【正文】 殼體采用質(zhì)地堅固且聲學特性好的合成材。 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。 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(zhuǎn)換成電信號 。 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。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(jié)束符。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。 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。 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(nèi)部 軟件調(diào)試 BU 1 蜂鳴器 驅(qū)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(qū)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。在接口座上各引腳的編號及位置如圖 37 所示。 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。 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(nèi)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(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧 的 M23A GSM/GPRS 模塊。 （ 2） 內(nèi)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(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)的，用戶一般只需要調(diào)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。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。 （ 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。 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。 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。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。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。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。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。 （ 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 骨 干 網(wǎng)S G S NB S SG P R S 模 塊I n t e r n e tG G S N數(shù) 據(jù) 中 心 圖 35 GPRS 與 Inter 連接框圖 Fig35 GPRS link with Inter diagram GPRS 終端通過接口從 數(shù)據(jù)采集器 取得數(shù)據(jù)，處理后的 GPRS 分組數(shù)據(jù)發(fā)送到 GSM 基站。網(wǎng)關支持節(jié)點 GGSN 支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于 IP的 GPRS 骨干網(wǎng)和 GPRS 服務支持節(jié)點 SGSN 連通。 GPRS 是在原 有的基于 電 路交換數(shù)據(jù)業(yè) 務 CSD（ Circuitswitched data services） 方式的 GSM（ Global System of Mobile munication） 網(wǎng)絡上引入了 兩個新的網(wǎng)絡節(jié)點 [ 24]： GPRS 服務支持節(jié)點 SGSN（ Serving GPRS Suport Node） 和網(wǎng)關支持節(jié)點 GGSN（ Gateway GPRS Suport Node）。有了 GPRS，用戶的呼叫建立時間大大縮短，幾乎可以做到 “ 永遠在線 ” 。 GPRS 采用與 GSM 相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構、無線調(diào)制標準、跳頻規(guī)則以及相同的 TDMA 幀結(jié)構。 （ 2） GPRS 概述 GPRS 是通用無線分組業(yè)務 General Packet Radio System 的縮寫， 是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務 [ 21]，是 GSM 網(wǎng)絡向第三代移動通信演進過程中的過渡技術。 GPRS 作為目前和將來大規(guī)模發(fā)展的一種組網(wǎng)方式，具有分布式、集散型、網(wǎng)絡化、開放式特點，在工業(yè)控制、環(huán)境保護、水利水文監(jiān)測、報警等領域中得到愈來愈廣泛的應用 [19] [20]。 系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中加入了加密機制，資料可以在公網(wǎng)上安全地傳輸 。 GPRS 接入等待時間短，可快速建立連接，平均耗時為兩秒 。系統(tǒng)具有自動恢復功 能 ，在 GPRS 網(wǎng)絡狀態(tài)不穩(wěn)定的情況下，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，而無需人工干預 。 ? 可靠性強 。 ? 通信鏈路由運營商維護 。 ? 組網(wǎng)簡單 。 GPRS 網(wǎng)絡的傳輸速度最大可以高達 170Kbps，速度的高低取決與網(wǎng)絡運營商的設置。 用戶可以保持一直在線，只有在讀取數(shù)據(jù)的時候占用資源并進行付費，改變以往按連接時間計費的方式，這將節(jié)約用戶資費。 