CN103473913A - 一种智能采油系统使用的数据无线传输方法 - Google Patents

Abstract

一种智能采油系统使用的数据无线传输方法，属于智能采油系统技术领域，其特征在于：油井的生产数据通过下位机的数据文件创建模块将数据组装成数据文件，数据文件加密模块使用3重DES加密算法对数据文件进行加密处理，数据文件压缩模块使用DEFLATE压缩算法对数据文件进行无损压缩处理，通过井下GPRS模块将加密和压缩后的数据文件发送到GPRS网络中，监控中心的GPRS接收模块接收数据文件，上位机的数据文件解压缩模块使用相应的DEFLATE解压缩算法对数据文件进行解压缩处理，数据文件解密模块使用相应的3重DES解密算法对数据文件进行解密处理，数据文件解析模块对数据文件进行解析还原油井生产数据，本发明能够使得油井生产数据高效安全地传送到监控中心。

Description

一种智能采油系统使用的数据无线传输方法

技术领域

本发明涉及智能采油系统中数据的无线传输，数据压缩和解压缩，加密和解密以及GPRS网络传输等相关技术领域。

背景技术

目前，随着油田智能化的发展，为了减少采油过程中的成本，减少由于油井安全事故带来的生命财产损失，越来越多的油田向智能化方向转变，其中，油井生产数据的获取环节更趋于智能化处理。油井生产数据不再是人工采集与记录，更多的是采取一种自动化采集和传输。在确保油产量的前提下，油井数据的传输显得十分重要，油井工人通过网络来获取油井生产数据，对油井生产数据进行分析从而制定相关策略来提高油田管理的效率。

智能采油系统则可以实现这些要求，其中系统的数据传输部分则需要通过在油田组建网络来实现。现有的组网形式从网络传输介质上主要可以分为有线和无线两种组网方式。在一般的工业控制组网中，主要是采取有线组网方式。由于线缆较为便宜，组网技术成熟，因此有线组网方式得到人们的亲睐。但是油田地理环境较为复杂，不易铺设线缆且铺设线缆的费用昂贵，选择无线网络传输数据则是一种既经济实惠，又方便有效的通信方式。

在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：油田自然环境的复杂，根据实际的应用需求，油田组网选择以GPRS网作为油田数据传输的网络来实现油井下位机（安装在油井上的智能控制机柜，内部运行智能采油程序）与上位机（监控中心）相互通信，提供了一中基于GPRS网的数据无线传输方法满足油田生产数据传输的需求。

发明内容

本发明的目的在于：克服油田恶劣的自然环境条件，使油井生产数据的获取不再需要油井工人去油井上记录和采集，可有效避免安全事故的发生，降低油田管理的成本，提高油田管理的工作效率。

本发明的特征在于：它是一种由内部运行智能采油程序且安装在井下的下位机、通用分组无线传输网GPRS和安装在地面监控中心内的上位机共同组成的智能采油系统用到的数据无线传输方法。

本发明的效果在于：能够高效安全地将油井实时生产数据发送到监控中心以供用户查询油井生产数据和分析油井运行状况，也可以为油田发展制定策略提供最实际的数据信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为数据无线传输的主程序流程框图。

图2为下位机数据文件创建模块流程图。

图3为下位机数据加密模块流程图。

图4为下位机数据压缩模块流程图。

图5为下位机与上位机多对多通信结构示意图。

图6为下位机数据文件GPRS发送模块流程图。

图7为下位机数据文件发送的文件信息帧结构示意图。

图8为下位机数据文件发送的文件数据帧结构示意图。

图9为上位机数据文件GPRS接收模块流程图。

图10为上位机数据文件解压缩模块流程图。

图11为上位机数据文件解密模块流程图。

图12为上位机数据文件解析模块流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种智能采油系统中数据的无线传输方法，能够对油井生产数据进行高效安全的传输。本发明实施例还提供相应的处理步骤.。以下分别进行详细说明。

