基于WebService的數(shù)字油田監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、1基于Web Service 的數(shù)字油田監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 鄭燦指導(dǎo)教師 余有明 副教授摘要數(shù)字油田監(jiān)控系統(tǒng)使用Web Service技術(shù)將不同平臺(tái)上的應(yīng)用和不同類型的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行了交換，通過(guò)Web Service的形式分別在嵌入式設(shè)備和PC機(jī)上發(fā)布了各個(gè)服務(wù)器端的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智能終端上的跨平臺(tái)、跨語(yǔ)言的網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油田主要設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。關(guān)鍵詞：嵌入式，跨平臺(tái)，Web Servic隨著數(shù)字地球概念的提出，數(shù)字油田在石油行業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，成為一個(gè)熱門話題1。數(shù)字油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)正是數(shù)字油田中的一個(gè)具體應(yīng)用。數(shù)字油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)正向著跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)

2、的松耦合的異構(gòu)分布式系統(tǒng)發(fā)展。而且隨著嵌入式技術(shù)和Web Service技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)智能化終端并借助網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通訊已成為其發(fā)展的主要趨勢(shì)。由于建立在標(biāo)準(zhǔn)性與開放性基礎(chǔ)之上Web Service技術(shù)徹底打破了以前封閉式的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)Web Service技術(shù)，客戶使用不同語(yǔ)言開發(fā)的程序可以在不同平臺(tái)上無(wú)縫地獲取所需的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)資源效率的最大化34。使用Web Service技術(shù)來(lái)開發(fā)數(shù)字油田監(jiān)控系統(tǒng)成為一個(gè)新的思路。1. 數(shù)字油田監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)硬件主要由微處理器芯片、OV511芯片、FLASH芯片、SDRAM芯片、74HC573芯片、ZLG7290B芯片、LCD顯

3、示屏以及以太網(wǎng)接口組成。其中，微處理器芯片采用的是SAMSUNG 公司的S3C2410S16/32 位RISC 微處理器。S3C2410S微處理器是使用ARM920T核、采用0.18um 工藝CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器開發(fā)的。它的低功耗精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。應(yīng)用中，它采用了一種新的總線結(jié)構(gòu)，即高級(jí)微控制器總線結(jié)構(gòu)（AMBA）。S3C2410X 的杰出特性是它的CPU 核，采用了由ARM 公司設(shè)計(jì)的16/32 位ARM920T RISC處理器。ARM920T 實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA 總線和獨(dú)立的16KB 指令和16KB 數(shù)據(jù)哈佛結(jié)構(gòu)的緩存，每個(gè)緩存均為8

4、個(gè)字長(zhǎng)度的流水線2。本系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端、監(jiān)控中心和移動(dòng)控制終端。以嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端，將分別在Windows平臺(tái)和Linux平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心。移動(dòng)控制終端則將利用嵌入式開發(fā)板ARM2410上的相關(guān)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。三個(gè)終端之間的大部分?jǐn)?shù)據(jù)交互都是Web Service來(lái)實(shí)現(xiàn)，只有視頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)將將用Socket實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控中心終端與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端進(jìn)行通信時(shí)，監(jiān)控中心終端將是客戶端，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備終端將是服務(wù)器端；監(jiān)控中心終端與移動(dòng)終端進(jìn)行通信時(shí)，監(jiān)控中心終端是將服務(wù)器端，移動(dòng)終端將是客戶度567。所以，在本系統(tǒng)中，監(jiān)控中心終端既擔(dān)當(dāng)了客戶端的角色，也擔(dān)當(dāng)了服務(wù)器端的角色。圖1數(shù)字油田監(jiān)

5、控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互關(guān)系2. 數(shù)字油田監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備服務(wù)器端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備服務(wù)器端分為直流電機(jī)服務(wù)器端與視頻采集服務(wù)器端兩部分。2.1.1直流電機(jī)服務(wù)器端的設(shè)計(jì)直流電機(jī)作為油井現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力設(shè)備，屬于被監(jiān)控設(shè)備。本系統(tǒng)采用AMR2410開發(fā)板上直流電機(jī)模塊來(lái)作為模擬油井電機(jī)。直流電機(jī)服務(wù)器端可以接受來(lái)自監(jiān)控中心的控制數(shù)據(jù)，控制電機(jī)的開關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而控制直流電機(jī)的運(yùn)作狀態(tài)。同時(shí)，直流電機(jī)服務(wù)器將采集直流電機(jī)的相關(guān)信息包括電機(jī)信息以及油井其他相關(guān)的信息（如溫度、電壓、電流、壓力等），當(dāng)監(jiān)控中心請(qǐng)求需要這些數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。電機(jī)信息可以直接從直流

