基于NB-IoT的油气生产智能监控系统
阅读：473发布：2020-05-08
专利汇可以提供基于NB-IoT的油气生产智能监控系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种基于NB-IoT的油气生产智能 监控系统 ，涉及油气监控技术领域。该系统通过油气生产现场的 控制器 每隔一定时间将各类数字化仪表采集到的数据通过先进的NB-IoT无线通信模 块 传送至 云 服务端，传输协议类型采用CoAP，云服务端预先完成profile和编解码 插件 的定义和部署，对NB-IoT 无线通信模块 传输的数据进行解析并保存，上位机的客户端程序再向云端抓取数据，向用户展示油气井属性数据监测值。当监测到的数据出现异常，达到告警值时，管理人员可在上位机端向 主控制器 发出停止工作指令，以云作为中继，通过控制继电器使发 电机 停止工作，从而停止井场磕头机的工作， 力 求油气生产监控过程中的低功耗与高 稳定性 。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是基于NB-IoT的油气生产智能监控系统专利的具体信息内容。
1.一种基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，其特征在于：包括主控制器、数据采集模块、数据传输模块、云服务器及上位机；
所述主控制器控制数据采集模块采集油气井属性数据，并将采集的数据通过数据传输模块传输到云平台；并且接受上位机向主控制器发出的指令，停止油气井场发电机的工作从而停止磕头机的工作；所述油气井属性数据包括油气井井底液温、水压及油气井出水量三个属性；
所述数据采集模块包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；所述温度传感器采集油气井井底的液温；所述压力传感器采集油气井井底的水压；所述流量传感器采集油气井的出水量；
所述数据传输模块采用NB-IoT无线通信模块利用现有运营商的NB-IoT基站或自己部署的NB-IoT基站将数据采集模块采集的数据传输至云服务器；
所述上位机从云服务器获取油气井属性数据，并对实时油气井数据或历史数据进行查询，当监测到三个油气井属性数据中任一数据值超过阈值时，上位机发出告警，管理员通过上位机向主控制器发出停止发电机工作指令，主控制器停止油气井场发电机的工作从而停止磕头机的工作。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，其特征在于：所述主控制器采用型号为STM32L431RCT6的微处理器。
3.根据权利要求2所述的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，其特征在于：所述温度传感器采用型号为SHT20的数字温湿度传感器采集数据；SHT20与STM32L431RCT6微处理器的PB6、PB7管脚连接，I2C驱动。
4.根据权利要求2所述的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，其特征在于：所述压力传感器采用型号为SIN-P300的压力变送器采集油气井井底压力数据；所述SIN-P300压力变送器通过两条电源线与DC24V供电电源连接，压力变送器的两条RS485通讯线分别与RS485转TTL模块的A+，B-引脚相连接，RS485转TTL模块的TXD引脚与微处理器的PC5管脚连接，RS485转TTL模块的RXD引脚与微处理器的PC4管脚连接。
5.根据权利要求2所述的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，其特征在于：所述流量传感器采用电磁流量计采集油气井出水量；所述电磁流量计通过两条电源线与220V供电电源连接，流量传感器的两条RS485通讯线分别与RS485转TTL模块的A+，B-引脚相连接，RS485转TTL模块的TXD引脚与微处理器的PA10管脚连接，RS485转TTL模块的RXD引脚与微处理器的PA9管脚连接。
6.根据权利要求2所述的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，其特征在于：所述STM32L431RCT6微处理器通过PA2管脚和PA3管脚与NB-IoT无线通信模块连接，具体连接方式为：微处理器的PA2引脚通过1K电阻与BC35模块的29号引脚相连，微处理器的PA3引脚通过1K电阻与BC35模块的30号引脚相连；NB-IoT无线通信模块采用CoAP协议进行数据传输。
基于NB-IoT的油气生产智能监控系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及油气监控技术领域，尤其涉及一种基于NB-IoT的油气生产智能监控系统。
