（控制理论与控制工程专业论文）基于linux平台的油田远程数字监控系统.pdf

基于l i n u x 平台的油田远程数字监控系统 郭曙光( 控制理论与控制工程) 指导教师：刘润华教授 摘要 为了保证油井的安全平稳运行，需要安全可靠的远程监控系统。本 文介绍了一个基于l i n u x 平台的远程数字监控系统，该系统采用客户- 服 务器( c s ) 模型，通过无线网桥构建的无线局域网，对油井的视频图像 以及生产运行状态参数进行远程监控。 视频图像的采集采用u s b 接口的摄像头，生产运行状态参数的采集 采用由m c s l 9 6 k c 单片机组成的数据采集系统，视频、运行参数采集终 端采用s i t s a n g 板。s i t s a n g 板采用嵌入式l i n u x 操作系统，e m b e d d e dq t 2 作为g u i 丰程序的开发工具，以c ，c + + 为基本的编程语占。服务器 以r e d h a t 9 2 为操作系统，以q t 3 0 1 为开发工具。在服务器接到不同油 井传来的视频、运行参数数据后，把相关数据转发给s i t s a n g 板移动监控 终端。如果有异常现象，移动监控终端则发出报警信号。 本系统采用无线网桥t e w - 3 1 0 a p b 作为数据传输介质，在服务器与 现场数据采集终端以及移动监控终端之问构建了无线局域网。无线局域 网相对于公网独立，基本上避免了外部不法分子通过网络入侵进行破坏 的可能性，同时独享了数据传输带宽，保证了数据传输的速度和质量。 。实验结果表明，本系统是一个性能可靠的远程数字监控系统，可以同 时监控多个油井的生产现场，实时地对各个油井给定区域的异常情况进 行监控报警，并向远程用户实时传送监控报警信息和异常时的报警图像。 关键词：嵌入式l i n u x ，s i t s a n g ，无线局域网。监控系统 t h er e m o t ed i g i t a lm o n i t o r s y s t e m i no i lf i e l db a s e do nl i n u x g u o s h u g u a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r ：l i ur u n - h u a a b s t r a c t ar e l i a b l em o n i t o rs y s t e mi sn e c e s s a r yt oe n s u r ew e l l sw o r ks a f e l ya n d s t a b l y t h i st h e s i sp r o p o s e dad i g i t a lm o n i t o rs y s t e mb a s e do nl i n u x t h e s y s t e ma d o p t sac l i e n t s e r v e r ( c - s ) m o d e lt om o n i t o rt h er e m o t eo i lw e l l s t h r o u g ht h ev i d e op i c t u r e sa n dt h er u nt i m ep a r a m e t e r s t h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki saw l a nc o n s t r u c t e db yw i r e l e s sl a na c c e s sp o i n t ( a p ) t h es y s t e mg e t st h ev i d e op i c t u r e sf r o mu s bc a m e r a s ，a n dt h er u n - t i m e p a r a m e t e r sc o m ef r o mt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nm c s 19 6 k c t h e a c q u i s i t i o nt e r m i n a lu s e st h es i t s a n gs y s t e mw h i c ha d o p t se m b e d d e dl i n u x ， a n dt h eg u id e v e l o p m e n tt o o l si se m b e d d e dq t2 r e d h a t 9 2i ss e r v e da s t h eo so ft h es e r v e r ，a n dt h ed e v e l o p m e n tt o o l si sq t 3 0 1 t h es e r v e r t r a n s m i t st h er e l e v a n td a t at ot 1 1 em o b i l em o n i t o rt e r m i n a lb a s e do nt h e s i t s a n g a f t e rr e c e i v i n gt h ed a t af r o mt h ed i f f e r e n to i lw e