【導讀】一套基于GPRS的原油計量和防盜系統(tǒng)。杜絕偷盜油現(xiàn)象。整個系統(tǒng)旨在提高分布式油田的信息化管理水平。整個系統(tǒng)包括兩個部分：遠程監(jiān)測終端和計算機監(jiān)控中心。前閥門狀態(tài)，并提供報表打印等功能。通信模塊、圖像采集模塊、鍵盤與顯示模塊和系統(tǒng)供電模塊。模塊由BenQ公司的M23AGSM/GPRS模塊及相關外圍電路組成，論文中對數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS通信。次化的軟件設計結構。件分層，再結合有限狀態(tài)機、利用事件驅動的方法來設計的。論文最后對計算機監(jiān)控中心的軟件開發(fā)作了簡要說明。關鍵詞：GPRS，分布式油田，計量和防盜，Cortex-M3內核，

　　

【正文】 S 服務支持節(jié)點 SGSN 通過GPRS 骨干網(wǎng)與網(wǎng)關支持接點 GGSN 進行通信 ， GGSN 對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡，如 Inter 或 網(wǎng)絡。 （ 3） GPRS 的幾種組網(wǎng)方式 [ 25] 利用 GPRS 網(wǎng)絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸， 數(shù)據(jù)鏈路的建立是 關鍵，數(shù)據(jù)鏈路建立的方式 如圖 36， 主要有：數(shù)據(jù)中心通過 ADSL 撥號上網(wǎng) 、 數(shù)據(jù)中心申請固定的公網(wǎng) IP、 數(shù)據(jù)中心使用專線方式連接至移動網(wǎng)關 、 數(shù)據(jù)中心 通過 VPN 隧道連接 和 點對點連接 幾種方式。 G P R S 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端G P R S 無 線 基 站I n t e r n e t 網(wǎng) 絡A D S L M o d e m數(shù) 據(jù) 中 心 通 過 A D S L 撥 號 上 網(wǎng)數(shù) 據(jù) 中 心 申 請 固 定 的 公 網(wǎng) I P內 部 設 備G P R S 網(wǎng) 絡專 線 方 式 連 接 至 移 動 網(wǎng) 關V P N 隧 道 連 接G P R S 通 信 貓點 對 點 連 接 圖 36 GPRS 幾種組網(wǎng)方式 Fig36 Several GPRS’work connections modes 1）數(shù)據(jù)中心通過 ADSL 撥號上網(wǎng) 這是一種最經(jīng)濟的方案，數(shù)據(jù)中心通過普通的 ADSL（ Asymmetric Digital Subscriber Line） 包月業(yè)務連接上 Inter。但是每次連上 Inter 后數(shù)據(jù)中心獲得的公網(wǎng) IP 地址都不一樣，所以在 GPRS 數(shù)據(jù)采集終端 中無法直接設置目標 IP 來連接數(shù)據(jù)中心。 2）數(shù)據(jù)中心申請固定的公網(wǎng) IP 該方案和 ADSL 撥號方式類似，只是使用該方案時，用戶需要向網(wǎng)絡服務提供商（比如電信、網(wǎng)通）申請一個固定的公網(wǎng) IP 地址。使用該方案的優(yōu)點是具有較高的穩(wěn)定性，并且速度上較普通 ADSL 更快些 ， 缺點是費用稍高，具體情況請咨詢當?shù)氐木W(wǎng)絡服務商。 3）數(shù)據(jù)中心使用專線方式連接至移動網(wǎng)關 中國移動 針對行業(yè) 應用還 推出 了 無線 數(shù)字 數(shù)據(jù) 網(wǎng) DDN （ Digital Data Network） 業(yè)務，該業(yè)務使用數(shù)據(jù)專線連接用戶的數(shù)據(jù)中心和 GPRS 網(wǎng)絡的 網(wǎng)關支持節(jié)點 GGSN。