背景技术
[0002] 煤层气井资源丰富，这些煤层气井的重要参数(如井下压力、井口压力、管压、套压、出水量、井下温度、井口温度以及发电机电压电流等)目前都是通过基于GPRS/GSM通信协议进行数据传送的，这样的通信网络功耗大、成本高、接入量小、信号差，且依赖于移动公司，特别是在一些产能低下、利润不高的项目部，由于这样的通信网络的高成本，以上这些数据均需要人去采集、巡井、抄表，尤其在天气环境恶劣的条件下，巡井工作变得更加困难，而且人力成本十分高昂。
[0003] NB-IoT技术全称为窄带物联网(Narrow Band Intemet ofThings，NB-IoT)，最早在2014年提出，正成为物联网领域的一种新兴的发展趋势。由于其部署成本低，并且只消耗大约180KHz的带宽，所以可以直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，实现现有网络的平滑升级。同时其具有低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势。实用新型内容
[0004] 本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，实现对油气生产过程的智能监控。
[0006] 所述主控制器控制数据采集模块采集油气井属性数据，将采集的数据通过数据传输模块传输到云平台；并且接受上位机向主控制器发出的指令，停止油气井场发电机的工作从而停止磕头机的工作；所述油气井属性数据包括油气井井底液温、水压及油气井出水量三个属性；
[0008] 所述数据传输模块采用NB-IoT无线通信模块利用现有运营商的NB-IoT基站或自己部署的NB-IoT基站将数据采集模块采集的数据传输至云服务器；
[0009] 所述云服务器首先进行profile定义，将油气井井底液温、水压及油气井出水量这三个属性添加到属性列表中，同时，将控制发电机是否工作的下发命令字段添加到命令列表中；然后，通过编解码插件开发建立一个消息类型为命令下发的消息及三个消息类型为数据上报的消息；消息建立完成后，分别将这四个消息与三个在profile中定义的油气属性和一个在profile中定义的下发命令字段进行绑定；最后云服务器对接收的数据进行解析，从中提取出油气井井底液温、水压及油气井出水量三个油气属性数据；
[0010] 所述上位机从云服务器获取油气井属性数据，并对实时油气井数据或历史数据进行查询，当监测到三个油气井属性数据中任一数据值超过阈值时，上位机发出告警，管理员通过上位机向主控制器发出停止发电机工作指令，主控制器停止油气井场发电机的工作从而停止磕头机的工作。
[0011] 优选地，所述主控制器采用型号为STM32L431RCT6的微处理器。
[0012] 优选地，所述温度传感器采用型号为SHT20的数字温湿度传感器采集数据；SHT20与STM32L431RCT6微处理器的PB6、PB7管脚连接，I2C驱动。
[0013] 优选地，所述压力传感器采用型号为SIN-P300的压力变送器采集油气井井底压力数据；所述SIN-P300压力变送器通过两条电源线与DC24V供电电源连接，压力变送器的两条RS485通讯线分别与RS485转TTL模块的A+，B-引脚相连接，RS485转TTL模块的TXD引脚与微处理器的PC5管脚连接，RS485转TTL模块的RXD引脚与微处理器的PC4管脚连接。
[0014] 优选地，所述流量传感器采用电磁流量计采集油气井出水量；所述电磁流量计通过两条电源线与220V供电电源连接，流量传感器的两条RS485通讯线分别与RS485转TTL模块的A+，B-引脚相连接，RS485转TTL模块的TXD引脚与微处理器的PA10管脚连接，RS485转TTL模块的RXD引脚与微处理器的PA9管脚连接。
[0015] 优选地，所述STM32L431RCT6微处理器通过PA2管脚和PA3管脚与NB-IoT无线通信模块连接，具体连接方式为：微处理器的PA2引脚通过1K电阻与BC35模块的29号引脚相连，微处理器的PA3引脚通过1K电阻与BC35模块的30号引脚相连；NB-IoT无线通信模块采用CoAP协议进行数据传输。
[0016] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型提供的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统：
[0017] (1)低功耗：油气生产监控过程中的低功耗性，NB-IoT数据传输模块的待机时间可长达10年，尤其是对于在高山荒野偏远地区的传感监测设备，低功耗是最本质的要求，长达几年的电池使用寿命会为油气生产监测过程带来极大的便捷，而GPRS都是外供电，没有电池模式，与GSM一样非常耗电；
