摘 要： 对油田中的抽油机进行维护时，传统方式有很多弊端，如油井位置远，人员现场检测困难，全面检测时间较长且不能第一时间发现故障，导致影响生产进度等问题。实现了STM32和GPRS模块无线油井监控器，可以远程对抽油机的状态进行检测和控制，在监控中心服务器即可完成对油机状态的监控，且采用无线油井监控器方案具有实施方便快速、查看故障点直观、节省人力和物力成本、维护方便等优点。
关键词： STM32；无线；GPRS；油井控制器
0 引言
随着科技的进步，石油工业正在向智能化和信息化发展，企业信息化和管控一体化已成为实现“降本增效，提高管理水平”这一油田改革目标中的一个重要课题。随着油田采油信息化建设的进一步发展和拓宽，采油设备的开发生产与信息技术的紧密结合成为石油工业发展的必然。无线网络技术的发展为远程数据传输开辟了新的有效途径，通过安装在油井的数据监控设备，可以直接将井场采油机运行工作状况的有关数据传送到采油部门的监控中心，实现油井的实时监控和数据的实时传送，逐步形成油田生产管理与监控一体化的信息网络，将油田油井及管网监控与生产调度管理整合成一个整体方案。使用基于STM32和GPRS的无线油井监控器，可组成一套先进的、高可靠性、高性价比的综合自动化实时监测和控制系统，此系统将大大提高管理和维护效率。相对于传统的控制系统，该系统在节能和日常维护上将产生巨大的社会效益和经济效益。
1 系统原理分析
无线油井监控器的构成如图1所示，包括高性能32位ARM处理器、高可靠性GPRS模块、断电储能模块、断电数据保存单元、隔离RS485通讯单元和开出等。该系统可实现远距离短信通讯、GPRS通讯、RS485通讯；可检测3路模拟量、自身运行电压；并有断电告警、模拟量异常告警等功能。该系统可与中心站监控软件配合组成综合自动化实时监测和控制系统，也可以根据实际需求做相应的配置，从而应用到不同领域。
GPRS通用无线分组业务是如今移动通信网中的成熟技术，完成了无线Internet接入，能向用户提供Internet所能提供的一切功能。这种技术在数据传输时，将数据进行分组（TCP/IP）传送，可以接入基于TCP/IP的外部网络和X.25网络，实现从空中接口到外部网络之间的分组数据传输，并提供透明通道。网络容量仅在需要时才分配，一旦分组完成发送任务，信道容量立即释放，所以提供了即时连接和高效传输，实现了实时在线的功能。GPRS的设计既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据传输，因此，它是一种经济高效的分组数据技术。用户在拥有一个电话号码的同时将拥有一个固定的或动态分配的IP地址，可以方便地实现与现有Internet数据网的无缝连接[1]。
当监测模块发现油机故障或异常（比如停机、过流、皮带打滑等）时，会通过GPRS方式把数据上报给控制中心，也可以通过短信方式直接上报给维护人员，由于数据中有故障油井名称编号等信息，方便维护人员第一时间发现和解决问题。监测模块以GPRS通讯为主，与控制中心进行数据交互，GPRS按流量计费，可以有效降低通信成本。短信和RS485方式为辅，进行定值设置、数据传输和故障报警，多种方式可以满足不同情况的需要，可以使工作更加高效、快捷。用主控芯片内部集成ADC采集相关油井工作的电流参数可以判断出油机的运行状态。使用设计断电储能单元，即使模块供电故障也可以报警[2]。
2 电路设计方案
无线油井检测模块系统硬件框图如图2所示。监控器选用微控制器STM32芯片，通过串口连接GPRS模块SIM900A，并与外围电源电路、485通讯电路、ADC测量模拟量电路、开出电路共同组成系统硬件。
STM32F103系列芯片是意法半导体开发的高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，时钟频率可达72 MHz，内置达128 KB闪存，零等待周期的存储器。它还有丰富的外设接口，能够高效地处理数据，保证程序处理速度和性能上的冗余。采用低功耗设计，降低能耗的同时可以提高模块的使用寿命。本文选用了STM32F103RBT6芯片，2个12位的?滋s级的A/D转换器。2个定时器、2个I2C接口（SMBus/PMBus）、3个USART接口、1个USB接口、一个CAN接口、内置软件看门狗等[3]。
