油井CDMA远程图像监控智能管理系统需求分析
日期：2010-9-6 11:08:59 点击：
来源：中国工控网
作者：
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在现有的工业监控系统，常用的信息传输方式有：数字微波、数传电台、有线光纤、有线电缆等，数字微波和数传电台将受到传输距离及频率许可的限制，而有线光纤和有线电缆的网络成本较高，不适
合监控环境点非常恶劣，监空点相对分散、传输距离较远的情况下使用。
针对监控对象分散、各监控节点间缺乏有机联系、监控信息量相对较少，实时性要求较低等特点，
CDMA网络技术提供了一种很好的信息传输方式。
目前，数字类消费电子产品的需求增长惊人。在这些产品中，成象和视频类产品比重相对较大。并
且技术积累日益成熟，应用相当广泛。将相关的图象技术应用于生产中将是我们考虑的一个重要方向。 在油田、煤矿、银行、变电站、车站等场所，需要重点考虑视频成象的提取分析要求和信息的安全技术以及控制应用成本，所以应用特殊的数字编解码转化方式成为了一项尤为重要的技术指标。
上海颐通成功开发出了一套视频转换编解码方案，该方案具有世界领先的技术水平，其融合了多种
图象数字化标准（JPEG标准、动态视频的MPEG1、MPEG2、MPEG3和H.263、H.264等）。该技术在保障了视频质量的同时，大大降低了生产成本，并且通过多重加密技术有效的保障了采集信息的安全。
功能分析
本文主要介绍基于CDMA网络技术的油田图像监控系统（LMIS）
1）实时监测
自动收集和认可从远程井口微型计算机传输来的数据，每口井具有其自己的识别特征；
自动检查错误，如果需要还可重新传输；
程序通过安全密码可进入计算机系统，通过第二级安全密码可得到单个用户油井资料。
2）数据库管理
存储历史数据，并使这些数据在线保留时间约1个月。
通过一个特别菜单和选定的传感器组使远程井口微型计算机初始化。指定无线电中继站（如果
设有中继站的话）；计划数据收集时间和间隔；计划数据记录时间和间隔；密码赋值；
现场操作人员和用户通过一系列菜单和屏幕显示与系统对话。不仅能得到历史数据，而且还可得
到现时数据。
3）用户网络化管理
系统的设计可使现场操作人员和处于远方的矿场经营者能通过一系列菜单显示得到存储在油田总部的数据。
以微机、无线数传为基础的石油天然气行业生产监控系统可大大提高企业经济效益与社会效益，建
议油田尽早立项实施。
功能需求规定
首先给出本方案的顶层数据流图，并描述本系统的功能需求。而后对顶层数据流图进行分析，给出本系统的0层数据流图，并描述0层数据流图上的功能需求。
右图1无线监控系统结构
本系统基于嵌入式处理平台和windows操作系统，
CPU采用TI公司芯片TMS320DSC21。该芯片是TI公司推出的一款基于多处理器架构之上的DSP数字
图像处理器。其采用一个ARM7 32 位 RISC 微控制器来处理非成像功能，并用作整个系统主控制器， 同时采用可编程的 C5409 DSP 核心处理图像解码。另外，DSC21 还集成了专门用于处理大部分复杂计算图像任务的可编程协处理器。其中一个协处理器——图像处理引擎iMX执行 DCT、反向DCT，其它协处理器执行可变长度编码/解码、量化与逆量化。
CDMA无线接收模块接收数据流。图像显示模块将解压后的原始图像在电视或模拟显示屏上显示出
来。存储器模块由FLASH组成。FLASH存储器用来存储程序，是系统独立运行(脱机运行)必不可少组成
部分。存储器用于系统软件的运行以及图像数据的存储。这样可以调用以前的图像数据，用于研究。
调试仿真模块用于调试仿真使用，还可以通过它将图像数据从 SDRAM中导入电脑中。
右图3系统层次结构
系统的设计基于Windows操作系统。
整个系统的层次结构如图3所示。
整个系统以前面介绍的TMS320DSC21硬件平台为基础，针对本系统
硬件需要的主要驱动程序分别是CDMA模块驱动和OSD图像显示驱动。驱动 程序对底层硬件进行抽象，为顶层应用程序提供一致的底层接口。图像数据接收、管理程序作为一个常 驻守护线程一直监控底层CDMA模块的活动，并给上层应用层程序提供相关接口函数。
顶层应用层程序通过图像数据接收、管理服务程序获取从CDMA驱动接收来图像数据，然后调用解
码库对图像进行解压，然后把解压后YUV数据存入SDRAM，然后映射到OSD区域，通过显示屏显示出来。
图像的解码实现
系统控制DSP端进行图象解码，经过预处理、解码、反量化、IDCT 变换这几个主要步骤将图像数
据恢复成压缩编码前的图像数据，然后经过OSD处理最终在显示屏上显示出图像来。
用CDMA模块无线传输图像数据
CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术的分支——扩
频通信技术上发展起来的一种移动通信技术。不同的移动台共用一个频率应用扩频通信技术对每个移动台分配一个独特的、随机的码序列，每个码序列互不相同，而且彼此都不相关。它的容量接近于以前CDMA 1系统容量的两倍，从而能够适应不断成长的语音服务和无线互联网新型服务的需要。其次它的最高下载速度可以达到153kbps(将来可以达到307kbps)，上传速度达64K。这样的速度对于每秒4帧左右的352x288的M-JPEG压缩图像数据的传输已经足够。
为了能在尽量少的数据冗余的情况下，准确无误的传送数据，本系统的底层参考了XMODEM协议。
XMODEM协议是一种使用拨号调制解调器的个人计算机通信中广泛使用的异步文件运输协议。这种
协议以128字节块的形式传输数据，并且每个块都使用一个校验和过程来进行错误检测。如果接收方关 于一个块的校验和与它在发送方的校验和相同时，如果包成功接收，接收方会返回一个肯定应答信号
(ACK)，如果发现错误，则返回一个否定应答信号(NAK)并重新发送数据包。然而，这种对每个块都进行认可的策略将导致低性能，特别是具有很长传播延迟的CDMA连接的情况时，问题更加严重。
