基于arm9的输油管道无线监控与定位系统设计.pdf

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1、2 0 1 2年第 5期 工业仪表与自动化装置 5 5 基 于 ARM9的输 油 管道 无 线 监控 与定 位 系统设 计 沈清波 ， 王晓霞 ( 1 辽宁石油化 工大学 信息与控制工程学院， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 抚顺市技师学院 信息技术科 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 1 2 3 ) 摘要 ： 针对输油管道运输过程 中分段加热、 泄漏点检测和定位的数据信息采集方法的缺陷， 根 据 A R M9内核 处理器的特点， 开发 了以 $ 3 C 2 4 4 0为核心的嵌入式的工业监控软硬件 系统平 台。研 究了运用 G S M 网络模块的输 油管道无线监控与定位 系统， 详 细

2、介绍 了其硬件和软件设计。 系统能 够解决原油在 管道运输过程中的远程实时温度和加热设备的数据采集 ， 采用无线的数据通信方式 ， 可 实现偏 远地 区甚至是 无人 区的 管道 泄 漏 点的检 测 与精 确 定位 。 关键词 ： 嵌入式 9 输油管道 ； G S M模块 ； A R M 9 中图分类号 ： T P 3 6 8 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 5 5 0 4 De s i g n o n o i l pi pe l i ne wi r e l e s s mo n i t o r i ng a n d p

3、o s i t i o n i ng s y s t e m ba s e d o n ARM 9 S HE N Q i n g b o ， WA N G X i a o x i a ( 1 S c h o o l ofI n f o r ma t i o n a n dE n g in e e r i n g， L i a o n i n g S h i h u a U n i v e r s i ty， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a ； 2 De p a r t m e n t ofI n f o r m a t i

4、 o n E n g i n e e r i n g， F u s h u n T e c h n i c i a n I n s t i t u t e ， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 1 2 3， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ai m a t t h e d e f e c t s o f me t h o d s o f d a t a i n f o r ma t i o n c o l l e c t i o n a t t h e o i l pi p e l i n e t r a n s p o r t p

5、r o c e s s s e c t i o n he a t i n g，l e a k d e t e c t i o n a nd l o c a t i o n， a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e k e r ne l ARM9 p r o c e s s o r ，d e v e l o p e d t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e s y s t e m i n du s t r i a l mo ni t o r i n g e

6、 mb e d d e d p l a t f o r m wi t h $ 3 C2 4 4 0 a s t he c o r e A o i l p i pe l i n e wi r e l e s s mo n i t o r i n g a nd p o s i t i o n i n g s y s t e m i s p r o p o s e d u s i ng GSM n e t wo r k mo d u l e s ，t h e h a r d wa r e a n d s o ftwa r e d e s i g n we r e i n t r o d u c e

7、d i n d e t a i l e d Th i s s y s t e m c a n s o l v e r e mo t e r e a l t i me t e mp e r a t ur e a n d h e a t i ng e q ui p me n t da t a a c q u i s i t i o n i n t h e p r o c e s s o f c r u d e o i l i n t h e p i p e l i n e Us i n g wi r e l e s s d a t a c o mmu n i c a t i o n mo d e，

8、 t h e s y s t e m c a n r e a l i z e o i l pi pe l i n e l e a k d e t e c t i o n a n d p o s i t i o ni ng i n r e mo t e a r e a s a nd e v e n t h e u n i n h a bi t e d Ke y wo r d s： e mbe d d e d；o i l pi pe l i n e；GSM mo du l e；ARM9 0 引言 输油管道是运输原油 的重要渠道 ， 输油作业 系 统是 由输送管道及输油站的罐区、 泵房、 阀组及监测

9、 仪表 、 控制设备等组成的大型复杂综合系统 ， 尤其是 输油管道分布广 、 线路 长、 远离城 市， 通过环境条件 复杂 、 人烟稀少 的山区、 沼泽或海底 ， 有 的输油管道 通过温度过低的地 区则必须对管道加热 ， 以使油路 畅通 ， 而管道沿线的加热设备分布在野外 ， 中央控制 室无法知道管道实 时温度 和加 热设备是 否正常工 作， 仅依靠管道安全管理人员的人工巡查， 每天派人 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 50 8 作者简介： 沈清波( 1 9 5 8 ) ， 男， 硕士， 副教授， 研究方向为 自 适应 控 制 ， 计算机先进控制 ， 计算机网络通信等。 沿线抄录数据和查看

