基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)油田抽油機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：柴智淵，殷天明，梁曉鋒，肖敬義

GPRS技術(shù)是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，其最大優(yōu)勢(shì)在于它的數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高，目前已達(dá)到了115Kbps。其次GPRS是按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它在移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”的連接，網(wǎng)絡(luò)容量只有在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用?；谶@些優(yōu)勢(shì)，GPRS技術(shù)適合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)由于其可靠性，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的設(shè)計(jì)。本文以油田抽油機(jī)為實(shí)際應(yīng)用背景，介紹基于GPRS技術(shù)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的架構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是通過(guò)上位機(jī)操作系統(tǒng)，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制應(yīng)用于油田抽油機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的啟動(dòng)、停止、復(fù)位以及轉(zhuǎn)速設(shè)定等參數(shù)，并對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，如電流參數(shù)、溫度參數(shù)、轉(zhuǎn)速信息、故障信息等，并將其返回到上位機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行分析，判斷電機(jī)工作情況和下一步的控制情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。

本系統(tǒng)整體工作結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 GPRS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)操作系統(tǒng)

上位機(jī)操作系統(tǒng)是人機(jī)對(duì)話(huà)的平臺(tái)。本文采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)的可視化界面，編寫(xiě)了一個(gè)TCP/IP超級(jí)終端，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP服務(wù)器端的功能，這是Socket的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用。由于每次GPRS撥號(hào)，系統(tǒng)端獲的的IP地址都不一樣，而PC端的IP地址應(yīng)該是固定的，因此選擇PC端作為服務(wù)器端。服務(wù)器端創(chuàng)建后開(kāi)始偵聽(tīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，循環(huán)等待客戶(hù)端的連接，如果有客戶(hù)端連接，接收到的數(shù)據(jù)會(huì)保存在緩沖器中，然后服務(wù)器端會(huì)判斷是否是系統(tǒng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，如果正確則顯示該客戶(hù)端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)服務(wù)器端會(huì)重新啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程等待新的客戶(hù)連接。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為系統(tǒng)電源、復(fù)位電路、信號(hào)采集、控制給定以及其他控制部分。這里著重介紹信號(hào)采集、GPRS遠(yuǎn)程控制等部分。

圖2 GPRS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)需要采集開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括電流信號(hào)、電壓信號(hào)等，需要進(jìn)行ADC變換。

TLC0834是八位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有輸入可配置的多通道多路器和串行輸入方式，采用串行輸入結(jié)構(gòu)，其供電電壓為5V，輸入與輸出與TTL，CMOS電平兼容。為了節(jié)省I/O資源，采用LPC2134的一個(gè)I/O口連接到TLC0834的DO端和DI端，DI端只在多路器尋址時(shí)被檢測(cè)，而此時(shí)DO端仍為高阻狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期后，DO端才開(kāi)始在時(shí)鐘上升沿時(shí)讀出數(shù)據(jù)。

GPRS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

GPRS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，傳輸控制信息以及采集運(yùn)行狀態(tài)，是負(fù)責(zé)上位機(jī)控制系統(tǒng)和底層電機(jī)的聯(lián)系紐帶。核心部分由ARM7處理器LPC2134和GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊MC35i構(gòu)成。LPC2134與GPRS通信模塊MC35i的通信是通過(guò)串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示，通信模塊MC35i的16～23引腳數(shù)據(jù)輸入/輸出端標(biāo)準(zhǔn)串口的8個(gè)引腳分別為DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在300bps～115000bps之間。為了和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正常地進(jìn)行通信，這里選擇1200bps作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，硬件握手信?hào)用RTS/CTS，模塊串口支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。

圖3 GPRS模塊MC35i引腳結(jié)構(gòu)圖

模塊的24“29管腳為SIM卡引腳，其中CCVPP引腳用于檢測(cè)SIM卡插槽中SIM卡是否插入正常，CCCLK用于模塊在該周期下定時(shí)檢測(cè)SIM卡，因此，CCVPP腳會(huì)定時(shí)出現(xiàn)一個(gè)跳變；CCVCC引腳是MC35i模塊為SIM卡提供的供電電源。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織所定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型，OSI/RM參考模型包括七個(gè)協(xié)議層來(lái)定義數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議功能。圖4所示為本設(shè)計(jì)互聯(lián)參考模型結(jié)構(gòu)圖及所涉及的協(xié)議。