本系统的主要数据是图象压缩数据包，结合这个特点，我们在Xmodem的基础上制定了一套相应的
传送协议。只有在数据包有丢失，而且的确影响后面的解码时，才发送重传请求，且只重传相应的包。 如果不影响，则丢弃。这样做能最大限度利用CDMA有限的带宽保证数据的正常传输。
结言
随着油田的发展及工业自动化水平的提高，一种服务于油田采油的新技术展现在了眼前，那就是用
现代通信技术开发的无线数传和现代计算机所组成的系统对采油设备、采油数据的远距离监控与采集。
目前大多由人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据。由于油井数量多且分布范围由
几十至上百平方公里，这种方式必然使工人劳动强度加重，并且影响了设备监控与采油数据的实时性， 甚至准确性。所以油场的自动化、信息化就显得极为突出。
随着计算机技术、通信技术的发展，石油天然气行业生产监控系统也得到了很大发展。
目前的以计算机、无线数传为基础的油田监测和操作系统可大大提高油田生产效率，降低综合成
本，实现油田生产、管理的自动化、信息化。为了达到这个目标，必须开发一个可靠的以微型计算机技术、现代通信技术为基础的油田监测和操作系统；开发新而廉价的油田作业监测方法；远程监控智能管理系统（LMIS）正是在此基础上开发出的一套具有灵活，可靠，操作方便，投资少等特点油田监控管理系统。他比传统监控方式更方便，而且成本低，有着广阔的市场和应用前景。
分为远程现场采集终端和本地监控终端，通过CDMA无线 网络进行传输，如图1所示。现场采集端采集监控现场的视频连续帖并进行编码压缩、加密、保存成文件，然后通过CDMA网络传给本地监控端。监控端接收到图象数据后，进行解 密、解码、优化等一系列处理后在模拟显示器上显示出来。
图像监控终端
监控终端由监控摄像机、镜头、电动云台、防尘罩、红外夜视组成。并且完全按照适应油田恶劣的作业环境目的设计开发的，在把成本控制在最小的基础上保证了能在各种恶劣环境下稳定工作，并获取
高质量图象。
摄像机负责将自然界的色彩、形状等信号转换成电信号以便传输。摄像机成像水平的高低直接决定
了后端显示图像的清晰与否。
镜头配合摄像机使用，在摄像机靶面上成像。其性能指标直接影响成像水平的高低。
电动云台是安装、固定摄像机的支撑设备，电动云台适用于 对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。
右图2系统硬件结构
［摘要］： 上海颐通成功开发出了一套视频转换编解码方案，该方案具有世界领先的技术水平，其融合了多种 图象数字化标准（JPEG标准、动态视频的MPEG1、MPEG2、MPEG3和H.263、H.264等）。该技术在保障了视频质量的同时，大大降低了生产成本，并且通过多重加密技术有效的保障了采集信息的安全。
［关键词］：油井 CDMA 远程图像监控智能管理系统
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
在现有的工业监控系统，常用的信息传输方式有：数字微波、数传电台、有线光纤、有线电缆等，数字微波和数传电台将受到传输距离及频率许可的限制，而有线光纤和有线电缆的网络成本较高，不适
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
合监控环境点非常恶劣，监空点相对分散、传输距离较远的情况下使用。
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
针对监控对象分散、各监控节点间缺乏有机联系、监控信息量相对较少，实时性要求较低等特点，
plcjs.技.术_网
CDMA网络技术提供了一种很好的信息传输方式。
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目前，数字类消费电子产品的需求增长惊人。在这些产品中，成象和视频类产品比重相对较大。并
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且技术积累日益成熟，应用相当广泛。将相关的图象技术应用于生产中将是我们考虑的一个重要方向。 在油田、煤矿、银行、变电站、车站等场所，需要重点考虑视频成象的提取分析要求和信息的安全技术以及控制应用成本，所以应用特殊的数字编解码转化方式成为了一项尤为重要的技术指标。
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上海颐通成功开发出了一套视频转换编解码方案，该方案具有世界领先的技术水平，其融合了多种
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图象数字化标准（JPEG标准、动态视频的MPEG1、MPEG2、MPEG3和H.263、H.264等）。该技术在保障了视频质量的同时，大大降低了生产成本，并且通过多重加密技术有效的保障了采集信息的安全。
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功能分析
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本文主要介绍基于CDMA网络技术的油田图像监控系统（LMIS）
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1）实时监测
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自动收集和认可从远程井口微型计算机传输来的数据，每口井具有其自己的识别特征；
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自动检查错误，如果需要还可重新传输；
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程序通过安全密码可进入计算机系统，通过第二级安全密码可得到单个用户油井资料。