10、设备工作状态， 效率十分低下， 无法有效保障管道输送安 全性和稳定性。另外， 由 于腐蚀 、 地质灾害及人为等因素 ， 还会有管道泄漏等 事故发生 ， 这给输油管道安全 运行带来很大 隐患。 如何建立经济 、 合理的监控 系统实施 有效 的监控与 管理 ， 是当今石油化工领域研究 的重要课题。 采用人工智能监控手段和方法 ， 充分利用现代 通信技术 、 控制技术、 计算机及安全管理等技术 ， 建 立输油管道监控系统 ， 可解决原油在管道运输过程 中的实时温度和加热设备数据采集 ， 监测管道原油 泄漏和定位 ， 及时发现和处理出现的异常情况 ， 能有 效提高输油作业的安全保障能力 ， 提 升 自

11、动化控制 水平 、 业务管理水平 ， 节约运营成本 ， 改进工作效率 ， 提高企业经济效益与竞争力 。 5 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 2年第 5期 随着我 国信息化进程的全面推进 ， 无线数字监 控 作为无线网络的一个特殊使用方式逐渐被广 大用户看好。其安装方便、 灵活性强、 性价比高等特 性使得更多行业的监控系统采用无线方式 ， 建立被 监控点和监控 中心 之间 的连接。该 文基 于 A R M 9 嵌入式开发平台， 运用 G S M 网络资源进行 了输油管 道无线监控与定位系统设计。系统用来取代人工方 法在油气管道上的数据采集和检测 ， 不仅安全可靠 ， 控制方便 ， 而且准确

12、度高 ， 实用价值非常大。 1 系统整体结构与硬件模块 1 1 系统整体结构与功能 该系统主要由数据采集端、 I O接 口、 A R M9核 心模件 、 G S M模块和远程控制终端等部分组成 ， 能 实现现场数 据信 息从前端采集后传 输到 A R M9核 心模件进行处理 ， 再经 由 G S M模块无线传输到远程 控制终端进行监控处理的一整套数字化远程控制流 程。该嵌入式远程输油管道监控系统的整体结构如 图 1 所 示 。 臣磊 困 图 1 系统整体结构 图 作为工业现场控制器 ， 嵌入式 A R M 9核心模件 本身的特点能够满足远程监控系统的需求 。A R M 9 内部集成了系统所需设

13、备 的各种通信接 口， 如 I S A 总线接 口负 责与 A D转 换 芯 片 等器 件 的通 信 ； R S 2 3 2 C串行接 口负责与 G S M 模块和 G P S一体化 接收机的通信及流量计数模块通信 ， 还有作为程序 调试 、 并 行 通 信、 负 责 报警 和 数 据 交 换 等 接 口。 A R M 9内部集成了中断控制 系统 ， 为 G P S校时及实 时数据采集处理 ， 提供 了建立可靠 的实时任务调度 的条件 ； 内部含有以备用电源支持的实时时钟 ， 通过 系统命令 即可得到当前 系统的时间与 日期 ； 同时利 于时间校正 ； 作为成熟的工业产品， 能在较为恶劣的 工

14、况下工作 ， 可靠性较高， 并有大量资源可供使用 。 系统具有如下功能与特点 ： 1 ) 具备数据采集能力， 以获得现场仪表提供 的 管道运行参数压力、 温度和流量 ； 2 ) 对从现场仪表或传感 器输 出的信号进行信 号调 理 ， 以满 足后 续 系统进 行 信号 分 析、 处理 的 要求 ； 3 ) 进行信 号本地 处理 ， 完成工 况分 析与 报警 工作 ； 4 ) 向中央数据分析监控 系统提供具有 高时 间 精度标志的压力、 温度及流量信号； 5 ) 作为长期运行 的工控设备 ， 系统应具备低功 耗 、 高可靠性的特点 ； 6 ) 具备实时时钟与时间校准机制 ； 7 ) 具备数据备份存

15、储功能。 1 2 系统硬件结构 系统以三星嵌入式 $ 3 C 2 4 4 0处理器为核心 ， 它 是 1 6 3 2位 R I S C微控制器 ， 采用 A R M 9 2 0 T内核 ， 主频可达 4 0 0 MH z ， 2 8 9个引脚 F B G A封装 ， 有丰 富 的片 内设置， 能为嵌入式设备提供低价格 、 低功耗 、 高性能微控制器的解决方案。在设计 中， 采用模块 化的设计理念 ， 扩展 了 U A R T接 口， 用来帮助完成产 品设计期间的调试工作 ； 配置有 J T A G接 口， 方便用 户下载调试程序 ， 完成程序 的烧写； 配有 G S M模块 接口， 它通过 R

