基于ARM的嵌入式注水井流量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧雨晴，王羅娜

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

隨著國(guó)內(nèi)石油行業(yè)的發(fā)展，對(duì)流量的監(jiān)控在目前的石油工業(yè)中至關(guān)重要[1]。目前用戶想查看井下流量信息時(shí)，要等待設(shè)備在井下采集數(shù)據(jù)出井后將數(shù)據(jù)整體上傳，才能對(duì)流量信息進(jìn)行分析和查看。所以為了降低成本最優(yōu)解決方法是讓工作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控井下流量數(shù)據(jù)[2]。實(shí)時(shí)注水井流量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)注水井井下流量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、管理一體化，大大提升了井場(chǎng)作業(yè)人員工作效率，同時(shí)提供遠(yuǎn)程流量監(jiān)控接口。

1 注水井流量監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

井場(chǎng)流量監(jiān)控系統(tǒng)是為監(jiān)測(cè)井場(chǎng)流量而研發(fā)的流量信息實(shí)時(shí)采集監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)流量信息的實(shí)時(shí)采集。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析來(lái)判斷注水井注水流量是否在合理范圍內(nèi)。并將監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)流量及歷史流量以柱形圖、折線圖的形式顯示在LCD顯示屏上，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員查看。一旦監(jiān)測(cè)到出現(xiàn)流量超標(biāo)現(xiàn)象立即發(fā)出告警信息并記錄至日志。本系統(tǒng)通訊發(fā)方式為以太網(wǎng)[3]。

2 井場(chǎng)流量監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：通過(guò)ARM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的對(duì)注水井流量信息采集、按照日期、時(shí)間將采集到的數(shù)據(jù)處理后存入SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)通過(guò)TCP協(xié)議及HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至Web服務(wù)器。同時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，出現(xiàn)異常立即向服務(wù)器告警。并通過(guò)Frambuffer技術(shù)、輸入子系統(tǒng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)取字模在LCD上實(shí)現(xiàn)觸屏鍵盤功能，現(xiàn)場(chǎng)人員可通過(guò)觸摸屏鍵盤選擇查詢井下實(shí)時(shí)流量、歷史流量等井況信息，可切換井口/切換歷史日期。系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢信息，并將結(jié)果繪制為折線圖/柱形圖顯示在LCD屏幕上。

本監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及交互顯示終端的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量信息的采集、存儲(chǔ)、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞等功能。通過(guò)串口通信讀取井下設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)流量信息數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至Web服務(wù)器。整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 注水井流量監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中需要完成的功能有很多，其中包括與服務(wù)器通信進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、LCD屏幕交互顯示等。其中比較重要的就是流量數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、發(fā)送及顯示。

3.1 三星4412最小系統(tǒng)

三星4412最小系統(tǒng)板以Cortex-A9為核心，內(nèi)部集成了GPU為Mali-400 MP的高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運(yùn)行，并可播放1080P大尺寸高清視頻，流暢運(yùn)行Android等高級(jí)操作系統(tǒng)，非常適合開發(fā)高端物聯(lián)網(wǎng)終端、廣告多媒體終端、智能家居、高端監(jiān)控系統(tǒng)、游戲機(jī)控制板等設(shè)備。

3.2 LCD顯示模塊

本次設(shè)計(jì)采用RGB888真彩色 LCD顯示屏，分別率1024*600，支持觸摸功能，功能齊全，價(jià)格低廉，非常適合嵌入式開發(fā)。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在注水井流量監(jiān)控系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)采用了多線程技術(shù)分成兩大類，一是基于嵌入式開發(fā)板的信號(hào)處理流程，其中包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫(kù)、打包為HTML文件和發(fā)送至web服務(wù)端等過(guò)程。二是以在交互顯示端根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢數(shù)據(jù)并繪圖顯示為主。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括Socket套接字的創(chuàng)建、服務(wù)器端口號(hào)的綁定、串口初始化、顯示屏初始化、數(shù)據(jù)庫(kù)文件創(chuàng)建、線程創(chuàng)建。主程序分為兩個(gè)線程。主線程從串口讀取數(shù)據(jù)，上鎖后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，而后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送至Web服務(wù)器。子線程負(fù)責(zé)在LCD屏幕顯示控制界面，并根據(jù)用戶指令進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、通過(guò)串口向井下儀器發(fā)送指令等操作。最后將查詢結(jié)果以柱形圖、折線圖形式顯示在LCD屏幕上。如圖2所示。

4.2 Web服務(wù)器子程序設(shè)計(jì)

圖2 注水井流量監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖

Web服務(wù)器子程序首先創(chuàng)建Socket套接字，建立TCP連接，后將從串口讀取到的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)寫入HTML文件中。在TCP連接基礎(chǔ)上，通過(guò)HTTP協(xié)議通信，向服務(wù)器發(fā)送HTTP報(bào)文和HTML文件。使客戶可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)頁(yè)面查詢實(shí)時(shí)流量信息。

5 結(jié)語(yǔ)

注水井流量監(jiān)控系統(tǒng)搭載三星4412 ARM高性能處理器，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)用了嵌入式、Linux技術(shù)、Frambuffer及輸入子系統(tǒng)、串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下流量信息的現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于其是基于嵌入式微控制器開發(fā)，因此這套系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該套系統(tǒng)符合井場(chǎng)作業(yè)人員及時(shí)監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)的需要，應(yīng)該會(huì)越來(lái)越普遍的應(yīng)用與工業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前景。