l l s ，t h es i t s a n g g i v e sa na l a r ms i g n a li f f i n d i n ga b n o r m a l i t y a d o p t i n g w i r e l e s sl a na c c e s sp o i n tt e w 一3 1 0 a p ba st h ed a t a t r a n s m i t t i n gm e d i u m ，t h es y s t e mc o n s t r u c t saw l a na m o n gt h es e r v e r ，t h e f i e l dd a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a la n dt h em o b i l em o n i t o rt e r m i n a l b e i n g i n d e p e n d e n to ft h ep u b l i cn e t w o r k , t h ew l a n a v o i d st h ep o s s i b i l i t yo fa n y i l l e g a la c c e s sa n dd e s t r u c t i o nt h r o u g ht h en e t w o r k , i nt h em e a n t i m ei t s o c c u p y i n gt r a n s m i s s i o nb a n dw i d t hg u a r a n t e e st h eq u a l i t ya n dr a t eo fd a t a i i i t r a n s m i s s i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sar e l i a b l er e m o t e d i g i t a lm o n i t o rs y s t e m t h es y s t e mc a l lm o n i t o rm a n yo i lw e l l sa tt h es a m e t i m ea n dg i v ear e a l - t i m ea l a r m sf o ra b n o r m a l i t yb ys e n d i n gt h ea l a r m m e s s a g e sa n dt h ea l a r mp i c t u r e st ot h er e m o t eu s e r k e y w o r d s e m b e d d e dl i n u x ，s i t s a n g ，w i r e l e s sl a n ，m o n i t o rs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文足我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：妊堕爱2 么讲年歹月，1 一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 许睇毛 沙石年y月f 厂日 w 占年3 月c j 日 i 中国f j 油人学( 华彖) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 油阳被称作没有围墙的工厂，点多、线长，面广。比如胜利油田， 其工作区域分布在山东省的东营、滨州、德州、济南、潍坊、淄博、 聊城、烟台8 个市的2 8 个县区境内，主体部位在东营市境内的黄河尾间 两侧。工作生活区域和机构设置分散，城乡兼有、油地交叉，与周围 城镇乡村有着错综复杂的联系。长期以来，油田户外设备经常被破坏 和盗窃。不法分子不择手段的盗窃原油、机械设施，电力设施，同时 对油田工作人员的人身侵害事件更是时有发生。由于犯罪地点大都地 处野外，其隐秘性极高，妨碍了保卫工作的顺利进行。根据可靠资料 统计，全国大小油田每年因为盗窃造成的相关损失达到数亿元之多， 并且有逐年上升的趋势。 另一方面，油井的数据采集基本上靠人工完成，采油工必须到现 场采集油井示功图、平衡度、油压、油温及产液量等井口生产数据， 工人劳动强度大，并且数据的准确可靠性完全依赖于采油工人的工作 责任心。油井采集的数据为非连续性数据，因而对油井的真实工作状 况无法准确地掌握，导致对油井的诊断时间拖得很长，而降低生产效 率，增加了采油成本。 因此，原有的人工定时巡视抽查方式远不能适应维护工作需要， 油井自动化监控成为迫切需要。油田的特殊地理位置及油区治安状况， 又决定了无线通信方式几乎成为数据传输的唯一方式。应用经济实用 的无线数据传输系统，运用现代的先进技术集中监控管理油井己经成 为石油企业增加产量、减少停机时间、降低生产成本，提高工作效率 的必由之路。 中国壬融大学( 华东) 硕七论文第l 章前言 t 2 团内外研究现状 。2 。1 黢控系统9 历史 监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早 羯懿篮狡系统，采餍大黧投表袋中黯嚣令重要设釜鹃状态送行焱援， 并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机监撩系统是以监测控制计 箨杌为主体，热t 捡溺装嚣、撬行撬梅与被釜灏羧制懿对象( 生产j 奎程) 挟同构成的整体。