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2）数据库管理
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存储历史数据，并使这些数据在线保留时间约1个月。
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通过一个特别菜单和选定的传感器组使远程井口微型计算机初始化。指定无线电中继站（如果
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设有中继站的话）；计划数据收集时间和间隔；计划数据记录时间和间隔；密码赋值；
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现场操作人员和用户通过一系列菜单和屏幕显示与系统对话。不仅能得到历史数据，而且还可得
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到现时数据。
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3）用户网络化管理
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系统的设计可使现场操作人员和处于远方的矿场经营者能通过一系列菜单显示得到存储在油田总部的数据。
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以微机、无线数传为基础的石油天然气行业生产监控系统可大大提高企业经济效益与社会效益，建
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议油田尽早立项实施。
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功能需求规定
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首先给出本方案的顶层数据流图，并描述本系统的功能需求。而后对顶层数据流图进行分析，给出本系统的0层数据流图，并描述0层数据流图上的功能需求。
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右图1无线监控系统结构
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本系统基于嵌入式处理平台和windows操作系统，
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CPU采用TI公司芯片TMS320DSC21。该芯片是TI公司推出的一款基于多处理器架构之上的DSP数字
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图像处理器。其采用一个ARM7 32 位 RISC 微控制器来处理非成像功能，并用作整个系统主控制器， 同时采用可编程的 C5409 DSP 核心处理图像解码。另外，DSC21 还集成了专门用于处理大部分复杂计算图像任务的可编程协处理器。其中一个协处理器——图像处理引擎iMX执行 DCT、反向DCT，其它协处理器执行可变长度编码/解码、量化与逆量化。
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CDMA无线接收模块接收数据流。图像显示模块将解压后的原始图像在电视或模拟显示屏上显示出
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来。存储器模块由FLASH组成。FLASH存储器用来存储程序，是系统独立运行(脱机运行)必不可少组成
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部分。存储器用于系统软件的运行以及图像数据的存储。这样可以调用以前的图像数据，用于研究。
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调试仿真模块用于调试仿真使用，还可以通过它将图像数据从 SDRAM中导入电脑中。
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右图3系统层次结构
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系统的设计基于Windows操作系统。
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整个系统的层次结构如图3所示。
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硬件需要的主要驱动程序分别是CDMA模块驱动和OSD图像显示驱动。驱动 程序对底层硬件进行抽象，为顶层应用程序提供一致的底层接口。图像数据接收、管理程序作为一个常 驻守护线程一直监控底层CDMA模块的活动，并给上层应用层程序提供相关接口函数。
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顶层应用层程序通过图像数据接收、管理服务程序获取从CDMA驱动接收来图像数据，然后调用解
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图像的解码实现
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系统控制DSP端进行图象解码，经过预处理、解码、反量化、IDCT 变换这几个主要步骤将图像数
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用CDMA模块无线传输图像数据
