)前油田需求，是油田管理信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和自動化的要求[1]，是安全、節(jié)能、高效的要求，是變革生產(chǎn)組織方式、油田管理方式和控制投資、降低管理成本的法寶。

智能油氣水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成。感知層主要包括安裝在生產(chǎn)系統(tǒng)上的各種傳感器和控制設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的全面感知和各種生產(chǎn)設(shè)備的自動控制；傳輸層由無線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)等組成，支持IPV4/IPV6雙棧通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸；應(yīng)用層由各種用于油氣水井生產(chǎn)分析與優(yōu)化的油氣田開發(fā)專業(yè)軟件與專家知識庫組成。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能油氣水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由油井專用RTU模塊、電量模塊、數(shù)據(jù)采集RTM模塊和一體化示功儀組成。RTU為數(shù)據(jù)采集與傳輸核心，是連接數(shù)據(jù)中心和油田現(xiàn)場設(shè)備的橋梁。通過RTU統(tǒng)一管理同一油井上的所有設(shè)備或相鄰區(qū)域的硬件設(shè)備，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，減少數(shù)據(jù)傳輸通道，降低通信系統(tǒng)的傳輸負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率[2]。RTU通過現(xiàn)場總線RS485總線，與現(xiàn)場采集模塊一體化示功儀、電量模塊、RTM模塊相連，采集溫度、壓力、功圖、電參量等信息；通過IPV4/IPV6協(xié)議，與數(shù)據(jù)中心實(shí)時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)接口，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心實(shí)時數(shù)據(jù)庫。

1.1 嵌入式RTU模塊

RTU是前端設(shè)備與后臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸溝通的中轉(zhuǎn)站，也是硬件系統(tǒng)的核心所在，通過RTU統(tǒng)一管理同一油氣水井上的所有設(shè)備或相鄰區(qū)域的硬件設(shè)備，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，減少數(shù)據(jù)傳輸通道，降低通信系統(tǒng)的傳輸負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

兼容IPV4/ IPV6雙棧協(xié)議油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)模塊，可以滿足油井、注水井實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、傳輸與控制。

考慮到嵌入式RTU的復(fù)雜功能和對硬件平臺處理速度需求，硬件平臺的核心處理器選用AT91SAM9263的32位嵌入式處理器。嵌入式RTU系統(tǒng)根據(jù)功能進(jìn)行模塊劃分，由核心處理器模塊、傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊、存儲器模塊和電源模塊構(gòu)成。

1)核心處理器模塊負(fù)責(zé)調(diào)控整個系統(tǒng)資源，對RTU的上下行命令以及數(shù)據(jù)分別進(jìn)行判斷解析處理并對應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換[3]。采用基于ARM9的AT91SAM9263處理器，核心處理器上運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)和基于此系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)程序，完成系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能，包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、命令發(fā)送、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。

2)傳感器接入模塊在設(shè)備前端與各種類型的傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與通信，兼容多種傳感器設(shè)備，可接入模塊類型，如ZIGBEE模塊、RS485模塊和CAN設(shè)備等[4]。

3)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊將RTU連入公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。是支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧的關(guān)鍵，RTU通過網(wǎng)絡(luò)模塊將傳感器子網(wǎng)數(shù)據(jù)通過Ethernet發(fā)送到井場中心控制室的客戶端，監(jiān)控人員可通過客戶端及時查看各油井的運(yùn)行情況以及油井周圍環(huán)境。

4)存儲模塊主要由DATAFLASH、NANDFLASH和SDRAM存儲設(shè)備組成。DATAFLASH和NANDFLASH均為非易失性設(shè)備，具有掉電不丟失信息的特性，利用此特性，分別用來存儲系統(tǒng)開機(jī)引導(dǎo)程序以及Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)。SDRAM即同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，特點(diǎn)是讀寫速率高，用來提供RTU嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及RTU應(yīng)用程序正常運(yùn)行所需的內(nèi)存空間[5]。

1.2 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

結(jié)合McWill無線模塊和華為公司的LTE無線模塊的設(shè)計特點(diǎn)，系統(tǒng)以太網(wǎng)接口為標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口，可以為遠(yuǎn)程無線通信模塊提供100 Mbps的通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和控制的實(shí)時進(jìn)行。采用低功耗工業(yè)級的DM9161BI芯片，保證網(wǎng)絡(luò)通信的準(zhǔn)確性，同時采用網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器H1102芯片，為以太網(wǎng)通信提供隔離保護(hù)[6]。如圖1所示，上方為DM9161BI芯片的原理圖，下方為隔離變壓器H1102芯片的原理圖，通過電路的連接共同組成以太網(wǎng)接口電路設(shè)計原理圖。