远程监控是本地计算机通过网络系统如 f n t e r n e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和控制，究成对分散控制网络的 狭态篷羧及设螽熬诊甄绦护等功能。捌我嚣透露援能够实现远程簸控豹 通信媒体、计算机软件，硬件系统称为遴程监控系统。 2 0 谶纪8 0 年代，由于计算视技术的巨大发媵，远稷监控技术也隧 之堰起，舞获彳嚣，离速的发展。经过足中年的殿用实践，远程靛控技 术已渗遴到国民经济和军事国防事业的各个领域，并成为计算机网络 援本孛簸活菠豹拿分支，远程蕴控技拳委在逐灏形戏鑫已独骞戆发 展策略。”1 近馨来，通谶技术迅速发展，局域弼扶无劐肖，祆l o m 发展列l o o m ， 1 0 0 0 m 甚楚更远：i n t e r n e t 接入从单一联j m o d e m 拨号上网爱4 现在的a d s l ， 宽带、帧中继等等，方式越来越多，速度越来越快；”通讯介质多种多 撵，毒域绞线、麓轴毫缆、光终，敲波等等；移凌逶嘏技术经爨了一 代模拟网、g s m 网络直至2 5 代的g p r s ，c d m a 的发展。州目前，第3 代技 术也在研制中，不久将磁式投入使用。 现在，半导体割造她及计算机技术邈速发鼹，微处理器的处理能 力越来越强大，资源越来越丰富，价格却明显下降，歼发过程越来越 2 中国f i 油人学( 华东) 硕士论文第l 章前言 简便同时，嵌入式技术的发展，也使得系统功能更加强大和可靠。这 些，为基于新一代通讯技术的远程监控系统的研制提供了技术支持和 实现可能。要实现远程监控或者超远程监控，其传输介质无外乎有线 和无线两种方式。 1 2 2 远程监控的有线接入方式 有线接入方式有两种：r s 4 8 5 本地控制网络以及电话线拨号上网接 入i n t e r n e t 。 i r s 4 8 5 本地控制网络 实现远程监控，采用的一种传统方式是r s 4 8 5 本地控制网络，其系 统网络图如图卜1 ： 图卜ir s 4 8 5 本地控制网络 r s 4 8 5 网络具有支持多节点( 最多3 2 个) 、传输线成本低等特点，在 控制系统中得到了广泛的应用，同时还可以通过多级网络组成大型本 地控制网络但是r s 4 8 5 总线的通讯距离有限，其最大传输距离标准值 为4 0 0 0 英尺，实际上最大传输距离不会超过3 0 0 0 米。显然，要组成广 域范围内的远程控制网络是不现实的同样，目前广泛使用的基于有 线介质的集散控制系统、现场总线系统，虽然在系统性能( 实时性、可 靠性等) 、组成大型控制网络上具有许多的优势，但在实现控制点分散、 3 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 敞布范阑广的远程监控上也面临着经济和技术上的难题。 2 。电话线拨号上嬲 要实现广域范围内的远程或者超远程监控，目前游遍采用的是通 避毫潺线拨号接入i n t e r n e t 靛方式寒双囊传辕数撂，鲤翻卜2 ： 图卜2 电话线拨号上网 毫活线援零主霹是鏊子毫话瓣( p s t v ) ，若要实瑗远程蕊控，觳嚣 通过拨号方式登录远程服务器或者直接与控制器建立逑接，这种方式 比较简筚、易予实现，键存在如下不是之处： ( 1 ) 使用成本高 因为远程监控的躐离一般较远，采甩直接拨号方式会带来黼额的 毽蠹甚至国琢长途电话费题； ( 2 ) 工作效率低 矗缓援号露式只鸯警瑟瑟连接疆纛才霹班送行瑟瓣拨号，这孛麓 还需要等待一段时间让m o d e m 复位而鼠，这种方式无法做到同时监控 多个不褥的对象； ( 3 ) 可用搜不商 赢接拨号方式需占用一条电话线路。拨号端不能预先知道对方是 否菱在通话，楚其是当系统在发生效滚的情提t 塞动巍上报警慰会因 为线路忙而不能接通； 4 中国l i 油人学( 华东) 硕七论文第1 章前言 ( 4 ) 传输速率低 m o d e m 直接连接的速度一般都很低，为5 6 k b s 以下，不能满足数据 量日益增长的需要。 1 2 3 远程监控的无线接入方式 无线传输方式可分为电台接入方式和移动平台接入方式。 1 电台接入方式 在一些系统中，人们采用电台进行无线数据远程传输，其网络结 构如图卜3 所示： 图卜3 电台接入方式 然而，采用电台做无线数据传输的设计方案有其显著的缺陷： ( 1 ) 电台硬件部分成本高昂，系统初始安装费用不菲。 日前多数商用电台或者电台模块为国外进口产品，本身价格尤其是 高品质长距离的传输电台非常昂贵，因此再开发产品成本居商不下， 限制了电台在远程监控系统中的发展空间。 ( 2 ) 电台数据传输距离短。 一般商用电台的传输距离都在1 0 公里数量级，如果需要超长距离数 据传输，必须自行建设中继站，又进一步增加了投资成木。 ( 3 ) 电台数据传输的可靠性差。 5 中国_ = f i 油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 一般商用电台工作在单一频点，电磁环境恶劣，另外由于数据传输 协议上的缺陷也使数据传输的可靠性降低。 ( 4 ) 系统维护困难，维护成本高。 