摘 要： 對油田中的抽油機進行維護時，傳統方式有很多弊端，如油井位置遠，人員現場檢測困難，全面檢測時間較長且不能第一時間發現故障，導致影響生產進度等問題。實現了STM32和GPRS模塊無線油井監控器，可以遠程對抽油機的狀態進行檢測和控制，在監控中心服務器即可完成對油機狀態的監控，且采用無線油井監控器方案具有實施方便快速、查看故障點直觀、節省人力和物力成本、維護方便等優點。
關鍵詞： STM32；無線；GPRS；油井控制器
0 引言
隨著科技的進步，石油工業正在向智能化和信息化發展，企業信息化和管控一體化已成為實現“降本增效，提高管理水平”這一油田改革目標中的一個重要課題。隨著油田采油信息化建設的進一步發展和拓寬，采油設備的開發生產與信息技術的緊密結合成為石油工業發展的必然。無線網絡技術的發展為遠程數據傳輸開辟了新的有效途徑，通過安裝在油井的數據監控設備，可以直接將井場采油機運行工作狀況的有關數據傳送到采油部門的監控中心，實現油井的實時監控和數據的實時傳送，逐步形成油田生產管理與監控一體化的信息網絡，將油田油井及管網監控與生產調度管理整合成一個整體方案。使用基于STM32和GPRS的無線油井監控器，可組成一套先進的、高可靠性、高性價比的綜合自動化實時監測和控制系統，此系統將大大提高管理和維護效率。相對于傳統的控制系統，該系統在節能和日常維護上將產生巨大的社會效益和經濟效益。
1 系統原理分析
無線油井監控器的構成如圖1所示，包括高性能32位ARM處理器、高可靠性GPRS模塊、斷電儲能模塊、斷電數據保存單元、隔離RS485通訊單元和開出等。該系統可實現遠距離短信通訊、GPRS通訊、RS485通訊；可檢測3路模擬量、自身運行電壓；并有斷電告警、模擬量異常告警等功能。該系統可與中心站監控軟件配合組成綜合自動化實時監測和控制系統，也可以根據實際需求做相應的配置，從而應用到不同領域。
GPRS通用無線分組業務是如今移動通信網中的成熟技術，完成了無線Internet接入，能向用戶提供Internet所能提供的一切功能。這種技術在數據傳輸時，將數據進行分組（TCP/IP）傳送，可以接入基于TCP/IP的外部網絡和X.25網絡，實現從空中接口到外部網絡之間的分組數據傳輸，并提供透明通道。網絡容量僅在需要時才分配，一旦分組完成發送任務，信道容量立即釋放，所以提供了即時連接和高效傳輸，實現了實時在線的功能。GPRS的設計既能支持間歇的爆發式數據傳輸，又能支持偶爾的大量數據傳輸，因此，它是一種經濟高效的分組數據技術。用戶在擁有一個電話號碼的同時將擁有一個固定的或動態分配的IP地址，可以方便地實現與現有Internet數據網的無縫連接[1]。
當監測模塊發現油機故障或異常（比如停機、過流、皮帶打滑等）時，會通過GPRS方式把數據上報給控制中心，也可以通過短信方式直接上報給維護人員，由于數據中有故障油井名稱編號等信息，方便維護人員第一時間發現和解決問題。監測模塊以GPRS通訊為主，與控制中心進行數據交互，GPRS按流量計費，可以有效降低通信成本。短信和RS485方式為輔，進行定值設置、數據傳輸和故障報警，多種方式可以滿足不同情況的需要，可以使工作更加高效、快捷。用主控芯片內部集成ADC采集相關油井工作的電流參數可以判斷出油機的運行狀態。使用設計斷電儲能單元，即使模塊供電故障也可以報警[2]。
2 電路設計方案
無線油井檢測模塊系統硬件框圖如圖2所示。監控器選用微控制器STM32芯片，通過串口連接GPRS模塊SIM900A，并與外圍電源電路、485通訊電路、ADC測量模擬量電路、開出電路共同組成系統硬件。
STM32F103系列芯片是意法半導體開發的高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，時鐘頻率可達72 MHz，內置達128 KB閃存，零等待周期的存儲器。它還有豐富的外設接口，能夠高效地處理數據，保證程序處理速度和性能上的冗余。采用低功耗設計，降低能耗的同時可以提高模塊的使用壽命。本文選用了STM32F103RBT6芯片，2個12位的?滋s級的A/D轉換器。2個定時器、2個I2C接口（SMBus/PMBus）、3個USART接口、1個USB接口、一個CAN接口、內置軟件看門狗等[3]。