圖1 以太網(wǎng)接口設(shè)計原理圖

為保證通信的準(zhǔn)確性，以太網(wǎng)通信接口的接收和發(fā)送都是由差分對組成，TD+和TD-為發(fā)送數(shù)據(jù)差分對，RD+和RD-為接收數(shù)據(jù)差分對。在數(shù)據(jù)接收時，RD+和RD-組成模式接收器，將以太網(wǎng)的電壓轉(zhuǎn)換成差分信號，發(fā)送時的特性類似。對測控終端電路板的測試表明，以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計完全符合設(shè)計的要求。

2 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于整個智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要較快的處理速度以滿足實(shí)時性同時要求具有較高可靠性，嵌入式操作系統(tǒng)因其自身具有強(qiáng)大的多任務(wù)處理能力和豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持而被廣泛地使用。嵌入式RTU系統(tǒng)中，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用接口(包括C庫)對Linux內(nèi)核發(fā)出設(shè)備操作請求，Linux內(nèi)核根據(jù)請求調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，并完成對地層硬件的操作?；贚inux 2.6.30內(nèi)核的操作系統(tǒng)可以完全滿足RTU系統(tǒng)對處理速度的要求[7]，另外，結(jié)合Linux系統(tǒng)本身的可裁剪性、源碼開放性、良好的移植性等諸多優(yōu)點(diǎn)[8]，本設(shè)計最終采用嵌入式Linux 2.6.30操作系統(tǒng)作為嵌入式RTU軟件平臺。系統(tǒng)軟件平臺搭好后，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)上，根據(jù)嵌入式RTU系統(tǒng)實(shí)際功能需求開發(fā)特定的應(yīng)用服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)對ZIGBEE模塊、RS485模塊、CAN模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊接入，完成RTU具體功能需求。

嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核主要包括任務(wù)調(diào)度、響應(yīng)中斷服務(wù)程序、內(nèi)存管理及進(jìn)程間通信等。驅(qū)動移植包括內(nèi)存、網(wǎng)卡(支持IPv6)、串口的驅(qū)動程序移植。數(shù)據(jù)采集模塊包括各類智能傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議驅(qū)動(支持IPv6協(xié)議棧)、IO設(shè)備的驅(qū)動程序；設(shè)備管理模塊包括對RTU本身及其他從屬設(shè)備的診斷、管理、配置等。數(shù)據(jù)傳輸模塊，主要是基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺上進(jìn)行IPv6協(xié)議應(yīng)用的開發(fā)工作，包括數(shù)據(jù)封包、解包、校驗(yàn)、重傳等。

2.1 IPv4與IPv6協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)中通訊的兩個終端都要對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供支持，設(shè)計的RTU設(shè)備最大特點(diǎn)就是支持IPv4和IPv6雙棧協(xié)議，依照模塊化設(shè)計，為了功能模塊化，linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧也遵循了此思想。應(yīng)用層函數(shù)會調(diào)用傳輸層的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)傳輸層的協(xié)議，在本設(shè)計中用到的是TCP協(xié)議，之后傳輸層通過網(wǎng)絡(luò)層提供的接口函數(shù)來完成網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議。

2.1.1 IPv4協(xié)議的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送的流程

當(dāng)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時候，應(yīng)用層協(xié)議會利用傳輸層的服務(wù)，傳輸層協(xié)議層模塊最終會調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層的ip_queue_xmit()函數(shù)，此函數(shù)原型為int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb,int ipfragok)，此函數(shù)中的參數(shù)會由傳輸層傳遞到此函數(shù)中。sk_buff接口參數(shù)skb是構(gòu)造此連接用于存儲數(shù)據(jù)，參數(shù)ipfragok用于判斷是否是分片了。