該方案的優(yōu)點是具有更高的速度和更低的時延，并且在網(wǎng)絡穩(wěn)定性和在數(shù)據(jù)安全性方面也有較大的提高 ， 但是費用較高。 4）點對點連接 當數(shù)據(jù)中心無法連接公網(wǎng) Inter 時，可以使用點對點連接方式。在這種方式下，與數(shù)據(jù)中心相連的 GPRS 通信 終端 要設置為 服務器 模式，遠程的 GPRS數(shù)據(jù)采集終端 要配置為 客戶機 模式。 5） VPN 隧道連接 中國移動的無線 數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng) DDN 業(yè)務除了數(shù) 據(jù)專線方式外還有 VPN 隧道方式，該方式指數(shù)據(jù)中心通過公共 Inter 與 GPRS 接入平臺間建立起 IP 隧道 來進行連接。該方案比專線方式更經(jīng)濟，而速度和數(shù)據(jù)安全性比數(shù)據(jù)中心通過ADSL 撥號上網(wǎng)的方案更有優(yōu)勢。 在分布式油田原油 計量 與 防盜 系統(tǒng)的開發(fā)中，綜合考慮以上幾種 GPRS 組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點， 以及 為 便于整個系統(tǒng)的開發(fā)和后期維護， 我們使用了 數(shù)據(jù)中心申請固定的公網(wǎng) IP 的組網(wǎng)方式。 GPRS 模塊選型 GPRS 技術把 Inter 的通訊方式引入到了無線通信領域，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡的互連。無線用戶可以 很方便地采用熟悉 的 標準 TCP/IP 通訊模式與 Inter 直接交換數(shù)據(jù)，也就應運 而 生了 GPRS 終端產(chǎn) 品。 GPRS 模塊就是為使用 GPRS 服務 而開發(fā)的無線通信終端設備， 因此在開發(fā) GPRS 終端產(chǎn) 品的時候，就而臨著如何 選擇一 個低成本、易開發(fā)的 GPRS 模塊的問題。 目前市場上 GPRS 模塊很多， 從功能來分， GPRS 模塊可以分為兩類 ： 通用的 GPRS 模塊和內置 TCP/IP 協(xié)議 棧的 GPRS 模塊。 （ 1） 通用的 GPRS 模塊 這一 類模塊的特點是只支持 GPRS 短信 的 收發(fā)模式，本身不具備 TCP/IP協(xié)議處理功能。應用此類模塊時，終 端軟件基本要求 是 要能處理 PPP 撥號和網(wǎng)絡協(xié)議 。當處理能力不強或沒有操作系統(tǒng)時，需要用戶自己開發(fā)或者移植一 些協(xié)議，編程實現(xiàn) GPRS 的撥號上網(wǎng)、 PPP 配置并最終建立 TCP/IP 網(wǎng)絡節(jié) 點，實現(xiàn) GPRS 的附著和激活過程，此后才能與 Inter 通信，因此用戶的開發(fā)任務較重，有時甚至超過了應用本身的工 作量。此類模塊的代表為 Siemens 公司的 MC3 SonyEricsson 公司的 GR4 Motorola 公司的 G1 Wave 公司的Q2403 系列等。 （ 2） 內置 TCP/IP 協(xié)議 棧的 GPRS 模塊 這 一類 模塊是 在通用 GPRS 模塊基礎上內置 TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)的，用戶一般只需要調用相應的 AT 命令對其進行設置，模塊自身就會完成 GPRS 網(wǎng)絡和Inter 的互連，然后實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)過程比較簡單。代表如 Siemens 公司的 TC4 Motorola G SIMCOM 公司的 SIM100、 BenQ 公司的 M23A 等。 