基于电台的远程监控系统一般均为自行建设的封闭系统，维护均需 自行完成，而商用电台的工作功率大、货源复杂等都导致电台故障频 率较高，系统维护的费用也相当惊人。 2 移动平台接入方式 ( 1 ) 利用g s m 平台 g s l 是由中国移动中国联通两家共同建立的无线移动网，其覆盖范 围大，一般地区无须担心死角盲区等问题，个别地方局部网络覆盖问 题是暂时的，与当地移动局和联通局协调便可以解决。g s m 网络数据传 输速度快，但数据接续速度较慢，一般为l o s 左右，这种情况在系统站点 较多时更为突出。由于g s m 是以电路交换方式向用户提供点对点的电路 连接所以每一次交换连接都有一个呼叫应答过程，这个过程在短消息 用户不忙时需要3 s - 5 s ，如在短消息用户高峰时期这个过程就更长无法 满足监控系统的实时性要求所以只能用于监测抽油机状态参数，无 法兼顾视频信息。 ( 2 ) 利用g p r s 或c d m a l x g p r s 一通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，是 一种以全球手机系统( g s m ) 为基础的数据传输技术，可说是g s m 的延续。 g p r s 和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包( p a c k e t ) 的方式来 传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用 其整个频道，使得传输费用大大降低。其传输速率可提升至1 4 k b p s 甚 至更高。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者可以与网络持续连接， 较高的数据吞吐能力使得利用它来进行视频传输成为可能。但由于带 宽的限制，无法同时监控多1 ：3 油井。c d m a i x 也存在带宽的问题。啤1 1 2 4 油田远程监控系统现状 早在上世纪六十年代，我国即开始了对抽油机远程监控系统的研 究和丌发，国内先后有数百家企业涉足过此类系统的研究工作；有不 少油田的一些区块安装过远程测控系统，但在实际应用中由于种种技 术问题也遇到过许多问题，抽油机远程测控系统的研究开发工作一度 曾陷入绝境。国内油井现场数据的采集及抽油机工作状态的控制长期 维持在传统的人工采集及干预的状况。究其实质：制约抽油机监测系 统发展的主要因素有以下几个方面： 1 抽油机的工作环境恶劣 油井远程监控系统一般安装在露天的环境下。其密封，屏蔽、防 震、散热等技术指标难以达到实用要求，传感器的使用性能指标无法 满足现场使用要求。 2 功能不全 以前所开发的油井监控系统在监测抽油机工作状态，数据采集、 远程控制等方面不能兼顾，特别是网络化的功能太弱，也限制了它的 大范围推广应用。 3 盗窃、破坏严重 系统维护功能不强，安装分散，加之许多油区的治安状况较差， 系统设备极易被盗和破坏。 4 科技含量低，产品化系列化程度差 抽油机监测设备的开发是一项复杂的系统工程，涉及计算机、通 7 中国“油入学( 华东) 硕士论文第l 章前言 谶，传懑、网络、工程等多种学稃和技术，犟灏歼发的系统，箕功能 _ 莩n 产品化程度远远不能满足实际应用的需要。 5 性价比不高 以戆嚣发的系统蛙钱差嚣铃接褰，用户不太签易接受。 因此，虽然远程监撩系统的研究虽然已有几十年的历史，假真正 惑义上懿远程蕊控系统熬磅究还嚣l 起步。蕃凑憨嚣嚣生产成本菇謦终 丈公司相比存在较大差躐，利用现代自动化技术对油井的生产管理进 行远程液控，是提高石浦开采簸的全员盘产率，降低石潴开采成本酶 肖效方法之一。州 1 3 主要研究内容 一今篮控系统，疵浚其舂瑷下功能：对远纛采洼设备实行携蔟益 控和远稷机械设备的状态参数实时监控；在发嫩异常的情况下，能够 舀动的报警，同时记泵下异常的状态数撩；能够实现在舜常酶情况下， 对远程生产装备的控制，保证安全生产。基于此，设计并实现了基于 l i n u x 平台的油瞰远程数字监控系统。该系统可以同时对多个作业油并 逶孬程颡整控稳生产送学获态参鼗实鬟重监控及异攀投警，实瑗了以 s i t s a n g 板为终端的移动监控。 交予漓著瑗场空窝鸯蔽，露熬上盗窃褒象严羹，不鼙能采籍一毅 的台式计算机进行现场视频监控。s i t s a n g 板作为视频，运行参数采集 终端，蜜对处理能力强，可以究成现场褫频及涌并运行参数等多种信 号的实对采集，具有较为复杂的数据分析处理的能力，满足大量数据 实时处理的要求。同时，嵌入式系统产懿低功耗、体积小、商集成度、 褰毒靠控，鄹缓在恶劣兹强壤或突然努电懿壤瑟下，系绞掇然能够正 常工作。便于谯现场进行安装，实现长期平稳遮行，丽且又不易被盗 8 中国i i 油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 窃分子发现破坏，因此是一种比较理想的数据采集终端解决方案。“” 1 3 1 视频图像的采集 视频图像的来源既可以是数字摄像机、数码相机，也可以是模拟 摄像机的模拟视频信号数字化的结果在本系统中，为了使系统简单 可靠而成本又低廉，选用u s b 接口的数字摄像机，这就需要在l i n u x 的 核中配置相应的驱动程序原始图像数据为a v i 格式，必须经过压缩处 理，图像压缩既可以采用硬件，也可以采用软件的方式。本系统中采 用软件压缩的方式。 