[0018] (2)广覆盖性：NB-IoT基站具有有覆盖广、连接多、速率低等特点，特别适合在山区油井等设备分散、物理环境恶劣的场景使用。NB-IoT比GPRS覆盖增强20dB+，整个系统建成后，覆盖范围可进一步扩大，GPRS是中国移动的网络，但是随着5G网络的铺开，2G网络会慢慢停用，而且2G网络在油田(盆地戈壁，沙漠，黄土高原，偏远山区)覆盖率不高，特别地，NB-loT也可以根据自己需要部署，而不一定依赖移动公司；
[0019] (3)低成本：NB-IoT芯片的成本非常低，并具有向1美金以下发展的趋势，而且NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的；
[0020] (4)实时向用户展示油气井井底液温、水压及油气井出水量等数据，监测到数据异常时进行告警，管理员可直接在上位机向井场发送指令，停止磕头机的工作，保护生产安全。
[0023] 图2为本实用新型实施例提供的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统的总体架构图；
[0024] 图3为本实用新型实施例提供的STM32L431RCT6微处理器与SHT20的电路连接图；
[0025] 图4为本实用新型实施例提供的STM32L431RCT6微处理器与压力传感器的电路连接图；
[0026] 图5为本实用新型实施例提供的STM32L431RCT6微处理器与流量传感器的电路连接图；
[0027] 图6为本实用新型实施例提供的基于NB-IoT的油气生产智能监控方法的流程图；
[0028] 图7为本实用新型实施例提供的NB-IoT无线通信模块采用CoAP协议将数据采集模块采集的数据传输到云服务器的流程图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0030] 本实施例中，采用本实用新型的基于NB-IoT的油气生产智能监控系统及方法对某煤层气井进行智能监控。
[0031] 本实施例中，基于NB-IoT的油气生产智能监控系统，如图1和2所示，包括主控制器、数据采集模块、数据传输模块、云服务器及上位机；
[0032] 所述主控制器用于控制数据采集模块采集油气井属性数据，并将采集的数据通过数据传输模块传输到云平台；并且接受上位机向主控制器发出的指令，停止油气井场发电机的工作从而停止磕头机的工作；所述油气井属性数据包括油气井井底液温、水压及油气井出水量三个属性；
[0033] 所述数据采集模块包括温度传感器、压力传感器和流量传感器；所述温度传感器用于采集油气井井底的液温；所述压力传感器用于采集油气井井底的水压；所述流量传感器用于采集油气井的出水量；
[0034] 所述数据传输模块采用NB-IoT无线通信模块利用现有运营商的NB-IoT基站或自己部署的NB-IoT基站将数据采集模块采集的数据传输至云服务器；
[0035] 所述云服务器首先进行profile定义，将油气井井底液温、水压及油气井出水量这三个属性添加到属性列表中，同时，将控制发电机是否工作的下发命令字段添加到命令列表中；然后，通过编解码插件开发建立一个消息类型为命令下发的消息及三个消息类型为数据上报的消息；消息建立完成后，分别将这四个消息与三个在profile中定义的油气属性和一个在profile中定义的下发命令字段进行绑定；最后云服务器对接收的数据进行解析，从中提取出油气井井底液温、水压及油气井出水量三个油气属性数据；
[0036] 所述上位机从云服务器获取油气井属性数据，并对实时油气井数据或历史数据进行查询，当监测到三个油气井属性数据中任一数据值超过阈值时，上位机发出告警，管理员通过上位机向主控制器发出停止发电机工作指令，主控制器停止油气井场发电机的工作从而停止磕头机的工作。
[0037] 所述主控制器采用型号为STM32L431RCT6的微处理器。
[0038] 所述温度传感器采用型号为SHT20的数字温湿度传感器采集数据；SHT20与STM32L431RCT6微处理器的PB6、PB7管脚连接，12C驱动，如图3所示。
[0040] 表1 SHT20接口定义
[0041]引脚 名称 含义
1 SDA 串行数据，双向
2 VSS 地
5 VDD 供电电压
6 SCL 串行时钟，双向
3，4 NC 不连接
1 SDA 串行数据，双向
2 VSS 地
5 VDD 供电电压
6 SCL 串行时钟，双向
3，4 NC 不连接