即用戶隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳送，終端還一直與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。其主要缺點是信息按條收費，費用較高 ， 只能傳送小流量數(shù)據(jù)（限于 160 字節(jié)）， 存在短消息延時、丟失 和 擁塞等現(xiàn)象 ， 實 時性不強 。 3） 基于 GSM 短消息的數(shù)據(jù)傳輸。無線數(shù)傳電臺的優(yōu)點是傳輸頻帶較寬，通信容量較大 ， 除了交每年的占頻費外，平時運行無需格外費用。 2） 無線數(shù)傳電臺。 表 31 各數(shù)據(jù)傳輸方式的 比較 Tab31 Comparison of various data transmission modes 電話線撥號 無線數(shù)傳電臺 短消息 GPRS 模式 覆蓋范圍 窄 20Km 較寬 較寬 通信速率 56Kbps 160 字節(jié) /包 ~ 建設成本 高 高 較低 較低 運行費用 高 一般 較高 較低 實時性 差 差 差 高 可靠性 一般 低 一般 較高 相比于 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模式，其它 各通訊方式的 優(yōu)缺點 如下 [16]： 1） 電話線撥號 。 目前 常用 有線和無線 的通 信 方式 主要 有： 電話線撥號 、無線數(shù)傳電臺、基于 GSM 短消息的數(shù)據(jù)傳輸、基于 GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞健? 系統(tǒng) 開發(fā) 涉及的相關 內(nèi)容 GPRS 網(wǎng)絡 （ 1）幾種通信方式的比較 按傳遞信息的媒質(zhì)不同，通信可分為兩大類 [ 15]。 綜上所述， 整個 系統(tǒng) 方案 能夠滿足分布式油田對原油計量和防盜的要求，具有 良好的可行性。 本系統(tǒng)中 應用了 紅外線 傳感器和 攝像設備， 當紅外線傳感器被觸發(fā)有警情出現(xiàn)時， 攝像設備 拍攝井場附近的圖片，為日后辦 案提供證據(jù)，這樣可有效打擊盜油犯罪分子，從而減少或杜絕偷盜油現(xiàn)象，提高經(jīng)濟效益。殼體采用質(zhì)地堅固且聲學特性好的合成材料，其外形精巧美觀，防水、防塵，可適應大多數(shù)工況現(xiàn)場。 液 位 測 量 方 法接 觸 測 量 法非 接 觸 測 量 法靜壓式電容式電感式稱重式浮沉式光電式超聲波r射線激光線紅外線 圖 34 液位測量方法 Fig34 Level measuring method 隨著監(jiān)測技術的發(fā)展，非接觸測量法 中的 浮沉式的測量方法 因 機械部分 不便于維修和更換，現(xiàn)在很少會使用它，熱感式、電感式和稱重式測量方法，因精度和應用范圍的限制，不具備通用性，多用于小型 油罐 上。 在 油位 計量方面，近年來由于光纖 和 超聲波等高新技術不斷的涌現(xiàn)， 油位監(jiān)測已進入多功能、高精度的新階段。 I n t e r n e t 網(wǎng) 絡打 印 機監(jiān) 控 中 心 服 務 器U S B固 定 I P 地 址 圖 33 監(jiān)控中心結(jié)構框圖 Fig33 Control center structure diagram 本系統(tǒng)設計中選用了 數(shù)據(jù)中心申請固定的公網(wǎng) IP 的方式， 采用該方式對整個系統(tǒng)的運行費用影響不大，但卻可提高通信質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。監(jiān)控中心通過固定的 IP 地址接入 Inter 網(wǎng)絡，從網(wǎng)絡上接收 遠程 監(jiān)測終端傳輸來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。 關于 遠程監(jiān)測終端各個部分電路的設計，后面章節(jié)有詳細介紹 。傳感器 輸出 信號先經(jīng)過調(diào)理電路 ，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號 ， 微處理器 對處理后 的 數(shù)據(jù) 進行 本地 存儲 和 顯示 ，并將這些數(shù)據(jù)通過GPRS 模塊發(fā)送至監(jiān)控中心。 監(jiān) 測 終 端監(jiān) 測 終 端監(jiān) 測 終 端監(jiān) 測 終 端移 動 G P R S 網(wǎng) 絡I n t e r n e t 網(wǎng) 絡監(jiān) 控 中 心儲 油 罐儲 油 罐儲 油 罐儲 油 罐 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié) 構框圖 Fig31 Overall system structure diagram 遠程 監(jiān)測終端的結(jié)構 根據(jù)整個系統(tǒng)對監(jiān)測終端的功能 需求 ， 遠程 監(jiān)測終端的硬件結(jié)構框圖如圖32 所示。由于采油現(xiàn)場儲油罐數(shù)量眾多，各個井場分布也很分散，整個系統(tǒng)中應用 GPRS無線通信 網(wǎng)絡 ，將計算機監(jiān)控中心和各個 遠程 監(jiān)控終端聯(lián)系起來。 整個系統(tǒng)分為 遠程 監(jiān)測終端和計算機監(jiān)控中心兩個部分。 系統(tǒng)方案 分布式油田 原油計量和防盜 遠程監(jiān)控系統(tǒng)是將安裝在井場儲油罐上的各種傳感器采集數(shù)據(jù)（ 油位 、閥門狀態(tài)、報警器狀態(tài)）利用 GPRS 無線 通信平臺傳輸至 計算機 監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的管理人員利用計算機分析、匯總， 實時掌握采油現(xiàn)場的儲油量，輔助于管理者決策 。 （ 4）操作、維護的簡便性原則 根據(jù)簡便性原則，產(chǎn)品設計要便于操作 。 （ 3） 模塊化結(jié)構設計原則 模塊化結(jié)構的硬件產(chǎn)品使系統(tǒng)配置靈活，緊湊簡便，易于升級 和 維護。 （ 2）先進性和實用性原則 系統(tǒng)從分布式油田的實際需求出發(fā)， 遠程 監(jiān)測終端既可單機運行，也可以與 計算機 監(jiān) 控 中心 聯(lián)網(wǎng)運行。 根據(jù)分布式油田現(xiàn)場的實際情況， 本系統(tǒng)中 按下列原則進行了總體設計： （ 1）可靠性原則 可靠性是整個系統(tǒng)的基本要求，在使用中要求系統(tǒng)具有抗惡劣工作環(huán)境的能力，無故障工作時間長。 無線通信范圍 GPRS：在移動基站覆蓋的地域 。 （ 2） 外部 開關量