16、 S 2 3 2 C串 口与 A R M交换信 息， 使用 标准的 A T命令与远程控制终端实现各种无线通信 功能。S D R A M程序存储器 ， 满足 L I N U X操作 系统 运行中对大容量程 序存储器 的要求。配有 L C D显 示器 接 口， 用 来 完 成 人 性 化 的交 互 界 面。配 有 F L A S H数据存储器， 用来永久保存采集来 的数据信 息l 4 J 。系统硬件结构如图 2所示。 2系统 硬 件 结 构 在硬件 P C B设计 中， 主处理器的频率达到 4 0 0 MH z 左右 ， 属于高频 电路板 。在设计过程 中， 减少 线路问的干扰和 E M I 成为

17、了重点， 对于 E MI 传导的 部分 ， 重点是要用好旁路 电容和去耦 电容 。旁路 电 容一定要以最短的连线布置在芯片电源管脚和地线 上。去耦电容要放在电流需求变化最大 的地方 ， 让 噪声从 电源和地线上耦合出去。当然 ， 合理串联使 用磁珠 ， 可以“ 吸收” 这些噪声。对于同一信号线经 过不 同层 的情况， 信号的特性阻抗连续规则 ， 不同的 层之间线宽要一致。对于不 同层之问的干扰， 保证 相邻两层间的走线必须遵循垂直走线的原则 ， 会减 少干扰。通过 以上措施的应用 ， 使整个硬件 电路稳 定性大大提高。 2 0 1 2年第 5期 工业仪表与 自动化装置 5 7 1 3 GS M

18、 模块 基于 G S M模块产品的开发往往都是基 于 A R M 平台 ， 使用嵌入式系统进行开发。有些 G S M模块具 有“ 开放 内置平台” 功能 ， 可 以让用户将 自己的程序 嵌入到模块 内的软件平台中。 目前市场上的工业级 G S M 模块制造商主要有 S I E ME N S 、 V E C O M、 S I MC O M等。T C 3 5 i 新版西 门子 工业 G S M模块是一个支持 中文短信息的工业 G S M 模块 ， 可以工作 在 G S Mg 0 0和 G S M1 8 0 0双频段 ， 电 源范围为直流 3 34 8 V， 电流消耗 为休眠状 态 3 5 mA，

19、空 闲状 态 2 5 m A， 发 射 状 态 3 0 0 m A( 平 均 ) 、 2 5 A( 峰 值 ) ； 可 传 输 语 音 和 数 据 信 号 ， E G S M 9 0 0 ( 4类 ) 和 G S M1 8 0 0 ( 1类 ) 的功率 分别 为 2 W和 1 W， 通过接 口连接器 和天线连接器分别 连 接 S I M卡读卡器和天线 。 T C 3 5 i 模块主要 由 G S M基带处理器 、 G S M 射频 模块 、 供电模块 ( 专用集成电路 ) 、 闪存 、 Z I F ( 零插入 力 ) 连接器 、 天线接 口等 6部分组成 。作为 T C 3 5 i 的 核心

20、， 基带处理器主要处理 G S M终端 内的语音 、 数 据信号 ， 并涵盖了蜂窝射频设备中所有 的模拟 和数 字功能。在不需要额外硬件 电路 的前提下 ， 可 支持 F R、 HR和 E F语音 信道 编码。T C 3 5 i的数 据 接 口 ( C MO S电平 ) 通过 A T命令 可双 向传输 指令 和数 据 ， 可选波特率为 3 0 0 b i t s1 1 5 k b i t s ， 自动波特 率为 1 21 1 5 k b i t s 。它支持 T e x t 和 P D U格式 的 S MS ( 短消息服 务) ， 可通过 A T命令或关 断信号实 现重启和故障恢复。 数据通信