1 3 2 抽油机状态参数的采集 抽油机状态参数，主要包括抽油机的电流、电压、功率等数据。 这一部分相对来说比较成熟，一般的单片机系统都可以实现数据采集 的功能。在本系统中采用由m c s l 9 6 k c 单片机构成的数据数据电路来实 现。这个模块丰要由2 部分组成，一个是s i t s a n g 扳的串口接收部分， 一个是外围扩展的单片机底层采集部分，用c 语言实现。 1 3 3 服务器和移动监控终端软件开发 服务器不仅处理视频和状态参数处理，记录，显示，报警等，还 负责数据的转发。在服务器接到不同油井传来的数据后，把相关数据 转发给某个指定的s i t s a n g 板移动监控终端，这样监控人员可以随时随 地方便的查看相关油井的运行情况，便于及时对异常情况作出反应， 这罩服务器和移动监控终端都安装l i n u x 操作系统。 1 3 4 设计无线数据传输局域网 由于油井安全性要求较高，而且多口油井与服务器通讯数据量较 大，为了尽量降低成本，采用了t e w 一3 1 0 a p b 无线网桥作为数据传输介 质，在服务器与现场数据采集终端以及移动监控终端之间构建了无线 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 局域网( 远程连接局域网根据天线不同支持距离可达2 5 公里左右) 这 个无线局域网相对于公网独立，基本上避免了外部不法分子通过网络 入侵进行破坏的可能性，同时独享了数据传输带宽，保证了数据传输 的速度和质量。 系统的总体结构框图如下图卜4 所示： 图1 - 4 系统总体结构框图 1 0 中国石油犬学( 华采) 硕士论文第2 章远程数字虢稳系统硬张设诗 第2 辈遗程数宰监控系统硬件设计 魏上霭l - 1 爨示，整令远程数譬整控鬏绫京疆 每主鬻黻分海遴令蓥 本部分，邸；现场数据采集终端、无线髑域两w l a n 、麓擦服务器、移 动麓控终遐。 2 。1 现场数蟋采集终壤 现场数据采黛终端生要完成现场税频数据和獭油税状态参数的采 紧。零系统采耀蒸予l i n u x 平裔戆s i t s a n g 嚣发投。s i t s a n g 秀发扳惫 套完整的基予i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处瑷器的嵌入式开发平台。i n t e i x s c a l ep x 矗2 5 5 鳃毽器设诗麓裹戆鼹，低麓耗程态瘦集戏旋爰，绸如： p d a ，交换执，智裁手耄 l i 嚣。s i t s a n g 叛以p x a 2 5 5 必孩一貉，配备了穴量 熟矮侮资源：6 4 0 x 4 8 0 分辨率熬冀彩液菇瀑；一个u s b 酸弱，鼹个蕊8 荛镶；麦炎鼹，线经羧入，嚣穰羧锺；1 2 c 慧线狻弱；令汀专姨口； 个s d 蛳 , i c 卡接礴；全动能蓝矛串口帮栋准串掰等。其巾u s bh o s t 羧鬟器程岑系统审茏巍黧霰。糟s i t s a n g 叛采鬻p h i l i p si s p l l 6 1 终 为u s bh o s t 控制器，使用u s bh o s t 羧嗣珂以便s i t s a n g 扳与视频采 鬃摄像头稳连。拈3s i t s a n g 税采麓s t a n d a r dm i c r o s y s t e m sl a n 9 1 c 9 6 叛太瓣控裁器，它透过u 5 2 与瓣绦挺连，支持i e e e 8 0 2 3 熬l o m b s 模 式。 黻褥到s i t s a n g 系统集成7 棼豢多豹矫浚，基本主镪括了现在 浚簿黪骥睾设罄秘逶萤羧秘露基鼹涎了较多戆存赡器漆澈。强j l ；| ： s i t s a n g 系统酌葳杂稷鹱越过了现在市场t 可觅鲍p d a 鞠擘上电脑设 螯。褒s i t s a n g 系统土鼙鞍遴爨突善蠡冬歉释嚣发秘包穗蹇整魏袋终鑫 勘测试诊断。s i t s a n g 成秘移植了w i n d o w sc e 。n e t 和e m b e d d e dl i n u x 中嗣后油大学( 蟮东) 矮七论文第2 露远程数字篷控系统硬传莰计 嵌入式攮传系绕。经过测试程廖秘操作累缆下鳇软蹬 牛测试s i t s a n g 系 统誓 髻i # 鬻稳定，眭鸯这至泰场孛先遴产菇麓求平。“4 5 霆零系统串袋鼹7 e m b e d d e dl i n u x 作为s i t s a n g 羿发凝懿潦体系 统，修改了核的楣关配鬟让l i n u x 可以支持u s b 摄像头，熙予采集我频 鞠像；同时瓣蔽y l i n u x 扁渤对叠动加载麴魏碧串霜，骐挺使蔑姥串弱 束接收擒油枫静榴荚遣 亍状态参数信号。 携频翘像瓣采集，考纛刘设备豹畿零，操作懿方便，选撵了薄款 滠像头作为耳拣方案视频采集设螯：一个是基予0 v 5 1 1 懿黼羧3 0 0 0 ，一 个蔻基予s t v 6 8 0 的m d c - 3 0 l 数码褶机。它们价使都比较低，均采用u s b 袋瑟。经雳麓辈，拆装孝馁。在s i t s a n g 板主，逶遗对l i n u x 肉梭遴行 配援，分别装上了o v 5 l l 和s t v 6 8 0 的驱动，然后援上摄像头，通过试验 发现，o v 5 1 l 的缀像头只支持v4l 秘受菇豹版零，使用载驱动不麓在 l i n u x 2 唾。