6、電機(jī)上獲取，其他信息在實(shí)際中需要通過(guò)傳感器等設(shè)備來(lái)獲取，本系統(tǒng)則用程序應(yīng)用模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2 直流電機(jī)服務(wù)器端流程圖2.1.2視頻采集服務(wù)器端設(shè)計(jì)視頻采集是監(jiān)控系統(tǒng)最重要最不可缺的一部分，通過(guò)視頻采集服務(wù)器端將油井現(xiàn)場(chǎng)的周圍環(huán)境狀況實(shí)時(shí)地反應(yīng)給監(jiān)控中心，方便用戶通過(guò)監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)事件進(jìn)行了解并及時(shí)處理。本系統(tǒng)采用ARM2410開發(fā)板上的HOST端口上連接的WEBEYE V2000攝像頭來(lái)模擬油井視頻監(jiān)控設(shè)備。視頻采集服務(wù)器端可以接受來(lái)自監(jiān)控中心的視頻采集圖像屬性參數(shù)，從而設(shè)置攝像頭圖像采集參數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)圖像畫面效果，并將視頻采集圖像的屬性參數(shù)返回到監(jiān)控中心。同時(shí)，視頻采集服務(wù)器端將采集現(xiàn)場(chǎng)

7、視頻數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心89。視頻監(jiān)控功能包括信息采集和視頻控制2個(gè)部分。視頻信息采集包括視頻設(shè)備信息和視頻數(shù)據(jù)的采集。視頻設(shè)備信息包括視頻狀態(tài)信息和圖像屬性參數(shù)。視頻控制是對(duì)視頻圖像屬性參數(shù)的調(diào)節(jié)控制，主要調(diào)節(jié)的是視頻畫面質(zhì)量，包括圖像的亮度、顏色、色調(diào)、對(duì)比度和分辨率。視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸是通過(guò)Socket實(shí)現(xiàn)的，其他數(shù)據(jù)通過(guò)Web Service來(lái)傳輸。服務(wù)器通過(guò)Videolinux提供的接口采集視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)JPEG壓縮算法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行壓縮。在視屏采集服務(wù)器端啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)創(chuàng)建2個(gè)線程，分別為視頻采集和傳輸線程，它們共享一個(gè)緩沖池。視頻采集線程在啟動(dòng)后就會(huì)不斷通過(guò)外接攝像

8、頭采集周圍圖像，然后經(jīng)過(guò)JPEG算法壓縮后放入緩沖池中。視頻傳輸線程則是在啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建一個(gè)Socket來(lái)監(jiān)聽并等待監(jiān)控中心的連接請(qǐng)求。當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)送連接請(qǐng)求，該線程就與之建立連接，之后就通過(guò)該連接向監(jiān)控中心發(fā)送從緩沖池獲取的視頻數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，在視頻采集服務(wù)器端，視頻數(shù)據(jù)傳輸所需要的一切都已經(jīng)準(zhǔn)備好，就等著客戶的請(qǐng)求，一旦建立連接，就可以發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，從而達(dá)到較高的速度和效率10。圖3視頻采集服務(wù)器端流程圖2.2 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控中心終端處于數(shù)據(jù)處理中心的地位，是系統(tǒng)中的最重要的組成部分。它可以將從移動(dòng)監(jiān)控終端接收到的控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的直流電機(jī)服務(wù)器端，間接實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控終端的

9、控制；也可以將從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端獲取的油井信息轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)監(jiān)控終端，從而間接實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控終端的監(jiān)視。在這些轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，監(jiān)控中心還可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析與存儲(chǔ)。圖4-11監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖本系統(tǒng)將監(jiān)控中心設(shè)計(jì)成兩個(gè)版本，分別對(duì)應(yīng)2個(gè)不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)，在Linux系統(tǒng)平臺(tái)上采用GCC+gSoap+Qt開發(fā)監(jiān)控中心程序。Windows平臺(tái)采用VS2008+WSE3.0，用C#語(yǔ)言開發(fā)監(jiān)控中心程序。兩個(gè)系統(tǒng)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。在不同的環(huán)境下，針對(duì)環(huán)境的特點(diǎn)可以選擇不同的平臺(tái)，以提高系統(tǒng)的兼容性以及應(yīng)用的廣泛性。這兩個(gè)版本的監(jiān)控中心程序都能夠與移動(dòng)監(jiān)控終端和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備服務(wù)器進(jìn)行通信，而且它們的功能基本一致

10、。（1）數(shù)據(jù)路由、分發(fā)。當(dāng)監(jiān)控中心接收到移動(dòng)監(jiān)控終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)根據(jù)移動(dòng)監(jiān)控終端的IP地址去查詢?cè)O(shè)備連接表，然后找出與之對(duì)應(yīng)的直流電機(jī)的IP地址，然后將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給該直流電機(jī)。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。監(jiān)控中心能夠?qū)?shí)時(shí)獲取的油井的狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在Linux版的監(jiān)控中心，這些數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在XML文件中的；而對(duì)于Windows版的監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL Server）中的。（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控。在監(jiān)控中心的前臺(tái)控制界面中，操作人員可以切換不同的控制界面來(lái)使用不同的功能，用以隨時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的不同狀態(tài)。（4）設(shè)備管理。操作人員可以隨時(shí)在系統(tǒng)中添加或刪除設(shè)備，并開啟/關(guān)閉設(shè)備之間的連接