首先此函數(shù)會檢測skb中是否已經(jīng)含有了路由表，一般傳輸層的STCP協(xié)議會設(shè)置這個路由表，本設(shè)計用到的傳輸層協(xié)議為TCP，所以會調(diào)用__sk_dst_check()函數(shù)，此函數(shù)用來檢查路由表，如果沒有建立路由表。之后會調(diào)用ip_route_output_flow()函數(shù)，此函數(shù)用于得到路由信息，繼續(xù)向下會調(diào)用skb_push()，skb_reset_network_header()，ip_hdr()函數(shù)，也正是構(gòu)造IPv4協(xié)議的關(guān)鍵之處，在此過程中會初始化IPv4數(shù)據(jù)報報頭，決定是否設(shè)置分片域，設(shè)置TTL，協(xié)議類型，IPv4源地址，數(shù)據(jù)地址字段。

完成以上步驟后調(diào)用ip_local_out()函數(shù)，此函數(shù)又會調(diào)用dst_output()函數(shù)，這個函數(shù)會將打包成IPv4協(xié)議的數(shù)據(jù)傳給下一層，最后下一層協(xié)議會把我們的構(gòu)造的IPv4協(xié)議的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。

2.1.2 IPv6協(xié)議的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送的流程

傳輸層會調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層的ip6_xmit()函數(shù)，此函數(shù)參數(shù)傳輸層會提供給它，此函數(shù)原型為int ip6_xmit(struct sock *sk,struct sk_buff *skb,struct flowi *fl,struct ipv6_txoptions *opt,int ipfragok)，之后回調(diào)用函數(shù)skb_headroom(),此函數(shù)用于檢查報頭頭空間，如果空間不夠會調(diào)用skb_realloc_headroom()函數(shù)開辟空間。繼續(xù)向下會調(diào)用skb_push()，skb_reset_network_header()，ip6_hdr()，ipv6_addr_copy()函數(shù)，也正是構(gòu)造IPv6協(xié)議的關(guān)鍵之處，完成舒適化IPv6協(xié)議報頭，決定是否分片，設(shè)置跳數(shù)，源和目的地址的任務(wù)，代碼片段如下：

hdr = ipv6_hdr(skb);

/* Allow local fragmentation.*/

if (ipfragok)

skb->local_df = 1;

hlimit =-1; //填充IPv6報文頭

if (np)

hlimit = np->hop_limit;

if (hlimit < 0)

hlimit = ip6_dst_hoplimit(dst);

tclass =-1;

if (np)

tclass = np->tclass;

if (tclass < 0)

tclass = 0;

*(__be32 *)hdr = htonl(0x60000000 | (tclass << 20)) | fl->fl6_flowlabel;

hdr->payload_len = htons(seg_len);

hdr->nexthdr = proto; //設(shè)置下一頭部協(xié)議

hdr->hop_limit = hlimit; //設(shè)置跳數(shù)

ipv6_addr_copy(&hdr->saddr,&fl->fl6_src); //設(shè)置IPv6地址

ipv6_addr_copy(&hdr->daddr,first_hop);

最后調(diào)用dst_output()函數(shù)，這個函數(shù)會將我們的構(gòu)造的IPv6協(xié)議的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

2.2 ModBus協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)

RTU處于傳輸層，一方面要控制底層采集模塊，另一方面要和上位機(jī)進(jìn)行通信[9]，所以本系統(tǒng)采用多線程同時執(zhí)行多個任務(wù)。線程1實(shí)現(xiàn)了MODBUS-RTU協(xié)議，其中包含了發(fā)送命令任務(wù)和數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)，而線程2實(shí)現(xiàn)了MODBUS-TCP協(xié)議，它包含了TCP連接管理任務(wù)和MODBUS-TCP數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

ModBus協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議，設(shè)計的RTU等待客戶端的連接，當(dāng)客戶端連接到RTU后，RTU會進(jìn)入循環(huán)程序等待客戶端以Modbus-TCP方式下發(fā)的命令，并解析命令，并將Modbus-TCP命令轉(zhuǎn)化成ModBus-RTU格式后通過RS485發(fā)送給傳感器從而控制傳感器的數(shù)據(jù)采集，之后接收來自傳感器的Modbus-RTU格式數(shù)據(jù)，并完成ModBus-RTU協(xié)議到Modbus-TCP協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作，最后通過網(wǎng)口發(fā)送給客戶端。

PC客戶端是通過網(wǎng)口與RTU進(jìn)行通訊的，用到的應(yīng)用層協(xié)議是Modbus-TCP協(xié)議，通過SOCKET編程接口來完成Modbus-TCP的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收工作的。

RTU是通過RS485串口與物理層進(jìn)行通訊的，用到的應(yīng)用層協(xié)議是Modbus-RTU協(xié)議，通過對RS485設(shè)備的控制來完成Modbus-RTU的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收工作。