隨著 GPRS 技術的不斷發(fā)展， GPRS 模塊的功能越來越強大，成本卻越來越 低，綜合考慮到成本和開發(fā)難度，做無線數(shù)據(jù)傳輸開發(fā)時選用內置 TCP/IP協(xié)議棧的 GPRS 模塊才是明智之舉，因此在遠程監(jiān)測終端的開發(fā)中選 用的是BenQ 公司 內置 TCP/IP 協(xié)議棧 的 M23A GSM/GPRS 模塊。 M23A GSM/GPRS 模塊 M23A GSM/GPRS 是 BenQ 公司 推出 的 GSM/GPRS 雙頻通信模塊 [ 42]，它集 成了完整的射頻電路和 GSM 的基帶處理器，適合 于 開發(fā)基于 GSM/GPRS 的無線應用產(chǎn)品，如無線終端、報警 /安防系統(tǒng)、遠程控制等產(chǎn)品，應用范圍十分廣泛。 M23A GSM/GPRS 模塊 主要的性能指標如下： ? 外形尺寸 40，重量 13 克； ? GPRS Class 8 多時隙功能， Class B 操作模式； ? 支持 EGSM900/DCS1800/PCS1900 三個頻段； ? 支持 3V SIM 卡接口； ? 在 GPRS 數(shù)據(jù)通信模式下消耗電流最大 280mA； ? 電源電壓范圍 ： 直流 到 ； ? 工作溫度： 20 攝氏度到 60 攝氏度； M23A GSM/GPRS 模塊共有 44 個引腳，通過一個插槽引出。這 44 個引腳大致 可以劃分為 5 類，即電源 接口 、數(shù)據(jù)輸入 /輸出、 SIM 卡 接口 、音頻接口和 控制接口。在接口座上各引腳的編號及位置如圖 37 所示。 1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 24 44 34 24 14 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 3V B A T T BG N DG N DG N DG N DL E D AR O W 4T X D 2I O 1 2 / D C DG N DS I M C L KS I M I OS I M R S TN CM I C B I A SM I C I PM I C I NA U X IG N DE A R PE A R NA U X O PV R S I MG N DV B A T R FV B A T R FV B A T R FG N DI O 1 0P W O NR X D 2B UG N DT X DR X DR T SC T SD S RI O 8I O 1 3I O 1 1G N DI O 6I O 1 / R 1 圖 37 M23A 模塊引腳編號及位置 Fig37 M23A module pins’ number and location M23A GSM/GPRS 模塊的各個引腳的功能如表 32 所示。 表 32 M23A 模塊引腳功能 Tab32 M23A module pins’ function 接口名稱 引腳數(shù)量 功能說明 UART/RS232 6 RS232 傳輸接口 UART2 2 內部 軟件調試 BU 1 蜂鳴器 驅動引腳 GPIO 6 常規(guī)用途 I/O Power On 1 啟動引腳 LED Driver 1 二極 管驅動 引腳 SIM 4 SIM 卡接口 VBATRF 3 電 源 輸入 VBATBB 1 電池輸入 Audio 7 音頻信號接 口 Keypad Interrupt 1 鍵盤中斷 BGND 10 地 ANT 1 天線 M23A GSM/GPRS 模塊支持外部 SIM 卡，可以直接和 的 SIM 連接，模塊能自動檢測和適應 SIM 卡類型。為使用模塊的 GPRS 功能，應用時選用的SIM 卡需要開通 GPRS 業(yè)務。 M23A GSM/GPRS 模塊還提供標準的 RS232 串行接口，用戶通過串行口使用 AT 命令完成對模塊的 操作。 AT 指令集 AT 命令是 Hayes 公司為 MODEM（ 調制解調器 ） 制定的一個控制指令集，用于數(shù)據(jù)終端 （ 計算機 ） 和 MODEM 之間的通信。