【油田现场自动监控系统的硬件与软件设计案例分析6000字】

油田现场自动监控系统的硬件与软件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u30861油田现场自动监控系统的硬件与软件设计案例分析 163441.1系统硬件设计 146701.1.1系统硬件构成 1281861.1.2系统硬件实现 2158041.2系统软件设计 8126471.2.1搭建嵌入式Linux交叉环境 9189821.2.2U-Boot移植 1046961.2.3Linux内核移植 12310711.2.4摄像头驱动移植 15247411.2.5ZigBee数据的发送与接收 161.1系统硬件设计1.1.1系统硬件构成采集油田现场的实时图片以及视频信息是构建油田监控系统的主要目的，所以，本文选用S3C2440作为其核心处理器。该处理器能够使本文设计系统的所有功能得以满足，它具有明显的优势，比如成本低、功耗低、接口模块集成度高等，哈弗体系和AMRA总线结构，嵌入式硬件平台是该处理器的表现形式，它是由它是由通信接口和存储器件组合而成，视频采集主要是通过外部USB摄像头和USBHost接口连接而实现，与此同时，数据的接受、发送、处理等操作通过ZigBee传感器设备来完成。例图4-1是系统硬件的组成部分：图4-1系统硬件构成图Fig.4-1Systemhardwarediagram1.1.2系统硬件实现嵌入式处理器是本文设计油田监控系统的主要组成部分，它是由辅助设备、数据采集模块、仪表等，从而实现有无外来人员入侵、油井的压力值、油井的湿度和温度、油井的视频以及图片等信息采集。（1）嵌入式处理器嵌入式处理器是本文设计油田监控系统实现所有功能控制的核心组成部分，该处理器在刚被研制成功时，仅仅只有4位，随着学者们对其开发研究，目前已经有32位处理器和64位处理器。本系统从综合考虑选择S3C2440处理器，它的最高频率是400MHz，储存器和内核的电压分别为3.3V、1.3V，289-FBGA是其封装格式，368mW是它的功率，它支持多种操作系统，比如：WinCE操作系统、Linux操作系统。它的储存器高达8个，其中两个储存器适用DRAM和ROM/SRAM，其余6个使用ROM/SRAM，它的储存空间一共为1G，其中每一个都有128M的储存空间。S3C2440功能框图例图4-2所示：图4-2S3C2440功能框图Fig.4-2S3C2440functionblockdiagramS3C2440是本文选取的处理器，它的性能非常好，比如：1）在低温、高温、粉尘污染较大、电磁较大、潮湿等工业环境连续工作不死机。2）基于ARM920T内核32位RISC微处理器，使成本更低，功耗更小，性能更高。3）辅助设备控制器性能以及功能比较强，能够满足各种不同操作系统的应用需求。（2）现场仪表在本文设计的系统中现场仪表非常重要，选择仪表时需要参考现场环境、维护难易程度、测量各个数据的要求等，选择的仪表需要满足各种测量数据的基本要求。1）摄像机在本文设计系统中摄像机有着至关重要的作用，它是监控各种图片以及视频的基础，在选取摄像机时需要充分考虑到设计相机的性能、作业环境、系统兼容性、辅助设备配置的难以程度等。本文设计的系统进行监控使用可见光/红外技术，其主要目的是实现24小时实时监控的目的，它的主要工作原理是红外信号被接受以后转化为电信号，然后对其进行处理并显示出来。电耦合器件（CCD）是本文选取摄像机的核心部件，它能够使电信号取代光信号，并且能够实现存储、转移等功能[38]。由于本文设计系统应用的环境过于特殊复杂，本文还设置了各种不同的摄像机辅助装备。高清摄像头是本文实际监控系统核心组成部分，配置各类型辅助装备可以使高清摄像头监控的范围更大、更清晰，该可以使其全方位无死角拍摄各种视频以及图片；本文对高清摄像头增加不可视光源，其主要目的在于夜晚光线不足，能够捕捉到更加清晰的图片以及视频，避免高清摄像头在夜晚作业时的不足之处；本文对高清摄像头增加防护罩装置，其主要作用是油井的作业环境比较特殊，风沙、雨雪等恶劣天气较多，避免高清摄像头出现污物，从而造成拍摄的图片以及视频不清晰的现象发生。除此之外，本文还给高清摄像头增加防爆装置，比如防爆护罩、防爆云台，其主要作用是避免监测环境发生险情，影响高清摄像头正常作业；本文还给其添加加热器以及排风扇等装置，避免温度过度或者过高等摄像头造成影响等等。