11、。（5）系統(tǒng)設(shè)置。監(jiān)控中心可以對(duì)移動(dòng)終端與現(xiàn)場(chǎng)終端連接進(jìn)行設(shè)置；也可以進(jìn)行Web Service設(shè)置，可以設(shè)置監(jiān)控中心所發(fā)布的Web Service的監(jiān)聽端口號(hào)以及最大連接數(shù)量等；還可以啟動(dòng)或停止Web服務(wù)，系統(tǒng)默認(rèn)Web服務(wù)自動(dòng)啟動(dòng)。監(jiān)控中心的后臺(tái)線程還會(huì)定時(shí)掃描監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)終端的連接狀況，及時(shí)更新連接狀態(tài)。還可以對(duì)掃描時(shí)間進(jìn)行設(shè)置或設(shè)置這種定時(shí)掃描的開啟或關(guān)閉。2.3移動(dòng)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)移動(dòng)監(jiān)控終端是作為一個(gè)客戶端，通過(guò)調(diào)用監(jiān)控中心所發(fā)布的Web Service，從而間接的控制直流電機(jī)，并實(shí)時(shí)獲取油井信息，達(dá)到對(duì)油井狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。移動(dòng)控制終端包括了4個(gè)模塊，分別是與監(jiān)控中心通信的模塊、鍵盤

12、控制模塊、A/D采集模塊和LCD顯示模塊。A/D采集模塊是利用開發(fā)板上的3路A/D輸入端來(lái)生成直流電機(jī)控制數(shù)據(jù)，3路A/D分別實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)控制數(shù)據(jù)的粗調(diào)、中調(diào)和微調(diào)。LCD顯示模塊則是在開發(fā)板上的LCD顯示屏上采用Framebuffer技術(shù)分別以圖形與數(shù)字的形式實(shí)時(shí)顯示A/D采集模塊所采集的控制信息，實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程油井信息，在顯示屏上還能顯示了移動(dòng)終端的功能選項(xiàng)以及操作失敗的錯(cuò)誤信息提示。鍵盤控制模塊通過(guò)開發(fā)板上搭載的17鍵小鍵盤，用方向鍵來(lái)切換LCD顯示屏上所顯示的功能選項(xiàng)，回車鍵輸入控制命令，達(dá)到通過(guò)鍵盤方向鍵和回車鍵來(lái)執(zhí)行相應(yīng)操作的效果。功能選項(xiàng)菜單包括A/D采集模塊的開啟/關(guān)閉、遠(yuǎn)程油

13、井信息顯示的機(jī)開啟/關(guān)閉、發(fā)送控制數(shù)據(jù)和退出?？傊僮魅藛T可以在移動(dòng)控制終端利用鍵盤選擇不同的功能選項(xiàng)，通過(guò)回車盤來(lái)確定執(zhí)行那個(gè)功能。通過(guò)調(diào)節(jié)A/D旋鈕從而生成直流電機(jī)控制數(shù)據(jù)，然后可以通過(guò)功能選項(xiàng)把該控制數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心間接實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，并接收監(jiān)控中心返回的最新油井信息，然后通過(guò)Framebuffer技術(shù)顯示在LCD顯示屏上。3.結(jié)論本系統(tǒng)采用嵌入式及Web Service技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了油井電機(jī)控制、信息采集、視頻監(jiān)控等功能，具有可靠性、兼容性、體積小、集合度高、跨平臺(tái)、跨語(yǔ)言等特點(diǎn)，有效地解決了硬件設(shè)備的多樣性及信息復(fù)雜度高的問(wèn)題，消除了不同語(yǔ)言不同平臺(tái)不同設(shè)備之間的接口問(wèn)題，使得系

14、統(tǒng)的集成更加方便。參考文獻(xiàn)1王權(quán),楊斌,張萬(wàn)里.數(shù)字油田及其基本架構(gòu)J.油氣田地面工程.2004,12:47-48.2S.n. S3C2410S 32-BIT RISC microprocessor usersmanual revision 1.2M/CD. Seoul：Samsung Electronics,Co.Ltd，2003：1-4.3董自濤,孫月洪Web Service 技術(shù)概述N連云港師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009.3.4徐恩友.利用Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)數(shù)據(jù)的交換J.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,04:34-37.5朱華生，呂莉，熊志文，徐晨光.嵌入式系統(tǒng)原

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