基于GPRS网络技术实现油田抽油机远程控制系统的设计

作者：柴智渊，殷天明，梁晓锋，肖敬义

GPRS技术是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务，其最大优势在于它的数据传输速度大大提高，目前已达到了115Kbps。其次GPRS是按GSM标准定义的封包交换协议，可快速接入数据网络。它在移动终端和网络之间实现了“永远在线”的连接，网络容量只有在实际进行传输时才被占用。基于这些优势，GPRS技术适合进行数据传输，同时由于其可靠性，可以进行远程控制的设计。本文以油田抽油机为实际应用背景，介绍基于GPRS技术的开关磁阻电机调速系统远程控制的架构和具体实现。

系统整体结构

本系统是通过上位机操作系统，利用无线网络远程控制应用于油田抽油机的开关磁阻电机，控制开关磁阻电机的启动、停止、复位以及转速设定等参数，并对电机的运行状态进行采集，如电流参数、温度参数、转速信息、故障信息等，并将其返回到上位机操作系统进行分析，判断电机工作情况和下一步的控制情况，实现远程控制的目的。

本系统整体工作结构原理图见图1。

图1 GPRS远程控制系统整体结构图

上位机操作系统

上位机操作系统是人机对话的平台。本文采用VB语言编写的可视化界面，编写了一个TCP/IP超级终端，实现了TCP/IP服务器端的功能，这是Socket的一个简单应用。由于每次GPRS拨号，系统端获的的IP地址都不一样，而PC端的IP地址应该是固定的，因此选择PC端作为服务器端。服务器端创建后开始侦听来自网络的数据，循环等待客户端的连接，如果有客户端连接，接收到的数据会保存在缓冲器中，然后服务器端会判断是否是系统发来的数据，如果正确则显示该客户端发来的数据，同时服务器端会重新启动一个线程等待新的客户连接。

系统硬件设计

如图2所示，远程控制系统内部结构可分为系统电源、复位电路、信号采集、控制给定以及其他控制部分。这里着重介绍信号采集、GPRS远程控制等部分。

图2 GPRS远程控制系统内部结构图

本设计需要采集开关磁阻电机的运行状态，包括电流信号、电压信号等，需要进行ADC变换。

TLC0834是八位逐次逼近模数转换器，具有输入可配置的多通道多路器和串行输入方式，采用串行输入结构，其供电电压为5V，输入与输出与TTL，CMOS电平兼容。为了节省I/O资源，采用LPC2134的一个I/O口连接到TLC0834的DO端和DI端，DI端只在多路器寻址时被检测，而此时DO端仍为高阻状态，经过一个时钟周期后，DO端才开始在时钟上升沿时读出数据。

GPRS远程控制系统

GPRS远程控制系统是系统的核心部分，传输控制信息以及采集运行状态，是负责上位机控制系统和底层电机的联系纽带。核心部分由ARM7处理器LPC2134和GPRS无线通信模块MC35i构成。LPC2134与GPRS通信模块MC35i的通信是通过串口通信来实现的，如图3所示，通信模块MC35i的16～23引脚数据输入/输出端标准串口的8个引脚分别为DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps～115000bps之间。为了和开关磁阻电机调速系统正常地进行通信，这里选择1200bps作为数据传输的波特率，硬件握手信号用RTS/CTS，模块串口支持标准的AT命令集。

图3 GPRS模块MC35i引脚结构图

模块的24“29管脚为SIM卡引脚，其中CCVPP引脚用于检测SIM卡插槽中SIM卡是否插入正常，CCCLK用于模块在该周期下定时检测SIM卡，因此，CCVPP脚会定时出现一个跳变；CCVCC引脚是MC35i模块为SIM卡提供的供电电源。

系统软件设计

本设计采用国际化标准组织所定义的开放系统互连模型，OSI/RM参考模型包括七个协议层来定义数据通讯的协议功能。图4所示为本设计互联参考模型结构图及所涉及的协议。

图4 系统互联参考模型结构图

图中包括上位机、INTERNET、GPRS网络、GPRS远程控制板、开关磁阻电机调速系统以及开关磁阻电机几大部分的信息通信，其中GPRS远程控制板和GPRS网络间的通讯通过PPP（点对点协议）实现，GPRS网络和INTERNET的通信通过GPRS网关节点实现，INTERNET和上位机的通信通过TCP/IP协议，并通过可视化界面实现。

PPP的设计与实现

本设计环节需要支持GPRS功能的GSM模块，使移动终端通过串口和GPRS模块相连，然后通过AT命令先设置好模块，定义PDP上下文和网络服务质量；发出进行申请GPRS服务的拨号命令， GPRS模块的PPP协议服务器端程序进行协商通信。收到拨号命令后，GPRS模块会进行网络的附着，网络分配无线链路资源，这时GPRS模块中的PPP协议服务器端进入NETWORK状态，得到网络分配的IP地址并通过IPCP协议分配给移动终端，这样，移动终端就在串口和GPRS之间用PPP协议建立了一条透明的传输通道，并取得了自己的IP地址，可以和数据中心通信了。PPT实现流程见图5。

图5 PPP实现流程框图

TCP/IP小型协议栈uIP的设计和实现

uIP是一个极其小型的TCP/IP协议栈，可以适用于低至8位或16位微处理器的嵌入式系统。它可以被看作是一个代码库为系统提供确定的函数。uIP提供三个函数到系统底层uip_init（）、uip_input（）和uip_periodic（）。应用程序必须提供一个回应函数给uIP。当网络或定时事件发生时，调用回应函数。

VB语言编写的可视化界面

TCP/IP协议是Internet最重要的协议，本设计采用VB语言实现了TCP/IP服务器端的功能。Socket接口是TCP/IP网络的API，网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。VB提供了WinSock控件，用于在TCP/IP的基础上进行网络通信。当使用Socket进行网络通信时，其中一个必须创建Socket服务器侦听以进行通信，创建服务器，首先创建一个服务端口号，并开始侦听是否有客户请求连接。部分VB程序如下：

Private Sub Form_Load（）

SockServer.LocalPort = 3000 ‘服务器端口号

SockServer.Listen ‘开始侦听

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 ‘表示客户请求连接的ID号

End Sub

Private Sub SockServer_Data Arr （ByVal bytesTotal As Long）

‘当向服务器发送的数据到达后，产生DataArr事件，在事件中接收数据

Dim a As String

SockServer. GetData a

Text1.Text = a

End Sub

……

结语

综合以上设计，利用GPRS网络实现远程控制的最大好处在于它的可靠性，可在恶劣环境下使用，可通过上网的网络终端来实现远程控制和电机运行状态的接收，同时可实现多点到多点的双向控制，成本低廉，尤其是像油田抽油机的恶劣的工作环境，更能节省很大的人力及物力，效率很高。

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