2）压力变送器在原油生产中压力非常重要，它关系到是否能够顺利生产、关系到人身安全以及设备安全等。在实践中，传输信号值使用压力变送器来实现，一般有两种方式，电压型号值传输和气压信号值传输。在本文设计的系统中将测量的压力值转化为电信号，通过网络传输将实时数据传送到控制中心，然后控制中心对接受的实时数据进行综合分析，对油井内的具体情况进行详细判断，从而使其安全性极大提高。电容式和电动式是压力变送器的两种主要组成方式，根据压力信号值和电压信号值相互转化的原理设计出了电动压力变送器，两侧内膜片压力不同是设计电容式压力变送器的主要原理，通过这种结构压力差和偏移量呈现正比例的关系，并对其科学合理的计算，得到较为精确的压力值。压力变送器的选型采用的是罗斯蒙特3051T系列的3051TG2A2B21AB4M5E5压力变送器。表压调整区间是0.3-10000psig，绝对压力调整区间是0.3-10000psig，参考精度调整区间是+/-0.075%。本文设计的单隔离膜片是由哈氏合金C工艺和不锈钢隔离膜片组成的[39]。3）液位变送器在开采油田时，观测石油的液位需要使用液位仪表来实现的，并设计最大值和最小值的报警装置，假如石油液位超过最大值或者最小值的情况下，能够实现报警，工作人员根据报警指示对油田的液位进行实时监控，能够有效防止井位过低或者井喷的现象发生。本文对油井深度的测量使用孔板式流量计，将大气压、液体密度、液面压力等进行综合进行综合测量，量程比大于或者等于8:1，其工作温度区间为-20℃到80℃，测量范围区间为0.3到100m，参数精度范围区间为0.5-2.5FS，其材质为316L，能够适用于蒸汽、气体、液体等环境中。（3）数据采集模块油井场的控制检测设备和数据采集设备相互连接，不同传感器模块对数据的采集通过过ZigBee进行协调，然后将这些数据传送到监控中心，最后由监控中心对数据进行分析并发出指令信息。1）无线传感器本文设计系统的各个不同传感器模块调节使用过ZigBee技术来实现，该技术的功耗非常低，具有两个振晶，且各个振晶的频率不一样，其中低频的振晶是保持芯片在休眠状态下减少运转功耗，在关闭某些电路的情况下还可以进行低频工作。本文选取的无线传感器是CC2530，它有着非常优越的性能，比如抗干扰能力强、功耗低、性能高、成本低等等[40]。相较于8051的执行指令速度CC2530更加快捷[41]。下图所示是ZigBee电路设计图：图4-3ZigBee电路设计图Fig.4-3ZigBeecircuitdesigndrawing2）数字温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是本文设计监控系统的主要组成部分，实现了对温度和湿度数据的同时检，它具有较高的抗干扰能力、温度和湿度结合较为紧密、较高的灵敏度等，其内部包含NTC测温元件、电阻式感湿元件等，便于操作者在不同监测点进行信息采集[42]。它的监测湿度范围在20-90%，检测精度区间为+/-4%；监测温度范围在0-50℃，其精度区间为+/-1℃；电压区间范围为3-5.5V。其电路图设计例图4-4所示：图4-4DHT11数字温湿度电路图Fig.4-4DHT11DigitaltemperatureandhumidityCircuitDiagram3）人体红外传感器众所周知，油田一般都处于荒郊野外，油田设施和石油被偷盗的现象经常发生，给石油开采造成很大的困扰，一些关键设施被偷盗后给石油开采员工带来巨大的安全风险，假如没有及时排除，将会造成严重的事故，所以，本文在设计该系统时添加了一个红外传感器。该传感器充分利用远红外线的基本特性，对人体活动进行实时检测，并且能够对其进行全方位追踪，避免发生石油以及设备被偷盗的现象。本文使用的红外传感器是HC-SR501，该传感器的LHI778探头非常先进，可以使传感器具备良好的性能，其电压和功率都比较低、可靠性比较高、高灵敏度等优点[43]。（4）辅助设备光控开关、集线器、电缆线、避雷针、供电电源、照明灯等是本文设计系统辅助设备的主要组成部分，能够使本文设计系统的性能有效更强，其功能也越来越完善。接下来本文对辅助设备进行详细介绍。1）照明灯一般情况下，监控系统在白天有着非常好的图片以及视频采集效果，但是到了完善采集的图片和视频不够清晰，因此本文选取高压钠灯作为夜间采集的图片和视频的辅助设备，它有着非常优越的性能，比如：有较强的透雾能力、使用寿命较长、较高的发光效率、耗电量比较低等。