大学生创新创业训练计划项目结题表

辽宁科技大学大学生创新创业训练计划

校级项目结题表

（ 第四期一年期 ）

项目编号： DC2014042 项目名称： 基于GSM网油田数据采集系统 负 责 人： 赵晨 院系名称： 电子与信息工程学院 专业班级： 测控12-2班 学 号： 120123107056 联系电话： 电子邮箱：

填表日期： 2015.05.07

辽宁科技大学教务处制表

填 表 说 明

一、项目结题表应按照本说明逐项认真填写，内容必须实事求是，表达明确严谨，空缺处要填“无”。

二、封面页括号内填写立项期数及研究时间，例如：第二期一年期

三、项目结题表一律用计算机输入打印，填写中如栏目篇幅不够，可自行加页。表格中正文字体应为小四号宋体，22磅行距，需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。

四、“项目成员”按照实际参与项目实施的人员填写。

五、“指导教师意见”要对项目成果和学生实施情况进行总结，由指导教师亲自填写。

六、“学院大学生创新创业训练计划工作小组意见”要对成果内容和成果水平进行评价。

七、项目结题表一式两份，均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。

项 目 名 称 基于GSM网油田数据采集系统 A、创新训练项目（√）B、创业训练项目（ ）C、创业实践项目（ ） 年 月至 年 月 班级 测控12-2班 学号 120123107056 实际使用经费 联系电话 E-mail 元 项目类别 研究起止时间 姓 名 学 院 电子与信赵晨 团 队 成 员 李超 息工程学院 电子与信息工程学院 电子与信寿震宇 息工程学院 姓 名 指导教师 E-mail 汪玉坤 试点12-2班 120123107038 计算机12-2班 120123104028 院系 电子与信息工程学院 职称 副教授 联系电话 一、项目成果简介（重点介绍特色及创新点）（300字左右） 1、采用GSM短信通信方式进行数据通讯：由于油田都有网覆盖，利用现有的基站系统，可以很方便地实现数据远程传输，不需组建自己的网络，大大节省了组网成本。 2、监控软件设计：利用工业标准的图形化开发环境LabVIEW设计监控软件。它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等。 3、基于labview的油井网络监测系统设计。通过基于labview的油井网络监测系统，将监控画面发布到到internet上，各个管理部门可直接通过浏览器访问实时监测数据。如 图11 “从网络端可看到服务器的运行情况”。 4、油井远程监控系统通常采用TC35i GSM通信模块，其工作频段少，支持900/1800Mhz，不能支持GPRS，且功耗较高。本系统设计采用SIM900A无线通信模块，它有4个工作频段，支持GSM/GPRS，且尺寸小、功耗低。 5、面对单个油井的众多检测设备，在数据传输部分建立CAN总线和RS-485总线局域网，再将汇总的信息通过GSM远传至监控中心。 6、图表功能，根据实时电流和电压数据绘制变化趋势曲线图；根据遥测上来的 载荷、位移参数值，绘制示功图；制作实时以及历史报表。 7、本装置集成了GSM/GPRS、CAN总线、485总线等功能，不单适用于油井的远程监控，对于像路灯、设备较分散的工厂都有应用价值，都可以大大简化管理方式，节约企业成本，达到减员增效的目的。 二、项目研究中使用的文献材料（含参阅的书籍和论文目录，使用的检索目录） 金晶.GSM/GPRS通信技术在油井远程监控系统中的应用:[硕士学位论文].武汉:华中科技大学,2006. 李江全. LabVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例[M]. 北京:电子工业出版社, 2013. 陈育良,许爱强,李文海,汪定国. SN65HVD230型CAN总线收发器的原理及应用[J]. 国外电子元器件,2005,09:47-50. 葛年明,周泉,沈春梅. 基于STM32的物联网开发应用系统设计[J]. 微型机与应用,2012,17:80-83. 张艳丰,赵小霞. MAX-487在远距离多机通信系统中的应用[J]. 