一、数据文件创建

首先是数据文件创建过程，下位机智能采油系统通过传感器获取油井数据，包括变频器信息（如频率，变频器状态，电流和功率等），中频器信息（如频率，中频器状态，电流和功率等），生产数据（如生产日期，今日累计生产时间，日液，日油，含水量，温度，动液面，杆电流，油压，套压，回压，冲程，冲次和上下行电流等），图形信息（如功图（包括载荷，位移和时间），动态控制图（包括最大流压，最大、小含水率，最高、低温度，最大、小泵深等），动态平衡图（包括位移和电流）和动态液面图（时间和液面高度等）），报警信息（如报警时间，警报等级，警报内容，负责人，建议和触发器等），这些数据经过系统处理将被存入数据库中，我们使用数据文件创建模块将数据从数据库读取出来，然后按照XML数据格式写入文件，即生成数据文。根据生成文件的时间，将文件名设定为：杜

xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml。这个文件名的格式包括以下信息：其中，杜xx-xx-xx表示油井编号，YYYYMMDDHHMMSS表示文件创建的时间xml是文件后缀名，本系统使用XML数据格式作为文件数据的组织格式。数据文件创建具体流程参见附图2.

数据文件创建具体过程如下：

步骤1：获取数据文件名杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml，并创建文件；

步骤2：创建一个根元素root；

步骤3：读取数据库的表，如变频器信息表等与需要传输的数据相关的表；

步骤4：将每个表作为根元素root下面的一级子元素，如FC子元素，如果表中只有一条记录，则将表中记录的每个字段作为一级子元素下的二级子元素，如frequency；如果表中有多条记录，则将每一条记录作为一级子元素下的二级子元素，再将每条记录的字段作为二级子元素下的三级子元素。如果还有表没有处理完毕，继续执行步骤3，直到所有需要传输的数据表都处理完毕；

步骤5：关闭文件。

二、数据文件加密

这个数据文件处理的过程主要是考虑到数据信息安全的问题，由于油田对于数据的安全要求较高，所以需要对这些传输的数据文件进行加密操作，本系统采取开源的3重DES数据加密算法对数据文件进行加密，这使得在传输过程中能一定程度上保障数据传输安全，具体流程参见附图3.

具体加密过程如下：

步骤1：输入被加密的文件：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml；

步骤2：调用3重DES数据加密算法，加密数据文件；

步骤3：输出加密后的数据文件：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml.enc。

三、数据文件压缩

这个数据文件处理过程主要是考虑数据文件的数据量问题，因为数据传输依托的是GPRS网络，它以一种按流量计费的形式来收取使用费用，如果系统传输数据采取无压缩传输，由于数据文件的数据量较大，那么数据传输这部分费用将会比较高，所以需要对数据文件进行压缩，而且需要对数据文件进行无损压缩。本系统采用一种开源的使用DEFLATE无损数据压缩算法的zlib库对数据文件进行无损压缩，压缩后的结果能够达到4倍以上的压缩比，能使在网络上传输的数据量降低，同时也能使数据传输的费用降低，具体流程参见附图4.

数据文件压缩具体过程如下：

步骤1：输入被压缩的文件:杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml.enc；

步骤2：调用使用DEFLATE算法的zlib库对数据文件进行压缩；

步骤3：输出压缩后的数据文件：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml.enc.zlb。

四、数据传输

智能采油系统的数据传输部分已经实现了下位机与上位机多对多通信，下位机端通过串口将数据文件传送到GPRS模块，一个完整的数据文件，被切分为一些数据帧，在传输数据的过程中，每个数据帧都保存着上位机的地址信息，能够指定数据帧传输的目的地址，下位机GPRS发送模块将数据帧发送到GPRS网络中，数据帧经过GPRS网络，到达上位机端的GPRS接收模块，每个数据帧通过与GPRS相连的串口传送到上位机,上位机通过目的地址判断该数据帧是否应该被接收处理。具体流程参见附图5.

下位机端：发送

本系统采用GPRS网络作为传输网络，利用GPRS模块进行有格式传输，能够稳定的将数据传输到指定的GPRS模块对应的上位机端，具体流程参见附图6.

具体发送端操作如下：

步骤1：设置要传输文件的文件名：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml.enc.zlb；

步骤2：打开文件，获取文件相关状态信息，包括文件名长度和文件大小；

步骤3：发送文件信息帧；

设定要发送的文件信息帧包括两个部分：帧头部分和帧数据部分，其中帧头部分包含6个字节的数据：数据标识（2字节），目的地址（2字节），帧数据部分长度（2字节）；而帧数据部分包括：帧类型标识（1字节），文件名长度（1字节），文件名（根据具体文件名长度确定），文件大小（2字节）。其中，帧头部分的前两个字节是GPRS模块的格式传输所必需的数据标识字节，帧头部分的中间两个字节表示帧发送的目的地址，它使用GPRS模块所提供的地址信息，这个地址需要自己设置，帧头部分的最后两个字节表示帧数据部分的字节数；数据部分开始的第一个字节是帧类型标识，表示这是一个文件信息帧，然后是用一个字节表示的文件名长度，最大可以表示255个字节长度的文件名，之后是文件名，最后的2个字节表示将要传输的整个数据文件的大小，最大可以达到216-1个字节。文件信息帧格式具体参见附图7.