圖4 系統(tǒng)互聯(lián)參考模型結(jié)構(gòu)圖

圖中包括上位機(jī)、INTERNET、GPRS網(wǎng)絡(luò)、GPRS遠(yuǎn)程控制板、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)幾大部分的信息通信，其中GPRS遠(yuǎn)程控制板和GPRS網(wǎng)絡(luò)間的通訊通過(guò)PPP（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議）實(shí)現(xiàn)，GPRS網(wǎng)絡(luò)和INTERNET的通信通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，INTERNET和上位機(jī)的通信通過(guò)TCP/IP協(xié)議，并通過(guò)可視化界面實(shí)現(xiàn)。

PPP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要支持GPRS功能的GSM模塊，使移動(dòng)終端通過(guò)串口和GPRS模塊相連，然后通過(guò)AT命令先設(shè)置好模塊，定義PDP上下文和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量；發(fā)出進(jìn)行申請(qǐng)GPRS服務(wù)的撥號(hào)命令， GPRS模塊的PPP協(xié)議服務(wù)器端程序進(jìn)行協(xié)商通信。收到撥號(hào)命令后，GPRS模塊會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的附著，網(wǎng)絡(luò)分配無(wú)線(xiàn)鏈路資源，這時(shí)GPRS模塊中的PPP協(xié)議服務(wù)器端進(jìn)入NETWORK狀態(tài)，得到網(wǎng)絡(luò)分配的IP地址并通過(guò)IPCP協(xié)議分配給移動(dòng)終端，這樣，移動(dòng)終端就在串口和GPRS之間用PPP協(xié)議建立了一條透明的傳輸通道，并取得了自己的IP地址，可以和數(shù)據(jù)中心通信了。PPT實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖5。

圖5 PPP實(shí)現(xiàn)流程框圖

TCP/IP小型協(xié)議棧uIP的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

uIP是一個(gè)極其小型的TCP/IP協(xié)議棧，可以適用于低至8位或16位微處理器的嵌入式系統(tǒng)。它可以被看作是一個(gè)代碼庫(kù)為系統(tǒng)提供確定的函數(shù)。uIP提供三個(gè)函數(shù)到系統(tǒng)底層uip_init（）、uip_input（）和uip_periodic（）。應(yīng)用程序必須提供一個(gè)回應(yīng)函數(shù)給uIP。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或定時(shí)事件發(fā)生時(shí)，調(diào)用回應(yīng)函數(shù)。

VB語(yǔ)言編寫(xiě)的可視化界面

TCP/IP協(xié)議是Internet最重要的協(xié)議，本設(shè)計(jì)采用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了TCP/IP服務(wù)器端的功能。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，網(wǎng)絡(luò)的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。VB提供了WinSock控件，用于在TCP/IP的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)使用Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，其中一個(gè)必須創(chuàng)建Socket服務(wù)器偵聽(tīng)以進(jìn)行通信，創(chuàng)建服務(wù)器，首先創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)端口號(hào)，并開(kāi)始偵聽(tīng)是否有客戶(hù)請(qǐng)求連接。部分VB程序如下：

Private Sub Form_Load（）

SockServer.LocalPort = 3000 ‘服務(wù)器端口號(hào)

SockServer.Listen ‘開(kāi)始偵聽(tīng)

End Sub

Private Sub Form_Unload（Cancel As Integer）

SockServer.Close

End Sub

Private Sub SockServer_Close（）

SockServer.Close

End Sub

Private Sub SockServer_ConnectionRequest（ByVal REQID As Long）

SockServer.Close

SockServer.Accept REQID ‘表示客戶(hù)請(qǐng)求連接的ID號(hào)

End Sub

Private Sub SockServer_Data Arr （ByVal bytesTotal As Long）

‘當(dāng)向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)后，產(chǎn)生DataArr事件，在事件中接收數(shù)據(jù)

Dim a As String

SockServer. GetData a

Text1.Text = a

End Sub

……

結(jié)語(yǔ)

綜合以上設(shè)計(jì)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的最大好處在于它的可靠性，可在惡劣環(huán)境下使用，可通過(guò)上網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)終端來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的接收，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到多點(diǎn)的雙向控制，成本低廉，尤其是像油田抽油機(jī)的惡劣的工作環(huán)境，更能節(jié)省很大的人力及物力，效率很高。

責(zé)任編輯：gt