济源职业技术学院学报,2005,02:18-21. 三、项目成果形式及数量（相应方框内划√，需提供附件） 1.□文献资料综述（ ）份； 2.□调查报告 （ ）份； 3.□研究论文（ ）份； 4.□软件 （ ）份； 5.□设计 （ ）份； 6.□硬件研制（ ）份； 7.□获得专利 （ ）份； 8.□心得体会 （ ）份； 9.□其他 （ ）件，名称： 附件清单： 四、项目总结报告（项目实施过程中创新思维和创新实践方面收获）（3000字左右） 1、功能概述 系统包括硬件电路设计和GSM油井监控软件设计两部分。其中硬件电路设计包括监测终端和监控中心两部分，监测终端包括GSM通信模块SIM900A及其驱动电路、32 bit ARM微处理器STM32F103RBT6、供电电路和传感器的数据采集与处理电路,继电器控制电路；监控中心包括SIM900A及其驱动电路、STM32F103RBT6单片机、供电电路、报警处理电路，并通过RS232连接至监控计算机。监测终端和监控中心的ARM微处理器软件设计包括GSM通信模块的发送与接受主程序、通过串口的短消息接收和发送等程序，监测终端还包括RS-485总线程序、CAN总线程序、继电器控制程序、传感器的数据采集与处理程序。GSM油井监控软件采用LABVIEW编写，具有报警显示、图表监视器、统计图表、打印报表等多个功能。系统框图如图1. 图1 系统应用框图 1.GSM技术简介及方案选择 GSM中文名称为：全球移动通信系统；英文名称为：Global system for mobile communications。GSM属于第二代移动通信技术，起源于欧洲的移动通信技术标准，又称“全球通”，取一部手机行遍全球之意，其实现手段为全球使用同一个移动电话网络标准。我国于20世纪90年代引进该技术标准，进而取代了第一代移动通信技术标准-蜂窝模拟移动技术。GSM系统包括GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM-1900：1900MHz等几个频段 。 油井远程监控系统通常采用TC35i GSM通信模块，其工作频段少，支持900/1800Mhz，不能支持GPRS，且功耗较高。室内都是采用的布线连接，工程较大，地面不美观。针对于此，本系统采用SIM900A无线通信模块，它有4个工作频段，支持GSM/GPRS，且尺寸小、功耗低。 2基于SIM900A的GSM/GPRS硬件设计 2.1 SIM900A模块简介 本设计所采用的GSM模块是SIM900A，它是一个2频的GSM/GPRS模块，工作频段为：EGSM 900MHZ和DCS 1800MHZ。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8(可选)和GPRS编码格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下最低耗流只有1mA。此外，该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议，这些在用户做数据传输方面的应用时非常有用。 SIM900A尺寸较小，几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求。该模块与用户移动应用的物理接口为68个贴片焊盘，提供了模块和客户电路板的所有硬件接口：键盘和SPI显示接口；主串口和调试串口；一路音频接口，包含一个麦克风输入和一个扬声器输出；可编程通用输入输出接口。SIM900A的功能框图如图2.1所示。 AntennaInterfacePowerInterfaceUSARTInterfaceMODULELCDInterfaceGPIOInterfaceAudioInterfaceSIMInterface 2.2 SIM900A硬件 SIM900A硬件设计功能框图如图2.2所示。本设计，主要是为了实现SMS与TCP功能，因此语音接口没有引出，外部功能模块主要分为串口、电源、SIM卡、以及单片机相应接口。 