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为了能在尽量少的数据冗余的情况下，准确无误的传送数据，本系统的底层参考了XMODEM协议。
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XMODEM协议是一种使用拨号调制解调器的个人计算机通信中广泛使用的异步文件运输协议。这种
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协议以128字节块的形式传输数据，并且每个块都使用一个校验和过程来进行错误检测。如果接收方关 于一个块的校验和与它在发送方的校验和相同时，如果包成功接收，接收方会返回一个肯定应答信号
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(ACK)，如果发现错误，则返回一个否定应答信号(NAK)并重新发送数据包。然而，这种对每个块都进行认可的策略将导致低性能，特别是具有很长传播延迟的CDMA连接的情况时，问题更加严重。
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本系统的主要数据是图象压缩数据包，结合这个特点，我们在Xmodem的基础上制定了一套相应的
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传送协议。只有在数据包有丢失，而且的确影响后面的解码时，才发送重传请求，且只重传相应的包。 如果不影响，则丢弃。这样做能最大限度利用CDMA有限的带宽保证数据的正常传输。
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结言
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随着油田的发展及工业自动化水平的提高，一种服务于油田采油的新技术展现在了眼前，那就是用
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现代通信技术开发的无线数传和现代计算机所组成的系统对采油设备、采油数据的远距离监控与采集。
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目前大多由人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据。由于油井数量多且分布范围由
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几十至上百平方公里，这种方式必然使工人劳动强度加重，并且影响了设备监控与采油数据的实时性， 甚至准确性。所以油场的自动化、信息化就显得极为突出。
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随着计算机技术、通信技术的发展，石油天然气行业生产监控系统也得到了很大发展。
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目前的以计算机、无线数传为基础的油田监测和操作系统可大大提高油田生产效率，降低综合成
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本，实现油田生产、管理的自动化、信息化。为了达到这个目标，必须开发一个可靠的以微型计算机技术、现代通信技术为基础的油田监测和操作系统；开发新而廉价的油田作业监测方法；远程监控智能管理系统（LMIS）正是在此基础上开发出的一套具有灵活，可靠，操作方便，投资少等特点油田监控管理系统。他比传统监控方式更方便，而且成本低，有着广阔的市场和应用前景。
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分为远程现场采集终端和本地监控终端，通过CDMA无线 网络进行传输，如图1所示。现场采集端采集监控现场的视频连续帖并进行编码压缩、加密、保存成文件，然后通过CDMA网络传给本地监控端。监控端接收到图象数据后，进行解 密、解码、优化等一系列处理后在模拟显示器上显示出来。
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图像监控终端
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监控终端由监控摄像机、镜头、电动云台、防尘罩、红外夜视组成。并且完全按照适应油田恶劣的作业环境目的设计开发的，在把成本控制在最小的基础上保证了能在各种恶劣环境下稳定工作，并获取
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高质量图象。
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摄像机负责将自然界的色彩、形状等信号转换成电信号以便传输。摄像机成像水平的高低直接决定
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了后端显示图像的清晰与否。
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镜头配合摄像机使用，在摄像机靶面上成像。其性能指标直接影响成像水平的高低。
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电动云台是安装、固定摄像机的支撑设备，电动云台适用于 对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。
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