[0042] 将SHT20模块1号引脚(即SDA)与STM32L431RCT6的PB7管脚(即12C1_SDA)相连接，此引脚用于控制传感器的数据输入和输出，当微处理器向SHT20模块发送命令时，SCL由低电平跳变为高电平时，SDA有效，并且需保证SCL为高电平期间，SDA的电平的高低保持不变，在SCL变为低电平以后，才可以对SDA的值进行修改；当微处理器从SHT20模块中读数据时，SDA在SCL变低电平以后有效，且维持到下一个SCL的下降沿；6号引脚与STM32L431RCT6微处理器的PB6管脚(12C1_SCL)相连接，用于保证微处理器与SHT20之间的通讯同步；SHT20的1号管脚引脚和6号管脚引脚均需要通过跨接一4.7K的电阻上拉。
[0043] 所述压力传感器采用型号为SIN-P300的压力变送器采集油气井井底压力数据；所述SIN-P300压力变送器，如图4所示，通过两条电源线与DC24V供电电源连接，压力变送器的两条RS485通讯线分别与RS485转TTL模块的A+，B-引脚相连接，RS485转TTL模块的TXD引脚与微处理器的PCS管脚连接，RS485转TTL模块的RXD引脚与微处理器的PC4管脚连接。
[0044] 所述流量传感器采用电磁流量计采集油气井出水量；所述电磁流量计，如图5所示，通过两条电源线与220V供电电源连接，流量传感器的两条RS485通讯线分别与RS485转TTL模块的A+，B-引脚相连接，RS485转TTL模块的TXD引脚与微处理器的PA10管脚连接，RS485转TTL模块的RXD引脚与微处理器的PA9管脚连接。
[0045] 本实施例中，SIN-P300型压力变送器波特率设置为9600，无校验位，数据保留小数点后一位，压力变送器的发送周期是500毫秒。SIN_P300型压力变送器的通信协议遵守MODBUS-RTU通信规约，并且此压力变送器出厂时设置地址为01，本实施例不做改动，直接采用出厂值。微处理器向压力变送器发送读仪表地址命令，即01 03 00 00 00 01 84 0A(16进制)，其中，01代表仪表地址，03代表读命令，00 00代表仪表通讯地址(寄存器地址)，01表示读一个参数，840A是CRC16效验码。发送完读仪表地址命令后，压力变送器直接返回监测到的数据。流量传感器采用电磁流量计，开机后在流量计的显示屏上设置流量计的地址为02，波特率9600，无校验位，数据保留小数点后一位，电磁流量计的发送周期可调，本实施例设置为500毫秒。
[0046] 所述STM32L431RCT6微处理器通过PA2管脚和PA3管脚与NB-IoT无线通信模块连接，本实施例中，NB-IoT无线通信模块采用BC35模块，STM32L431RCT6微处理器与BC35模块的具体连接方式为：微处理器的PA2引脚通过1K电阻与BC35模块的29号引脚相连，微处理器的PA3引脚通过1K电阻与BC35模块的30号引脚相连；NB-IoT无线通信模块采用CoAP协议进行数据传输。
[0047] 本实施例中，基于NB-IoT的油气生产智能监控系统的监控方法，如图6所示，包括以下步骤：
[0048] 步骤1、主控制器向数据采集模块发出数据采集指令，数据采集模块通过温度传感器、压力传感器和流量传感器周期性采集油气井井底液温、水压和油气井出水量三个油气井属性数据；
[0049] 步骤2、主控制器向数据传输模块发送指令，获取NB-IoT基站信号强度并选择运营网进行注册及配置和查询CDP服务器的服务器IP地址和端口，若NB-IoT基站信号强度符合传输要求，则数据传输模块采用CoAP协议将数据采集模块采集的数据传输到云服务器；
[0050] 所述主控制器向数据传输模块发送指令具体包括：
[0051] ①AT：返回OK，说明响应正常；
[0052] ②AT+NRB：让数据传输模块进行软复位动作；
[0053] ③AT+CMEE＝1：打开错误报告，方便数据传输模块运行出错时定位问题；
[0054] ④AT+NBAND：获取数据传输模块支持的频段；
[0055] ⑤AT+CIMI：获取SIM卡卡号；
[0056] ⑥AT+CGATT＝1；
[0057] ⑦AT+CSQ：获取NB-IoT基站信号强度；
[0058] ⑧AT+CEREG：查看注册的网络状态，若返回1则代表注册网络成功；
[0059] ⑨AT+COPS：选择运营网络并进行注册；
[0060] ⑩AT+CGATT？：查看附着网络状态；
[0061] AT+CSCON？：获取信令连接状态；
[0062] AT+NCDP＝COAP_IP：CoAP网络连接指令，配置和查询CDP服务器的服务器IP地址和端口；
[0063] 本实施例中，COAP_IP是定义的云平台的IP地址的宏，本实施例中COAP_IP为49.4.85.232。
[0064] 以上指令全部正常执行完毕后，NB-IoT无线通信模块注网成功，此过程在每次NB-IoT模块上电后均需等待5至20秒的时间。