i g 核中佼弼，黼s t v 6 8 0 熬摄像头支持v4l 当静的版零。为 姥，选撂t m d c - 3 0 l 作为数据采黎终端褫凝采集浚备，蕊在服务器上往 簏了基于0 v 5 1 1 的阏缦3 o 采模拟易掰漓势的襁频霆豫采集。 摘油机状态参数的聚集，考虑剜抽油机状态参数不怒很多，采用 翡鼬4 c s l 9 6 k c 荦麓槐梅残麓数豢采集毫潞。该电貉冒苏瓣葑誊采集李蠡灌 机电流、电压、功攀三路信号，存储层邋避r s 2 3 2 协议与s i t s a n g 扳进 行通信。该迫蘸煮鼗扩惩有程膨强德器、数据存赡器积窜搿辨议转换 芯片麓a x 2 3 2 等，爵墩定融连续| | 蠡辫糖涵梳状态参数进行采集帮发送。 2 2 茺线禺域溺瓣礴n 薅终转埝分蠢线彝鸯线嚣耱方凌。考惑弱灌蕊鼢突醣；漪凌；浚骞 围墙的工厂，点多线长面广，工作生活区域和机构设置分数，城乡兼 嚣、漓遗交叉，与瑙萄城骥乡村夜整锾练复杂豹联系。磐线传输褥螨 1 2 中国嚣灏大学肇东) 硕士论文繁2 耄远程数字夔控系统嫒搏设诗 的问题是：布线难度大，数据带宽与成本成正比，维护困难，捡修麻 颓，不荔管理，花费比较高。丽采用无线传输方式，不仅省去了布线， 由于配凝简单，对设备的检修，维护相对容易德多。 g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的荧文简称，中文为通用 无线分缳业务，是一秘蒸予g s 鹾象统熬纛线分绝交抉鼓零，廷供鹾委l 矮 的、广域的无线i p 连接。相对原来g s m 的拨号方式的电路交换数据传送 方式，g p r s 是分组交换技术，员窍“实潜在线”、“按蕊诗费”、“浃 捷登录”、“崮速传输”、“自如切换”的优点“。通俗地讲，g p r s 是一项漪速数攒处理的技术，方法是以“分组”的形式传送资料到用 户手上，最大速率为1 1 4 k b p s 。 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ， 它是在数字技术主戆分支一扩簇逶售按零主发溪超来熬一秘裁戆无线 通信技术“。c d 淞技术的原理熄基于扩频技术，即将需传送的具有一 定信号带宽信息数据，厢一个带宽远大于信号带宽的窬速伪麓机码迸 亍调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接 收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作棚关处理，把宽 豢售号换残原襞悫数鬟豹窄豢镄号露薅扩，班实现数攥传簸“。c d m a i x 无线接入理论速率1 5 3 6 k b p s ，目前在大部分地区1 路c d m a i x 信道实际 宽带为8 0 k b p s 。 出予g p r s 和c d m a i x 的速率都不够赢，对于视频监控中的些应用 显然会有些力不从心。鉴于此，选择了t e w - 3 1 0 a p b 无线网桥，其工侔 方式包援： 接入点，无线网桥或者客户端接入点； u s e s2 。4 g h z 垂由簇菠，灌足全穗赛蓖整豹霉娶； 1 3 中鬣右潞大学 硕j ：论文第2 鼙远程数字簸控系统硬谗设计 直接序列扩颡( d s s s ) 无线技术； 提供麓鹄数据速率豢蠢迭2 2 m b p s ； 提供6 4 1 2 8 2 5 6 霞窖线等效保密裂e p 缩避； 浏览器w e 8 配鬣和纂予w i n d o w s 的配餮软彳牛：通过无线用户的凇e 地址避行访问羟翻： 分丌的2 d b i 双极天线，更换其中任何一个天线为高增益天线即可 以扩大信号覆纛撼匦； d h c p 服务支持离达1 0 0 客户端； l o l o o m b p s 鑫逶瘦快速戳太弱端叠。h 靴 出士珂鲡，这完全满筵需要，盈酲鬣筒攀。+ 势掰对蠢线和有绕两 种方式在局域网做了实验，即将视频数据通过有线传输和无线传输， 发现通过嚣线两蟒的传输的视频是示效果比畜线豹更加流畅。经过比 较论证，选择了无线网桥t e w 一3 1 0 a p b 为网络传输介质。 2 。3 嚣攘鼹务器 对予大多数金泣蔼富，照务糕躬好楚藏是霹辍形袋一个中央像置 来存放莛耍的业务数据。通过将业务数据合并在个地方，可以确保 员工知道夜哪个位嚣找到和访鞫他们需要的信息，以保持生产效豢。 这还意昧者与在各台p c 上分布式存储数据相比，集中存储可以璺客 易邈备份和保护数据。曼强，捌黑服务器逐可爨：在家或分公司浚阏 数攥，托管i n t r a n e t ，挺嚣皂已豹电子躲传，从移动设备游蜒数攥， 经弼莜赖于数攒痒的金泣弦净帮牧发转粪等。 本系统孛，簸控驻务器不仅簸瑾筏频裙状态参数簸瑾，避蒙，显 示，报警等，还负责数据的转发由予数据采集终端完成了一定的数 据处理，减轻了服务器的负担，因此，可以选择般的服务器。本系 1 4 中国f i 油人学( 华尔) 硕七论文第2 章远程数字监控系统硬件设计 统只做了两路模拟，故选择了一般的个人p c 。为了和现场数据采集终 端更好地结合，也方便交叉编译调试，在监控服务器上也安装t l i n u x 操作系统。 2 4 移动监控终端 移动监控终端也采用了一块s i t s a n g 板来进行设计。服务器收到相 关数据后可以根据要求把数据转发给移动监控终端，移动监控终端通 过无线网桥接收数据后在触摸屏上进行相应的显示，这样方便监控人 员随时随地了解有关油井的运行情况。 