由于 Hayes 公司生產(chǎn)的MODEM 產(chǎn)品在工業(yè)界占有主導的地位，為了保持產(chǎn)品的兼容性，其它 MODEM制造廠商也接受并使用了 AT 指令，因此 AT 命令目前在工業(yè)界已經(jīng)成為一個事實標準，非 Hayes 公司的 MODEM 產(chǎn)品也都支持 AT 指令集。 AT 命令通常是由字符 AT 或 at（ 大小寫應一致 ） 作為前綴， MODEM 從這兩個字符中檢測出計算機使用的波特率、字長、奇偶校驗等信息。發(fā) 給 MODEM的指令一般使用 7 個數(shù)據(jù)位、一個奇偶位和一個停止位組成的幀，也可以使用有 8 個數(shù)據(jù)位 、 無奇偶位和 1 個停止位組成的幀 ，另 每個 AT 指令都是以 “ \r\n”作為結束符。 表 33 GPRS 相關的 AT 命令 Tab 33 Correlative AT mand of GPRS AT指令 指令功能 使用舉例 （指令意義） AT+IRP 設置模塊串口通信速率 AT+IRP=0(模塊自適應串口通信速率 ) AT+COPS 設置是否自動登陸網(wǎng)絡 AT+COPS=1（ 選擇 自動登陸網(wǎng)絡） AT+CREG 當前網(wǎng)絡注冊情況 AT+CREG=1（查詢是否登陸上網(wǎng)絡） AT%CGPCO PCO字符串激活指令 AT%CGPCO=1,PAP,1 （激活 PCO字符串） AT+CGDCONT 定義 PDP文本指令 AT+CGDCONT=1,IP,CMNET （ 定 義 PDP文本） AT$DESTINFO 設置將連接的 IP地址 AT$DESTINFO=,2,5001,0 （將連接的 IP地址： ，端口 5001） ATD*97 對設置的的 IP地址 撥號，進入數(shù) 據(jù)傳輸模式 ATD*97（連接 已用 AT$DESTINFO指令設置的 IP地址和端口號） +++ 從數(shù)據(jù)傳輸模式返回指令模式命令 +++（返回指令傳輸模式，模塊又能接收 AT指令；在數(shù)據(jù)傳輸模式下，指令將被當成數(shù)據(jù)） 表 33 只列出了系統(tǒng)設計時使用到的 AT 指令，關于 GPRS 相關的 AT 指令的詳細材料請參見本 論 文的 參考文獻 48。 遠程 監(jiān)測終端 的 外設備 選型 為了實現(xiàn)分布式油田的計量和防盜， 采集需要監(jiān)測的各物理量， 遠程 監(jiān)測終端使用了超聲波液位變送器、圖像采集卡、紅外對射探測器和接近開關等幾個 監(jiān)測 設備 ，以 下對 遠程 監(jiān)測終端 使用 的 各個 設備 的原理和 性能 作 簡 要 介紹。 （ 1）超聲波液位變送器 超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性 好 ， 能夠成為射線而定向傳播等特點，以超聲波作為監(jiān)測手段， 并將輸出信號轉換成工業(yè)上常用的標準信號的液位變送器就是超聲波液位變送器。 超聲波 液位變送器的 工作原理是由超聲波探頭發(fā)出高頻脈沖聲波 ， 聲波遇到被測物位表面被反射 ， 換能器接收反射回波轉換成電信號 。 由于聲波脈沖發(fā)射過程中機械惰性占用了傳輸時間 ， 使靠近超聲波換能器的一小段區(qū)域不能 接收聲波， 這個區(qū)域稱為盲區(qū) ， 盲區(qū)大小與超聲波的量程有關 。 為測量 儲油罐中 油位 ， 遠程監(jiān)測終端開發(fā)中 選用了重慶兆易科技公司生產(chǎn)的 RISENBS1KA0 型 超聲波液位變送器。 RISENBS1KA0 變送器 集超聲波傳感器、溫度傳感器、超聲伺服電路 和 變送電路為一體，采用 SMD（ Surface Mount Device） 貼片元件及兆易公司與美國合作研發(fā)的專用芯片，使得整機電路非常緊湊簡潔 ， 線路板全部鍍金，內部電磁屏蔽及出廠 四十八 小時高低溫老化，使其具有很高的穩(wěn)定性和長期可靠性。殼體采用質地堅固且聲學特性好的合成材