2）供电电源该辅助设备可以将工业用电AC380V转化为本系统所需的DC12V、DC220V、AC24V、AC220V等电压，其便于应用在本文设计系统中的各个供电环节。3）光控开关在本文设计系统中应用了光控开关，主要原因是在于光的的强弱对可控硅有着较大的影响，假如光线较弱或者无光，该开关就会开启，照明灯就会开始工作，假如光线较强，该开关就会断开，照明灯就会停止工作，能够有效的节约用电，促使能耗不断降低。1.2系统软件设计在本文设计的监控系统中操作系统至关重要，假如没有相应的操作系统，本文设计的监控系统就无法正常工作，各个不同的硬件系统的各个功能的实现需要操作系统来完成，员工可以使用操作系统对各项功能进行使用以及检测、维修、调整等等。本文嵌入式系统的主要组成部分是Linux操作系统，其主要目的是在于更好的对整个硬件系统进行操作，选取该操作系统的主要原因是在于其具有强大的网络功能、源码的开放程度较高便于移植和裁剪、具备实时性，能够使多个任务同时执行，便于工作人员操作，它能够使整个系统具备更加优越的强大。油田视频监控系统的软件流程图如图4-5：图4-5系统软件流程图Fig.4-5Systemsoftwareflowchart启动系统之后，ZigBee模块开始自动初始化、各个硬件也开始自动初始化，然后各个网络模块也开始自动初始化，系统创建出传输普通文本数据和音频以及视频通道。然后，系统开始等待接收从监控控制端发过来的控制命令和ZigBee终端节点发来的消息，比如：开启照明灯等等。假如ZigBee数据被程序接收以后，将会给ZigBee模块发出转化为文本的指令，然后该模块对其进行转化，在将该指令传输，这时可以看到该模块的具体监控情况。假如WebRTC控制命令被程序接收以后，如打开摄像头，此时系统将会开启编解码模块和视频采集模块，与此同时将采集到的图片以及视频数据通过传输通道传输到控制中心，从而使监控的功能得以实现。1.2.1搭建嵌入式Linux交叉环境在本文设计的系统中，X86的PC机和ARM板是硬件系统的主要组成部分，两者的机构有很大的差异，需要对其交叉编译，从而生成可以在两者中能够用时运行的程序，才能够使两者嵌入到本文设计的系统中能能够，从而使本文设计的系统更加方便简洁，如图4-6所示是本文设计交叉编译的详细过程：图4-6交叉编译过程图Fig.4-6Crosscompilationprocessdiagram交叉编译链的安装步骤：1.网站http：///download.asp下载arm-linux-gcc-1.1.3.tar.gz安装包。2.Root权限将安装包解压到/opt目录下，命令如下图：图4-7安装包解压图Fig.4-7Installationpackagedecompressiondiagram3.将交叉编译链的路径设置到系统环境变量PATH中，并追加到-//.bashrc文件中，如下图：图4-8更改环境变量图Fig.4-8Changetheenvironmentvariablediagram1.查看是否安装成功，如下图显示则为安装成功。图4-9安装成功显示图Fig.4-9Installationsuccessdisplaydiagram1.2.2U-Boot移植本文在设计系统时还设置一个U-Boot程序，其主要作用是指导程序开启后的相关工作，比如内存空间映射的建立、硬件的启动等，该程序是在本文设计操作系统开启之前使用的。从它的启动的具体流程可以得出，它的主要目的在意操作本文设计监控系统的硬件，硬件不同操作方法也各不相同，因此BootLoader在应用中也有很大的差别，本文在设计时充分考虑到这一影响因素，本文设计的BootLoader程序代码满足于各种不同操作系统以及硬件设施，促使其具备较强的兼容性，便于操作人员进行日常作业[44]。本文选取的处理器并没有受到源码U-Boot直接支持，在配置时需要进行人工操作，由于S3C2440处理器和S3C2410处理器较为一致，因此该源码同样适用于S3C2410处理器。S3C2440平台的U-Boot移植步骤如下：1.官网http：//ftp.denx.de/pub/u-boot/下载u-boot-2015.O1.tar.bz2，解压到主机目录$HOME下。图4-10uboot目录结构图Fig.4-10Ubootdirectorystructurediagram2.使用smdk2410默认配置生成相关文件。图4-11配置命令图Fig.4-11Configurationcommanddiagram3.修改smdk2410开发板的配置和代码，使之能够应用上S3C2440的板子上。