1 5 中簪石油丈学( 肇东) 硕士论交第3 章开发平台的建立南开发工其的选择 第3 章开发平台的建立与开发王具的选择 3 1 软件开发平台的选择 童工妲控制及其 敷相关领域的长期应用与商妲竞争中已经逐渐形 成了一些较为成功的嵌入式操作系统，其中主流的嵌入式操作系统有 w i n d o w sc e ，p a l m o s ，e m b e d d e dl i n x ，y x w o r k s ，p s o s 及0 s - 9 等。 微软公司豹w i n d o w sc e 是一个较冀代表性爨皇，圭豢整操镎系绫演 变褥残豹蜜爵嵌入式潦 筝系统。玄不惫稽篙的w i n d o w s9 5 ，蔼是熬体 上为有限资源鹩平台设计豹多线程、完整优先较、多谨务豹操襻系统。 操作系统的基本内核需要掇少2 0 0 k b 的r o m 。但是，从技术的角度来说， 并不能算怒优秀的r t o s 。茵先，r t o s 非常注重个性化，面g i n d o w sc e 是非开放性o s ，使第三方雉以实现产品的定制：其次，r t o s 追求麓效、 繁魃，器$ i n d o w sc e 奁这方霪是笨熬黪，鑫愿过多黪r 走鹾，痘震程掺庞 大：筹篓，w i n d o w sc e 程癌竣缝掬戆设诗孛劳未考惑逶疲系绞戆寒发 裁减往豹袋求。 3 c o m 公司的p a l mo s 怒掌土龟蕊市场串较为优秀的嵌入式操佟系 统，是针对这一市场专门设计的系统，它有开放的操作系统应用程序 接日( a p i ) ，支持歼发赣投摆需要囊行搿发所需的废用稷序，具有十分 丰富的应用程序。从技术层面上讲，p a l mo s 是一套专门为掌上电脑开 发瓣摄终系统，癸寄诲多w i n d o w sc e 无法愆撅瓣援势，怒一今瑟秘令 人信息辘助应鲻懿操终系绞范键，宅表明了特定疲援鲍嵌入式撵佟系 统是这一镁域的磷究热点每方商。 g x 鞲o r k s 。p s o s 和0 s - 9 是传统嵌入式操作系统领域审应用簸广泛、 市场占有率较其优势的几个系统。它们是专门为嵌入式微处理器设计 的离模块纯、麓饿能魏实髓操馋系统，广泛应用予赢科技产品中，包 1 6 中国石油大学( 华东) 硕七论文第3 章开发平台的建立与开发工具的选择 括消费电子设备、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视 与多媒体设备，具有很好的安全性、容错性以及系统灵活性。虽然它 们都提供专有的a p i 接口，但并不适用现在的许多应用需要，迫切需要 在系统级整合改造并支持应用特制的性能，即在定制的或商品化的硬 件上提供高性能和高可靠性系统服务，将操作系统的功能和内存需求 定制成每个应用所需的系统，在此基础上来实现从简单的单个独立设 备到复杂的，网络化的、多处理器的嵌入式系统。 l i n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统。它起源于芬兰一个名为l i n u st o r v a l d s 的业余爱好，但是现在已经是最为流行的一款开放源代码 的操作系统。l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短1 0 年的时间内已发 展成为一个功能强大，设计完善的操作系统，伴随网络技术进步而发 展起来的l i n u xo s 已成为m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 的强劲对手。l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，还在嵌入式系统方面大放光芒，目 前各种嵌入式l i n u x 操作系统正迅速发展，已经形成了能与w i n d o w s c e 等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式l i n u x 操作系统的 迅速崛起，主要由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制 性，要求提供系统源码层次上的支持，而嵌入式l i n u x 正适应了这一 需求，它不仅具有开放源代码，系统内核小、效率高、内核网络结构 完整，裁减后的系统很适于如信息家电、移动信息终端等嵌入式系统 的丌发。“” 嵌入式l i n u x 具有以下优点： 1 开放性： 系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连( 0 s i ) 国际标 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章开发平台的建立与开发工具的选择 准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，都能彼此兼容，可方便地 实现互连。 2 多用户： 系统资源可以披不同用户各自拥有使用，即每个用户对自己的资 源( 例如：文件、设备) 有特定的权限，互不影响。l i n u x 和u n i x 都具 有多用户的特性。 3 多任务： 计算机同时执行多个程序，而且各个程序的运行互相独立l i n u x 系统调度每一个进程平等地访问微处理器。由于c p u 的处理速度非常 快，其结果是，启动的应用程序看起来好像在并行运行。