SIM900A模塊是SIMCom公司推出的新款緊湊型產品，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩定，外觀精巧，性價比高。SIM900A采用工業標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24 mm×24 mm×3 mm，能適用于M2M應用中的各類設計需求，標準串口通過AT命令控制，尤其適用于緊湊型產品設計[4]。
主控芯片通過串口1與SIM900模塊連接通訊，實現配置GPRS模塊和收發數據，用串口2連接MAX485接口芯片實現485通訊功能；通過I2C總線接口連接EEPROM芯片AT24C64，實現定制數據的掉電存儲；通過LM6482運放搭建濾波器連接STM32片上AD，通過連接電流互感器對抽油機的電流進行數據采集；電源部分采用LM2576為SIM900模塊供電，通過ASM1117芯片為STM32芯片供電，并加入超級電容單元，即使監控器突然斷電，仍然可以上傳斷電故障信息。
布局方面，由于SIM900A天線部分射頻頻率較高，采用靠近線路板邊緣側，周圍鋪地處理，天線引線采用射頻專業同軸屏蔽電纜，應盡量短，接至金屬機殼外部。對強干擾信號造成的運行出錯采用軟硬件自恢復電路處理，保證在無人值守時也能可靠運行。對采集到的交流信號端加入TVS和穩壓管，實行防電脈沖沖擊和防雷保護措施，已在實際應用中獲得了極好的效果。
3 系統軟件設計
系統軟件流程如圖3所示。上電啟動后，首先對硬件和AD進行初始化，并對I/O端口、運行燈、EEPROM及兩個串口進行初始化，分別設置相應的波特率以及數據格式。然后對SIM900初始化，通過串口發送AT命令，設置各項功能參數（比如設置預定的IP地址），再檢測是否正確連接入網，如果連接正常，則根據ADC采集數據判斷油井狀態，把數據從串口1發送到GPRS模塊，通過GPRS網絡經過TCP協議方式把狀態信息傳送到監控中心所預定的目的IP地址上去。
模塊可以根據油井當前運行的電流值，判斷當前油井電機工作的狀態。異常數據會與EEPROM中設定的上下限定值相比較，做出異常判斷，如油井電機停機、油井斷電、電流異常等情況。同樣，監控中心可以通過GPRS網絡下發和更改定值到檢測模塊以適應不同規格的油井油機。根據需要配置是否進行RS485通訊、或短信通訊上報數據或報警信息。如果GPRS網絡正在傳送的數據忽然斷開或者其他外界原因引起GPRS傳輸出現問題，這時還持續向GPRS模塊發送數據就會出現數據丟失的現象。為了避免這種現象的發生，在傳送數據的過程中加入了判斷SIM900模塊是否加入網絡的程序，檢測入網AT指令和串口數據檢測方式，如果下發數據長時間沒有收到應答則判斷為網絡故障，會重新進行GPRS連接，等到網絡連接建好之后再繼續傳送數據。
4 結論
經實踐證明，使用基于STM32和GPRS無線油井監控器達到了較好的效果，采用GPRS無線通信，免去控制線的布線繁瑣。監控器模塊對油機供電網絡掉電或異常檢測并發送報警，避免了不必要的故障查找。監控器模塊可輸入指定的區別名稱，當發送故障時，可直接定位到具體的線路。監控器模塊帶有獨立運行系統，也可脫離監控中心獨立執行命令。當監控中心發生停電或者其他系統故障以及移動網絡臨時故障時，監控器模塊可獨立執行任務，例如直接給管理員發送手機短信提示故障。也可在現有系統上直接升級為控制系統，避免重復投資。
參考文獻
[1] 胡長暉，葉夢君.基于GPRS和廣域IP的數據采集系統設計[J].信息技術，2011（2）：93-95.
[2] 任志國，林立.基于MCU的抽油機節能控制儀表與控制技術[J].儀表技術，2005（4）：66-67.
[3] 意法半導體.STM32F10x-StdPeriph-Lib[EB/OL].[2012-3-02]（2014-11-01）.http//www.st.com/internet/com/internet/com/SOFTWARE_RESOURCES/SW_COMPONENT/FIRMWARE/stm32 f10x_ stdperiph_lib.zip.
[4] 芯訊通無線科技有限公司.SIM900_AT command manual_V1.05[EB/OL].[2011-10-31]（2014-11-01）.http：//wm.sim.com/Sim/FrontShow_en/wireless/detail.aspx?cid=6&nid=770.