在程序中，我們還設(shè)置定時器以防RTM或電量模塊等傳感器因?yàn)樯蟼鲉栴}而引起RTU程序阻塞。在每次RTU接收傳感器數(shù)據(jù)到來前記錄當(dāng)前時間并設(shè)置一個超時時間，在每次while循環(huán)中來判斷是否超時，比如傳感器突然由于某種原因不工作了就會發(fā)生超時，程序就會跳出while循環(huán)并向客戶端發(fā)送超時錯誤碼。

2.3 環(huán)形緩沖區(qū)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計中環(huán)形緩沖區(qū)，可理解為內(nèi)存中的一段圓環(huán)形的數(shù)據(jù)存儲空間，能夠持續(xù)在此空間進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。在使用過程中，首先會將外部輸送的數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)，再按照MODBUS協(xié)議將數(shù)據(jù)從其中讀出，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算操作。

由于系統(tǒng)底層有較多的傳感器，所以在讀取傳感器數(shù)據(jù)的程序設(shè)計中有效地利用了環(huán)形緩沖區(qū)的優(yōu)勢，從而減短了對傳感器數(shù)據(jù)讀取的時間，提高了軟件系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率。

圖2 環(huán)形緩沖區(qū)讀操作和寫操作示意圖

如圖2所示為環(huán)形緩沖區(qū)讀操作和寫操作的流程示意圖。在對環(huán)形緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作之前(初始狀態(tài))，讀、寫指針同時處在申請的緩沖區(qū)的起始位置，也就是在圖2(a)所示“位置1”處；當(dāng)有數(shù)據(jù)寫操作時，寫指針也就是圖中的input順時針到了 “位置2”，而讀指針仍然在“位置1”保持不變，如圖2(b)所示；如果讀和寫同時發(fā)生時，則環(huán)形緩沖區(qū)的讀和寫指針分別順時針移動，如圖2(c)所示。在環(huán)形緩沖區(qū)中，對數(shù)據(jù)的讀和寫就是按照這樣的規(guī)律持續(xù)進(jìn)行，互不干擾，節(jié)省了讀寫時間，極大地提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

設(shè)計的智能油氣水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，油田現(xiàn)場通過RS485總線，與現(xiàn)場采集模塊一體化示功儀、電量模塊、RTM模塊相連，采集溫度、壓力、功圖、電參量信息；通過IPV4/IPV6協(xié)議，與數(shù)據(jù)中心實(shí)時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)接口，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心實(shí)時數(shù)據(jù)庫。

在華北、大港、青海等油田應(yīng)用測試，現(xiàn)場系統(tǒng)工作正常，運(yùn)行穩(wěn)定，采集油井的溫度、壓力、功圖、電量參數(shù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)可成功上傳至監(jiān)控中心實(shí)時數(shù)據(jù)庫，完全滿足油田需求。

監(jiān)控中心數(shù)據(jù)分析發(fā)布平臺調(diào)用實(shí)時數(shù)據(jù)庫，能夠及時有效地查詢?nèi)坑途蛑付ㄓ途當(dāng)?shù)據(jù)信息，并通過數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時診斷分析，計算產(chǎn)量[10]，同時可選擇查詢產(chǎn)量的歷史信息，分析油井的產(chǎn)量波動情況?？蛻舳藢?shí)時分析診斷界面如圖3所示。

圖3 圖形查詢功圖

提供功圖的圖形模式查詢，直觀形象的同時查看診斷多井功圖信息。應(yīng)用于結(jié)合功圖算產(chǎn)數(shù)據(jù)，為油田工況分析診斷提供了依據(jù)[11]?？蛻舳藞D形查詢功圖界面如圖4所示。

圖4 實(shí)時分析診斷

4 結(jié)束語

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理念與最新成果研發(fā)的智能油氣水井生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用ARM+Linux系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)支持IPV4/IPV6雙棧協(xié)議，系統(tǒng)集成了Zigbee、WiFi、RS485、CAN等感知層信息采集接口，支持與不同生產(chǎn)廠家、多種不同的通訊方式的各類井口傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)在華北、大港、青海等油田應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了油氣水井生產(chǎn)工況的實(shí)時采集、實(shí)時診斷、實(shí)時優(yōu)化、實(shí)時控制、智能預(yù)測功能，油井的系統(tǒng)效率得到提高，同時對于提升油田整體開發(fā)水平具有積極的意義。