21、 电路 主要完成短 消息收发 、 与 A R M 9 通信 、 软件流控制等功能。T C 3 5 i 的数据接 I S l 采用 串行异 步收发 ， 符合 I T UT R S一2 3 2接 I S 1 电路 标 准 ， 工作在 C MO S电平 2 6 5 V。数据接 口配置为 8 位数据位 、 1位停止位 、 无校验位 ， 可 以在 3 0 0 b p s 1 1 5 k b p s的波 特率 下运行 ， 支 持 的 自动波特 率 为 4 81 1 5 k b p s ( 1 4 4 k b p s和 2 8 8 k b p s除 外 ) 。 T C 3 5 i 模块还支持 R T S 0

22、 C T S 0的硬件握手和 X O N X O F F的软件流控制 。数据通信 电路 以 T I 公 司的 MA X 2 0 2 E芯 片为核心 ， 实现 电平 转换及 串 口通信 功能。 1 4 GP S校时模块 在对输油管道泄漏进行定位 时， 要求沿途管道 各监控站处理系统有相 同的时基 ， 以对采集 时间进 行标记。系统 中的时基来 自于嵌入式 A R M9处理 器的内部实时时钟 ， 其经过一天后的误差 可能达 到 1 S ， 在实际工程应用中， 这可能带来 1 k m左右的定 位误差 ， 因此应建立校时机制。通常异地校时的方 法可 以采用 G P S系统进行校时， 以消除系统计时的

23、累计偏差。 G P S ( G l o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m) 全球定位系统 ， 利用工作卫星不问断发送时间与星历信息 。用户可 以利用一体化接收机来接收这些信息 ， 以完成 系统 本地定位与校时。系统中， 利用 G P S系统将各监控 站系统 以世界时为基 础校 时， 以期减少各系统 时钟 累积误差及 由时基不同而带来的系统偏差。 系统中采用的 G P S一体化接收机为 G S U 3 6模 块 ， 它提供了周期为 1 S 的脉冲 ， 其脉冲前沿与格林 威治标准时间相差不超过 1 s 。出于实时性 的考 虑 ， 系统 中直接将嵌入式

24、A R M9内部 C O M1串行 口 与 G P S一体化接收模块 串行 口进行连接， 以便在 串 口中断服务子程序 中接 收并处理 G P S接 收模 块发 送的串行时间信息 ； 同时， 模块外部 中断口线与接收 模块的 1 P P S秒脉冲相连 ， 以在脉 冲跳变触 发的外 部中断服务程序中， 将准确时间写入系统实时时钟 ， 完成校时。 2 数据采集端驱动软件 嵌入式工业监控系统的前端为信息采集端 。对 环境信息的采集主要通过传感器和摄像头完成 ， 用 以对现场相关信息 的采集 ， 包括 温度 、 压力 、 以及现 场视频信息的采集 。采集到的信息送到控制器中进 行处理 。在采集的过程中

25、控制器要与外部的传感器 进行数据交换 ， 为了完成控制器对传感器数据 的交 换 ， 必须 通过 $ 3 C 2 4 4 0的 G P I O接 口进行 ， 在设 计 中， 选用 的 $ 3 C 2 4 4 0处理器提供 了 1 3 0个通用 的 I 0接 口， 2 4个外部中断源。可 以连接各种各样 的硬 件传感器和执行器。由于在 L i n u x系统下 ， 应用程 序是无法直接对硬件进行操作 的 ， 所以必须在硬件 和应用程序之间搭建一个通信 的桥梁 ， 这就是驱动 程序 一 。 L i n u x 对硬件的操作全部抽象成对文件的操作 。 编写驱动程序使用如 o p e n ( ) 、 r

26、 e a d ( ) 、 w r i t e ( ) 、 c l o s e ( ) 等函数 ， 在调试驱动程序时可以把它们编译成模 块的形式 ， 然后用 i n s m o d命令将驱动程序注册进内 核。下 面 2个 函数 就是 驱 动模 块 的加 载 和卸 载 函数 。 s t a t i c i n t i n i t S e n s o ri n i t( v o i d ) s t a t i c v o i d e x i t S e ns o r _e x i t ( v o i d ) mo d u l e i n i t ( S e n s o r _ i n i t ) ；

27、 mo d u l e e x i t ( S e n s o r e x i t ) ； 5 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 2年第 5期 这样 内核之中已经有加载 的驱动程序了， 应用 程序调用驱动程序 ， 在使用 i n s m o d命令加载驱动的 时候 ， 已经给它分配 了设备的名称。在进行系统调 试时， 使用 i n s mo d命令和 r m mo d命令可以方便地完 成驱动模块的加载与卸载 ， 当系统开发结束 ， 大批量 应用于实际工业控制中时 ， 可以将它们编译进内核 。 这样 ， 可以通过调用下列函数对传感器 、 摄像头等外 围设备进行数据采集和控制 。 i n t