事实上，从 处理器执行一个应用程序中的一组指令至i j l i n u x 调度微处理器再次运 行这个程序之间只有很短的时间延迟，用户是感觉不出来的。 4 良好的用户界面： l i n u x f h 用户提供了两种界面：用户界面和系统调用。l i n u x 的传 统用户界面是基于文本的命令行界面，e o s h e l l ，它既可以联机使用， 又可存在文件上脱机使用。s h e l l 有很强的程序设计能力，用户可方便 地用它编制程序，从而为用户扩充系统功能提供了更高级的手段。可 编程s h e l l 是指将多条命令组合在一起，形成一个s h e l l 程序，这个程 序可以单独运行，也可以与其他程序同时运行。系统调用给用户提供 编程时使用的界面，用户可以在编程时直接使用系统提供的系统调用 命令。系统通过这个界面为用户程序提供低级、高效率的服务。l i n u x 还为用户提供了图形用户界面它利用鼠标、菜单、窗口、滚动条等 设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面 1 8 中国年i 油人学( 华东) 硕士论文 第3 章开发平台的建立与开发工具的选择 5 设备独立性： l i n u x 是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有高度适应能 力，随着更多的程序员j i * l i n u x 编程，会有更多硬件设备加入到各种 l i n u x 内核和发行版本中。另外，由于用户可以免费得至1 j l i n u x 的内核 源代码，因此，用户可以修改内核源代码，以便适应新增加的外部设 备。 6 丰富的网络功能： 完善的内嚣网络是l i n u x 的一大特点。l i n u x 在通信和网络功能方 面优于其他操作系统。其他操作系统不包含如此紧密地和内核结合在 起的连接网络的能力，也没有内置这些联网特性的灵活性。而l i n u x 为用户提供了完善的，强大的网络功能。 7 可靠的系统安全： l i n u x 采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带 保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这为网络多用户环境中的用 户提供了必要的安全保障 8 良好的可移植性： l i n u x 是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算 机的任何环境中和任何平台上运行可移植性为运行l i n u x 的不同计算 机平台与其他任何机器进行准确而有效的通信提供了手段，不需要另 外增加特殊的和昂贵的通信接口。啪1 由此可见，选择l i n u x 系统平台，不仅大大的降低系统开发的费用， 而其优秀性能和强大的功能，对整个系统的开发应用提供了性能的保 障。本系统中，在s i t s a n g 板终端，选择t l i n u x 2 4 1 9 ，并打上t a r m 内核补丁；在服务器端，选择t r e d h a t 9 2 开发平台 1 9 中国，f i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章开发平台的建立与开发工具的选择 3 2h in u x 开发平台的建立 3 2 1 建立交叉编译环境 由于要在p c 机上开发a r m 系统的应用程序，就需要用到适用于a r 芯片的交叉汇编环境。这样就可以将p c 机上调试好的程序，用交叉编 译工具编译后生成目标文件下载到目标板上川。工具链由一套用于编 译、汇编和链接内核及应用程序的组件组成，这些组件包括： b i n u t i l s 一用于操作二进制文件的实用程序集合。它们包括诸 如a r ，a s 、o b j d u m p 、o b j c o p y 这样的实用程序。 g c c g n uc 编译器。 g l i b c 一所有用户应用程序都将链接到的c 库。避免使用任何c 库函数的内核和其它应用程序可以在没有该库的情况下进行编译。 通过工具链建立了一个交叉编译器环境。本地编译器g c c 编译与本 机同类的处理器的指令；交叉编译器a r 一l i n u x g c c 也运行在开发机 上，却可以编译目标s i t s a n g 板的a r m 处理器的指令，然后下载到目标 板上执行。“ 只需要把t o o l c h a i n 解压后安装工具集，再作一些环境变量的设 置，上位机的交叉编译环境即建立完毕。 3 2 2 系统引导过程 要建立一个l i n u x 开发平台，首先要了解l i n u x 的启动引导过程， 这样才能根据用户自己的需要进行适当的修改完善，建立起适合自己 要求的开发平台。 对于普通的p c 机，当用户打开p c 的电源，b i o s 开机自检，按b i o s 中设置的启动设备( 通常是硬盘) 启动，接着启动设备上安装的引导程 序r e d b o o t 丌始引导l i n u x ，l i n u x 首先进行内核的引导，接下来执行 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章开发平台的建立与开发工具的选择 i n i t 程序，i n i t 程序