基于ARM的嵌入式注水井流量监控系统设计

顾雨晴，王罗娜

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

随着国内石油行业的发展，对流量的监控在目前的石油工业中至关重要[1]。目前用户想查看井下流量信息时，要等待设备在井下采集数据出井后将数据整体上传，才能对流量信息进行分析和查看。所以为了降低成本最优解决方法是让工作人员可以在现场、远程实时监控井下流量数据[2]。实时注水井流量监控系统应运而生，该系统实现了对注水井井下流量的实时在线监控、管理一体化，大大提升了井场作业人员工作效率，同时提供远程流量监控接口。

1 注水井流量监控系统简介

井场流量监控系统是为监测井场流量而研发的流量信息实时采集监控系统。本系统主要实现对流量信息的实时采集。通过对采集到的数据进行有效分析来判断注水井注水流量是否在合理范围内。并将监测到的实时流量及历史流量以柱形图、折线图的形式显示在LCD显示屏上，便于现场工作人员查看。一旦监测到出现流量超标现象立即发出告警信息并记录至日志。本系统通讯发方式为以太网[3]。

2 井场流量监控系统方案设计

本监控系统实现的主要功能有：通过ARM平台实现的对注水井流量信息采集、按照日期、时间将采集到的数据处理后存入SQLite3数据库中，同时通过TCP协议及HTTP协议将数据发送至Web服务器。同时监测各项数据指标，出现异常立即向服务器告警。并通过Frambuffer技术、输入子系统技术、动态取字模在LCD上实现触屏键盘功能，现场人员可通过触摸屏键盘选择查询井下实时流量、历史流量等井况信息，可切换井口/切换历史日期。系统将从数据库中查询信息，并将结果绘制为折线图/柱形图显示在LCD屏幕上。

本监控系统主要实现了数据采集模块、数据处理模块及交互显示终端的设计。数据采集模块主要实现了对流量信息的采集、存储、通过网络传递等功能。通过串口通信读取井下设备采集到的实时流量信息数据，并实现对数据的存储，并将采集到的数据发送至Web服务器。整体方案设计如图1所示。

图1 注水井流量监控系统方案设计

3 监控系统硬件设计

在本系统中需要完成的功能有很多，其中包括与服务器通信进行数据转存、LCD屏幕交互显示等。其中比较重要的就是流量数据信号的采集、存储、发送及显示。

3.1 三星4412最小系统

三星4412最小系统板以Cortex-A9为核心，内部集成了GPU为Mali-400 MP的高性能图形引擎，支持3D图形流畅运行，并可播放1080P大尺寸高清视频，流畅运行Android等高级操作系统，非常适合开发高端物联网终端、广告多媒体终端、智能家居、高端监控系统、游戏机控制板等设备。

3.2 LCD显示模块

本次设计采用RGB888真彩色 LCD显示屏，分别率1024*600，支持触摸功能，功能齐全，价格低廉，非常适合嵌入式开发。

4 监控系统软件设计

在注水井流量监控系统中的软件设计采用了多线程技术分成两大类，一是基于嵌入式开发板的信号处理流程，其中包括对数据的采集、处理、转存至数据库、打包为HTML文件和发送至web服务端等过程。二是以在交互显示端根据现场需求从数据库中查询数据并绘图显示为主。

4.1 主程序设计

本系统的主程序设计中，首先进行系统初始化，主要包括Socket套接字的创建、服务器端口号的绑定、串口初始化、显示屏初始化、数据库文件创建、线程创建。主程序分为两个线程。主线程从串口读取数据，上锁后将数据存入数据库中，而后通过网络协议发送至Web服务器。子线程负责在LCD屏幕显示控制界面，并根据用户指令进行数据库查询、通过串口向井下仪器发送指令等操作。最后将查询结果以柱形图、折线图形式显示在LCD屏幕上。如图2所示。

4.2 Web服务器子程序设计

图2 注水井流量监控系统主程序设计流程图

Web服务器子程序首先创建Socket套接字，建立TCP连接，后将从串口读取到的实时流量数据写入HTML文件中。在TCP连接基础上，通过HTTP协议通信，向服务器发送HTTP报文和HTML文件。使客户可通过浏览器访问页面查询实时流量信息。

5 结语

注水井流量监控系统搭载三星4412 ARM高性能处理器，结合Linux操作系统，运用了嵌入式、Linux技术、Frambuffer及输入子系统、串口通信、网络通信、数据库技术。实现了对井下流量信息的现场及远程实时监控。由于其是基于嵌入式微控制器开发，因此这套系统具有很好的扩展性。随着物联网技术的发展，该套系统符合井场作业人员及时监测流量数据的需要，应该会越来越普遍的应用与工业监测领域，具有很好的发展前景。