[0065] 每次数据采集完成后(本实施例中，间隔为10s一次)，微处理器向NB-IoT无线通信模块发送指令获取信号强度(通过NB-IoT无线通信模块的AT指令实现，具体为AT+CSQ)，若信号强度符合传输要求，则NB-IoT无线通信模块采用CoAP协议将数据采集模块采集的数据传输到云服务器，具体工作流程如图7所示。
[0066] 步骤3、云服务器进行profile定义及编解码插件开发建立消息，并将建立的消息与profile中定义的油气属性进行绑定后，对接收的数据进行解析，从中提取出油气井井底液温、水压及油气井出水量三个油气井属性数据；
[0067] 步骤3.1、在云服务器进行profile定义，将油气井井底液温、水压及出水量这三个属性添加到属性列表中，同时，将控制发电机是否工作的下发命令字段添加到命令列表中；
[0068] 步骤3.2、通过编解码插件开发建立一个消息类型为命令下发的消息及三个消息类型为数据上报的消息；消息建立完成后，分别将这四个消息与三个在profile中定义的油气属性和一个在profile中定义的下发命令字段进行绑定后进行保存；
[0069] 步骤3.3、云服务器对接收的数据进行解析，从中提取出油气井井底液温、水压及油气井出水量三个油气属性数据；
[0070] 步骤4、上位机从云服务器获取油气属性数据，并对油气井属性实时数据或历史数据进行查询，当监测到油气井属性数据中任一数据值超过阈值时，上位机发出告警，进而使管理员通过上位机向主控制器发出停止发电机工作指令，主控制器停止油气井场发电机的工作从而停止磕头机的工作。
[0071] 本实施例中，云服务器采用某公司的云平台OceanConnect，其配置过程为：
[0072] (1)在云平台中新建项目，命名为OilProductionMonitoring；
[0073] (2)在产品开发界面中自定义产品，设置产品信息，其中接入应用层协议类型为CoAP，数据格式为二进制码流，产品名称设置为OilParamet，自定义设备类型为IndustrialType；
[0074] (3)进行Profile定义：新建服务，服务名称OilProductionMonitoring，新增一个名称为Temperature的属性表示液温，数据类型为decimal，最小值0，最大值100，访问模式为RWE(可读、可写、写入后可上报数据)。同样，分别新增名称为Pressure、FlowRate的压力和出水量的属性，用于监测液压和出水量，设置方法与液温相同。同时设置命令下发字段，用于控制继电器的闭合或断开，继电器用来控制发电机或柴油机是否工作，从而控制磕头机的工作状态(工作或停止)，其数据类型为string，枚举值为ON(表示磕头机工作)和OFF(表示磕头机停止工作)。这样，管理员在上位机端发送OFF指令时，现场磕头机即可停止工作，保护井场安全；
[0075] (4)进行编解码插件开发：新增消息，消息名称为OilProductionMonitoring，消息类型为数据上报，添加液温、液压、出水量三个字段，名称分别为Temperature、Pressure、FlowRate，数据类型为string，长度均为4，所以温度偏移值为1-4，压力偏移值为5-8，出水量偏移值为9-12，这样做的意义在于向云端发送一串长度为12的数据时，云端能够对这串数据进行解析，从中提取出液温、液压、出水量这三个油气井属性。同时，建立一个消息类型为命令下发的消息，数据类型为string。消息建立完成后，分别将这四个消息与在profile中定义的三个煤层气井属性和一个命令下发字段进行绑定；最后进行保存和部署；
[0076] (5)进行设备注册：在设备管理中输入设备名称和IMEI号新增设备。
[0077] (6)进行设备调测：NB-IoT无线通信模块每隔10秒向云平台进行数据上传，通过查看设备历史记录检查数据上传是否正常。
[0078] 本实施例中，将通过NB-IoT无线通信模块发送给某云平台的煤层气井属性数据获取下来，在上位机上进行显示；上位机作为客户端内置程序执行以下功能：首先进入登录界面，输入用户名与密码，然后进入主页，点击连接云平台后，系统自动配置云平台的参数，例如平台ID，平台秘钥，端口号等参数。参数配置正确以后就可以进入界面进行煤层气井属性实时数据的查询，历史数据的查询，当监测数值超过阈值时，上位机端发出告警，管理员向煤层气井场的微控制器发出停止发电机工作的指令，停止发电机的工作从而停止磕头机的工作。
[0079] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：
其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。
其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。
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