图4-12修改开发板配置命令图Fig.4-12Modifythedevelopmentboardconfigurationcommanddiagram1.交叉编译S3C2440板子上的U-Boot。图4-13交叉编译命令图Fig.4-13Crosscompilecommanddiagram5.最后把编译好的U-Boot程序下发烧录到S3C2440板子里面。#>tftp0x32000000u-boot.bin1.2.3Linux内核移植本文对选取的操作系统在应用时需要进行裁剪以及配置等相关操作，其次将内核进行编译交叉处理使其能够在本文选取的处理器中运行。为了使NandFlash上能够在本文设计的系统中正常运行，第一，设计BootLoader程序，它具备引导作用，第二，根据系统中开启时内核参数，将其传输到内核镜像中，第三，内核系统可以将其转化为文本数据[45]，其主要开启流程如下所示：图4-14Linux系统空间分配及启动图Fig.4-14Spaceallocationandstart-upDiagramofLinuxsystem在系统开启时，BootLoader自动进行运行并且解压内核镜像到存储器中，然后开启内核，此时内核自动进行配置和初始化，比如装载驱动、嵌入式硬件自动初始化初始化等，最后系统文件被内核挂在特定分区内。裁减内核时需要对本文设计的嵌入式硬件系统设备和选取的操作系统之间的匹配性，裁减没有用到的操作系统、驱动、设备等，从而使本文设计的监控系统的硬件内核和操作系统更加匹配。Linux2.6.32内核版本是本文使用的内核，基于此，裁剪本文选取的S3C2440处理器，去掉多余的操作功能和驱动功能，促使其简洁化，从而使上层应用程序的基本API接口和驱动API接口更加方便，促使操作更加方便。Linux内核裁剪移植步骤：1.内核官网hops：///下载长期支持版本linux-8.tar.xz。2.解压内核源码到$HOME目录。图4-15解压内核图Fig.4-15Decompressionkerneldiagram3.修改Makefile使之支持ARM平台。zyt@ubuntu：-$cd$HOME/linux-8zyt@ubuntu：-$viMakefile+183图4-16修改MakefiIe图Fig.4-16ModifyMakefiIediagram1.修改时钟，将硬件开发平台始终设置为12MHz。zyt@ubuntu：-$cdarch/arm/mach-s3c2440zyt@ubuntu：-$sed-i's/16934400/12000000/g"mach-smdk2440.c5.划分NandFlash分区分为3个区zyt@ubuntu：-$cdarch/arm/plat-s3c24xxzyt@ubuntu：-$vicommon-smdk.c+111图4-17NandFIash分区图Fig.4-17NandFIashpartitiondiagram6.添加选项网络支持IEEE802.15协议以及串口调试。zyt@ubuntu：-$makedistcleanzyt@ubuntu：-$makemenuconfig图4-18手动菜单配置图Fig.4-18Manualmenuconfigurationdiagram7.编译安装内核模块图4-19编译安装内核图Fig.4-19Compileandinstallkerneldiagram1.2.4摄像头驱动移植在油田监控系统中，摄像头相当于整个系统的眼睛，所以，驱动移植好摄像头工作能够使本文设计的监控系统的功能更加强大。本文在设计时选取的操作系统为用Linux系统，该系统有着非常明显的优势，能够使操作硬件如同操作文件一样便捷，方便使用者对其进行操作。在该操作系统中添加有个驱动设备的程序，能够使本文设计的各个不同硬件转化为操作系统中的文件，促使外部设备和操作系统内核相互连接，通过一些统一的、标准的、简单的接口函数来实现对硬件设备的控制和操作[46]。本文选取当今市场中最普及的USBVideoClass免驱摄像头作为视频输出设备，视频输出设备不同其驱动也有很大的不同，在对设备进行移植时需要根据不同需求进行操作，USB视频设备在发展之初存在大量不同信号，为了方便人们日常使用，各个不同厂家经过协商制定出统一标准UVC。现如今市场中的大部分操作系统都支持该种标准，比如Windows操作系统、Linux操作系统等，市场中视听设备符合UVC标准，在使用时就不需要再次安