图2.2.0 SIM900a模块原理图 图2.2.1 SIM900a模块系统功能框图 2.2.1 SIM900A模块电源设计 本装置中，SIM900A模块电路系统设计的关键在于电源部分，该模块采用单电源供电，供电范围 3.2～4.8V之间，推荐电压为4.0V，模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到 2A以上，因此电源供电能力尽可能达到2A，输入电压与VBAT 压差不大，所以选用 LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器） LDO是low dropout regulator，意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了， 如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的。针对这种情况， 才有了LDO类的电源转换芯片。本设计采用的是MP2143，电路简单，方便实用。如图2.2.1 SIM900A 模块采用单电源供电， VBAT 供电范围 3.2～4.8V 之间，推荐电压为4.0V，模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到 2A 以上， 因此电源供电能力尽可能达到 2A，并建议 VBAT 引脚并接大电容（电容根据供电 IC 输出能力确定）。 电源芯片选择上需要注意，如果外部输入电压与 VBAT 压差很大，建议选择开关电源,当选用 DC-DC 时需注意 EMI 干扰，建议串接磁珠以备调整；如果外部输入电压与 VBAT 压差不大，最好选用 LDO。客户的产品需要过 TA、 CE、 FCC等认证，推荐选择 LDO 供电。 为了增强模块电源抗干扰能力（主要抗浪涌，脉冲群，静电等）， 不至于在外界环境比较恶劣的情况下导致模块供电异常，建议根据实际应用在外部电源输入端加一些共模电感、TVS 管等器件，在VBAT 供电芯片输出端加一些nf 、pf 级电容，滤除干扰。 PCB布局时候VBAT 上的旁路电容尽量要放在对应pin 附近，为了减少 PCB走线阻抗，VBAT 走线尽量宽、走线尽量短，最好大面积铺地。 由于GSM/GPRS模块为静电敏感器件，因此电路中需要加入静电防护措施。本系统中采用ESDA6V1W5，该器件专为静电敏感器件设计，可承受瞬间静电25KV，漏电流小于1uA。 2.2.2 SIM900A 硬件设计注意事项 （1）电源部分 改电路设计需要考虑瞬间大电流问题，由于SIM900A在通信瞬间会产生高达2A的电流，因此，模块的供电需要保持稳定，否则将对电路的稳定性甚至正常工作指标产生影响。本设计中采用了加粗电源线的方法。同时采用大面积附铜接地 （此处贴图由于显示问题没有附铜）。系统PCB设计如图2.2.3。 图2.2.3 电源部分设计除了元器件的选择外，还和客户的 PCB 布局关系很大，比如我们第一版PCB就遇到模块开机 10 几秒后就关机的现象，如 图2.2.4所示： 图2.2.4 从以上 图2.2.4结构，我们选择的电源芯片及其原理设计完全一样，但是从布局走线， SIM900A 模块 VBAT 供电的走线太长、线宽也很窄，稳压电容离 VBAT 引脚又较远，所以导致电源跌落很大。原本设计 VBAT 供电 4V， 但是从下图2.2.5可以看出，在模块开机后的一段时间内电压跌落 1.1 ～1.2V，主要原因是从模块开 机到注册网络这段时间内，射频发射功率偏高， VBAT上耗流、纹波增加所致。 因此， VBAT 设计会影响整个模块的工作稳定性，比如常见问题模块开机几秒钟 就关机、 TCP/IP 传输数据频繁大数据量、信号强度不好的情况，都可能会产生 模块关机或重启现象。 经过改进，我们最终布局如下图2.2.5， 解决了上述问题： 在考虑 VBAT 设计同时，也要重点关注 GND 设计，GND 整个回流路径的长短以及阻抗的连续性是电源跌落主要原因。因此 GND 的处理如下：模块 GND，电池座 GND（如果有电池供电），电源适配器 GND， 相互间 GND最好以一块完整的铜皮相连接，如果有结构、 板层（比如 2 层板）限制，无法大面积铺铜皮，最好用 2mm 以上走线单独连起来在覆铜，以保证 GND 的完整性。整个 PCB 板尽量多打地孔，电源和地的回流路径越小越好。 （2）射频部分设计 由于SIM900A 模块是一款尺寸紧凑的 GSM/GPRS 模块，采用 SMT 封装， 在射频部分设计时需要考虑预留∏型网络，前期可以先贴0 欧姆电阻、电容 NC，以便后续天线匹配调试。射频走线遵循短而直的原则，尽量走直线或弧状线 ； RF 线下方需要有完整的参考地，不要走任何信号线， 如下图图2.2.5所示。 图2.2.5 3、系统设计创意 1、采用GSM短信通信方式进行数据通讯：由于油田都有网覆盖，利用现有的基站系统，可以很方便地实现数据远程传输，不需组建自己的网络，大大节省了组网成本。从根本上解决了采油井分布广、距离远而难于用有线方式组网的难题，实现了通过短消息实时进行油井监控，并且很好的完成了监控任务。该方式充分利用了GSM公网资源，通过GSM通信模块收发有限长度的文本信息，实现远程数据的通讯。GSM网络为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式，利用现有的GSM网络资源，发挥其网络覆盖率高、传输特性好、建设和维护成本低等优势，己经成为现代国际工业远程控制及现场检测等领域新的发展趋势，并已广泛应用于安防报警、电力监控等各种行业。 2、监控软件设计：利用工业标准的图形化开发环境LabVIEW设计监控软件。 它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具。对报警信息进行处理，并智能化判断报警信息。如图11. 图11 基于LabVIEW的设计监控软件 3、基于labview的油井网络监测系统设计。通过基于labview的油井网络监测系统，将监控画面发布到到internet上，各个管理部门可直接通过浏览器访问实时监测数据。 如 图11 “从网络端可看到服务器的运行情况”。 图12 “从网络端可看到服务器的运行情况” 4、采用高性能32位RAM微处理器STM32F103RBT6作为控制核心：具有高性能、易开发、高度兼容、低工作电压、低功耗以及实时、数字信号处理的32位闪存微控制器。STM公司为用户提供了标准的固件函数库通过使用本固件函数库，无需深入了解细节，用户可以轻松应用每一个外设。因此可以大大缩短用户的程序编写时间，进而降低开发成本。 5、报警中心的设计：监控中心接收到由油井监控终端发来的报警信息，通过对短信内容的解读，恢复成数传信号并通过RS-232串口送至监控计算机处理，实时监测油井报警状态。 6、油井远程监控系统通常采用TC35i GSM通信模块，其工作频段少，支持900/1800Mhz， 不能支持GPRS，且功耗较高。本系统设计采用SIM900A无线通信模块，它有4个工作频段，支持GSM/GPRS，且尺寸小、功耗低。 7、油田的采油矿场通常由多口油井、计量间 、 管汇阀组 、 转油站 、 联合站 、 原油外输系统 、 油罐及油田的其他分散设施组成 ，整个采油矿场各种 设施的工作状况及采出油品的数据 (主要有温度 、压力 、流量等) 将直接关系到油田生产的稳定及原油质量 。面对单个油井的众多检测设备，在数据传输部分建立CAN总线和RS-485总线局域网，再将汇总的信息通过GSM远传至监控中心。 8、 图表功能， 根据实时电流和电压数据绘制变化趋势曲线图；根据遥测上来的 载荷、位移参数值，绘制示功图；制作实时以及历史报表。 9.本装置集成了GSM/GPRS、CAN总线、485总线等功能，不单适用于油井的远程监控，对于像路灯、设备较分散的工厂都有应用价值， 4、项目实现介绍 (1) 信号采集处理 监控终端的工作状态传感器主要有压力传感器、温度传感器、可燃性气体浓度传感器等。正常工作时，相应的传感器单元将信号传输到STM32F103RBT6微处理器进行A／D转换，再通过STM32F103RBT6微处理器进行信号处理后，以短信或TCP数据传输的形式发送到现有的GSM网络。 （2）通信信道 根据采油井分布广、距离远而难于用有线方式组网的问题，在监控终端单元和控制站之间传递信息，采用GSM短信通信方式进行数据通讯。每个监测终端和控制端都配备有固定号码的手机SIM卡。该系统的通信信道是由中国移动公司提供的GSM网络。 (3) 远程油井诊断 对油井的远程诊断是利用监测终端的采集系统、数据传输系统等把采油机的运行参数(温度，压力等)传回主站的控制中心，经控制中心的专家系统对这些数据的分析，判断出采油机的运行状况，并及时提出调整建议。 (5) 远程油井控制 油井远程控制技术是利用GSM通讯模块接收主站控制中心的控制指令，经处理后产生控制动作，接通或断开电机控制器，通过控制电机的运行和停止来控制采油机的起抽和停抽。都可以大大简化管理方式，节约企业成本，达到减员增效的目的。 5、团队及设计过程 本团队由 5 名大三的本科生组成。在辽宁科技大学学生课外科技活动计划的支持下，经过一年时间的不断完善和进步，完成了此次设计。 在设计之初，五个人还是电子设计的门外汉，通过这次设计不但掌握了许多电子设计的知识，还培养了团队精神，锻炼了顽强的意志。这些收获对团队成员一生 的发展都会产生很大的影响。 首先我们将该项目分为几个部分:STM32F103RBT6微处理器的编程、GSM通信模块SIM900A及其驱动电路的设计、供电电路的设计、PCB板的绘制。我们团队中每个人分配相应的任务，积极的研究学习、相互讨论并请教老师。 其中最为困难的是GSM通信模块SIM900A驱动电路的设计的供电电路的设计，由于GSM频率较高，对PCB板上的天线部分走线要求比较苛刻，所以在设计中犯了许多小错误。此外，由于GSM通信模块SIM900A的瞬间通信电流高达2A左右，所以对它的供电电路设计有较高的要求，同时还要考虑到STM32F103RBT6微处理器与GSM通信模块SIM900A的供电电源隔离，电磁兼容等问题。 在查阅了大量资料与试验后，我们成功设计出PCB板，GSM网络通信成功，这极大的激励了我们的斗志，我们进一步努力完成了LAABVIEW监控软件的GSM通信模块控制，通过不断试验与改进，完成了系统性能又一次的提高。 五、项目实施过程中存在的问题和建议 1、实验设备相对比较落后，实验条件不够完善，项目实施过程中不太方便学生实践自己的项目。 2、项目实施过程中经费比较紧张，建议学校应加大相应的科研经费，鼓励学生去更好的发挥与实施自己的创意。 3、由于项目实施过程比较长，很多同学容易产生懈怠，积极性和主动性大大降低，以至于等到学校要检查时才匆匆忙忙去做项目，所以很多同学到最后未能完成要求所以建议学校应加强监督管理机制，以及时监督与反馈学生的项目实施情况，及时了解学生的需要与困难。 在设计之初，五个人还是电子设计的门外汉，通过这次设计不但掌握了许多电子设计的知识，还培养了团队精神，锻炼了顽强的意志。这些收获对团队成员一生 的发展都会产生很大的影响。 首先我们将该项目分为几个部分:STM32F103RBT6微处理器的编程、GSM通信模块SIM900A及其驱动电路的设计、供电电路的设计、PCB板的绘制。我们团队中每个人分配相应的任务，积极的研究学习、相互讨论并请教老师。其中最为困难的是GSM通信模块SIM900A驱动电路的设计的供电电路的设计，由于GSM频率较高，对PCB板上的天线部分走线要求比较苛刻，所以在设计中犯了许多小错误。此外，由于GSM通信模块SIM900A的瞬间通信电流高达2A左右，所以对它的供电电路设计有较高的要求，同时还要考虑到STM32F103RBT6微处理器与GSM通信模块SIM900A的供电电源隔离，电磁兼容等问题。 在查阅了大量资料与试验后，我们成功设计出PCB板，GSM网络通信成功，这极大的激励了我们的斗志，我们进一步努力完成了LAABVIEW监控软件的GSM通信模块控制，通过不断试验与改进，完成了系统性能又一次的提高。 六、项目经费支出情况（单位：元） 支出明细 战舰STM32F103ZET6开发板 购书 SIM900A开发板*2 SIM900A模块*6 STM32F103RBT6*10 PCB*3 金额 500 70 314 198 150 300 其他各种电子元器件 快递费用 合 计 七、诚信承诺 400 200 2132 我（们）承诺在大学生创新创业训练计划项目实施过程中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本项目成果中除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为，我（们）愿承担一切责任，接受学校的处理。 学生签字： 年 月 日 八、项目指导教师意见 签 名： 年 月 日 九、大学生创新创业训练计划学院工作小组意见 组长签名： 年 月 日 十、大学生创新创业训练计划学校领导小组意见 年 月 日