SIM900A模块是SIMCom公司推出的新款紧凑型产品，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，性能稳定，外观精巧，性价比高。SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外，SIM900A的尺寸大小为24 mm×24 mm×3 mm，能适用于M2M应用中的各类设计需求，标准串口通过AT命令控制，尤其适用于紧凑型产品设计[4]。
主控芯片通过串口1与SIM900模块连接通讯，实现配置GPRS模块和收发数据，用串口2连接MAX485接口芯片实现485通讯功能；通过I2C总线接口连接EEPROM芯片AT24C64，实现定制数据的掉电存储；通过LM6482运放搭建滤波器连接STM32片上AD，通过连接电流互感器对抽油机的电流进行数据采集；电源部分采用LM2576为SIM900模块供电，通过ASM1117芯片为STM32芯片供电，并加入超级电容单元，即使监控器突然断电，仍然可以上传断电故障信息。
布局方面，由于SIM900A天线部分射频频率较高，采用靠近线路板边缘侧，周围铺地处理，天线引线采用射频专业同轴屏蔽电缆，应尽量短，接至金属机壳外部。对强干扰信号造成的运行出错采用软硬件自恢复电路处理，保证在无人值守时也能可靠运行。对采集到的交流信号端加入TVS和稳压管，实行防电脉冲冲击和防雷保护措施，已在实际应用中获得了极好的效果。
3 系统软件设计
系统软件流程如图3所示。上电启动后，首先对硬件和AD进行初始化，并对I/O端口、运行灯、EEPROM及两个串口进行初始化，分别设置相应的波特率以及数据格式。然后对SIM900初始化，通过串口发送AT命令，设置各项功能参数（比如设置预定的IP地址），再检测是否正确连接入网，如果连接正常，则根据ADC采集数据判断油井状态，把数据从串口1发送到GPRS模块，通过GPRS网络经过TCP协议方式把状态信息传送到监控中心所预定的目的IP地址上去。
模块可以根据油井当前运行的电流值，判断当前油井电机工作的状态。异常数据会与EEPROM中设定的上下限定值相比较，做出异常判断，如油井电机停机、油井断电、电流异常等情况。同样，监控中心可以通过GPRS网络下发和更改定值到检测模块以适应不同规格的油井油机。根据需要配置是否进行RS485通讯、或短信通讯上报数据或报警信息。如果GPRS网络正在传送的数据忽然断开或者其他外界原因引起GPRS传输出现问题，这时还持续向GPRS模块发送数据就会出现数据丢失的现象。为了避免这种现象的发生，在传送数据的过程中加入了判断SIM900模块是否加入网络的程序，检测入网AT指令和串口数据检测方式，如果下发数据长时间没有收到应答则判断为网络故障，会重新进行GPRS连接，等到网络连接建好之后再继续传送数据。
4 结论
经实践证明，使用基于STM32和GPRS无线油井监控器达到了较好的效果，采用GPRS无线通信，免去控制线的布线繁琐。监控器模块对油机供电网络掉电或异常检测并发送报警，避免了不必要的故障查找。监控器模块可输入指定的区别名称，当发送故障时，可直接定位到具体的线路。监控器模块带有独立运行系统，也可脱离监控中心独立执行命令。当监控中心发生停电或者其他系统故障以及移动网络临时故障时，监控器模块可独立执行任务，例如直接给管理员发送手机短信提示故障。也可在现有系统上直接升级为控制系统，避免重复投资。
参考文献
[1] 胡长晖，叶梦君.基于GPRS和广域IP的数据采集系统设计[J].信息技术，2011（2）：93-95.
[2] 任志国，林立.基于MCU的抽油机节能控制仪表与控制技术[J].仪表技术，2005（4）：66-67.
[3] 意法半导体.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] 芯讯通无线科技有限公司.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.