28、o p e n ( c o n s t c h a r p a t h ， i n t o fl a g ， ) ； s s i z e t r e a d ( i n t f d ， v o i d b u f f e r ， s i z e t c o u n t ) s s i z e t w r i t e( i n t f d ，v o i d b u f f e r ，s i z e t c o u n t ) ； i n t c l o s e ( i n t f d ) ； 以上就是驱动程序要完成 的几个 函数 ， 分别是 打开和关闭设备入 口点 ， 向设备读取和写人数据的 函

29、数 J 。 3 监控系统软件 任何系统都要求软硬件的密切配合 ， 硬件可以 增加系统软件的稳定性和灵活性 ， 软件可以降低硬 件的成本 ， 两者是相辅相成 的。嵌入式远程监控与 定位系统的软件实现主要包括 A R M 9微 处理器软 件设计 、 网络接 口通信软件设计 和控制数据采集 的 软件设计等。各部分软件相互配合 ， 实现整个 系统 的所有功能。系统主程序流程如图 3所示 。 l茎 塑 j 系统上 电自检 _ -_- _ r_一 系统初始化 ! I ! 一 接收远程控制 命令参数设定 I 卫一 启动采样信 号 转换? N N 读取A D转换后 的数据信息 由 R AM 处理 满足要求?

30、执行机构动作 通 过 R S 2 3 2向 GS M 模块传送 数据信息共享 命令参数设定 数据终结? V 土 f结束 I 图3 系统主程序流程图 N 4 结论 该设计是基于 A R M 9( $ 3 C 2 4 4 0 ) 嵌入式开发平 台 ， 以 L i n u x 操作系统为中心拓展的 I n t e r n e t 网络智 能型嵌入式工业控制系统 ， 解决 了工业现场远程监 控的问题。安装 了嵌入式网络服务器的监控系统将 是未来工业现代化 的重要组成部分 ， 利用无所不在 的网络和性能优异的嵌入技术可以做到随时随地监 控工业生产的整个流程。运用 G S M模块 实现无线 网络远程监控输

31、油系统现场 ， 能完成实时温度和加 热设备数据采集 ， 监测管道原油泄漏和定位等 。经 过测试表明， 该监控系统具有可靠性高、 成本低等优 点， 实现较高的定位精度 ， 采用无线 的数据通 信方 式 ， 节省了大量有线资源 ， 并可实现偏远地区甚至是 无人区的管道泄漏点的检测与定位 ， 具有较高 的实 用推广价值 。 参考文献 ： 1 张永健， 方来华， 关磊 输油管道监控系统设计与开发 J 中国安全生产科学技术 ， 2 0 0 9， 5 ( 3 ) ： 6 8 7 2 2 徐素红， 崔玉婷 基于 G P R S的输油管道泄漏检测与定 位系统的研究 J 辽宁工业大学学报 ： 自然科学版 ， 2

32、 0 0 8 ， 2 8 ( 5 ) ： 2 9 32 9 5 3 周鹏 基于 G S M下管道流量泄漏监测与定位系统 J 管道技术与设备， 2 0 0 7 ， l ( 1 ) ： 1 8 2 0 4 蔡立聪， 沈清波 基于 A R M 9平台的工业控制器设计 C 中国自动化学会第 2 5届青年学术年会论文集， 2 0 1 0： 2 8 7 2 9 1 5 J O N A T HA N C O R B E T ，A L E S S A N D R O R U B I N I ， G R E G K R O A H H A R T MA N L i n x u设 备驱动 程序 M 魏永 明， 耿

33、岳， 钟书毅， 译 北京 ： 中国电力出版社， 2 0 0 6 6 邹思铁 嵌入式 L i n u x设计与应用 M 北京： 清华大 学出版社 ， 2 0 0 7 7 李善平， 刘文峰 ， 王焕龙 L i n u x与嵌入式系统 M 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 2 8 D o u g l a s E C o me r I n t e me t Wo r k i n g w i t h T C P I P P r i n c i p l e s M P r o t o c o l a n d A r c h i t e c t u r e s ， 电子工 业 出版 社 ， 2 0 0 9 9 罗国庆 V x Wo As 与嵌入式软件开发【 M 北京： 机械 工业出版社， 2 0 0 3