步骤4：发送文件数据帧；

设定要发送的文件数据帧的格式是：帧头部分和帧数据部分，其中头部分包含6个字节的数据：数据标识（2字节），目的地址（2字节）；帧数据部分的长度（2字节）；而帧数据部分包括：帧类型标识（1字节），文件数据（最大254字节）。其中，帧头部分的前两个字节是GPRS模块的格式传输所必需的标识字节，头部分的中间两个字节表示数据文件发送的目的地址，它使用GPRS模块所提供的地址信息，这个地址需要自己设置，头部分的最后两个字节表示这个数据帧数据部分的字节数；数据部分开始的第一个字节是帧类型标识，表示这是一个文件数据帧，之后是需要传输的具体文件的数据，文件数据帧格式具体参见图8.

步骤5：如果文件数据还没有发送完毕，执行步骤4直到所有的数据都完成发送，即完成文件传输；

步骤6：关闭数据文件。

上位机端：接收

本系统接收来自GPRS网络的数据帧，然后对数据帧进行解析，获取下位机传输的数据文件，具体流程参附图9.

步骤1：解析文件信息帧；

首先，解析帧头部分。根据接收到的文件信息帧，首先解析帧头部分信息。数据帧头共有六个字节的信息，前面两个字节是数据标识，中间两个字节表示下位机GPRS模块的地址，头部分最后2个字节表示帧数据部分的长度。

其次，解析帧数据部分。首先，解析数据部分的第1个字节是帧类型标识。第2个字节表示的是文件名长度，获取到这个值，然后读取从下一个字节开始直到文件名长度截止的数据作为文件名，末尾两个字节表示将要接收的文件数据总大小。即完成对文件信息帧的解析。步骤2：解析文件数据帧

首先，解析帧头部分，根据接收到的数据帧，首先解析数据帧的头部信息。数据帧头共有六个字节的信息，前面两个字节是固定数据标识，中间两个字节表示下位机GPRS模块的地址，头部分最后2个字节表示帧数据部分的长度。

其次，解析帧数据部分。首先解析第1个字节是帧类型标识，从第2个字节开始一直到最后是文件的数据，将解析出来的文件数据保存到文件中。

步骤3：如果文件接收没有结束，则执行步骤2继续进行文件数据帧的解析，直到下位机没有数据传送过来，即文件数据接收完毕。

上位机接收到下位机发送过来的经过加密和压缩的数据文件，需要进行其逆过程来获取数据信息，其逆过程包括解压缩，解密和解析数据文件。

五、数据文件解压缩

将接收的数据文件输入到解压缩模块中，现在需要对其进行解压缩，生成解压缩文件。本系统使用与压缩对应的使用DEFLATE无损数据解压缩算法的zlib库对文件进行解压，具体流程参见附图10.

数据文件解压具体过程如下：

步骤1：输入接收到的压缩文件：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml.enc.zlb；

步骤2：调用DEFLATE解压缩算法，解压缩文件；

步骤3：输出解压缩后的文件：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml.enc。

六、数据文件解密

将解压缩后的数据文件输入到解密模块中，对其进行解密操作。本系统使用开源的与加密对应的3重DES解密算法对数据文件进行解密，具体流程参见附图11.

数据文件解密具体过程如下：

步骤1：输入被解密的文件：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml.enc；

步骤2：调用3重DES解密算法，解密数据文件；

步骤3：输出解密后的文件：杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml。

七、数据文件解析

本过程主要是将真实有效的数据进行解析出来存入上位机的数据库以供客户进行查寻和分析。本过程使用DOM解析XML文件的方法，将XML文件的每一个子元素都解析出来，然后存入到上位机相应的数据库表中。具体流程参见附图12.

数据文件解析具体过程如下：

步骤1：打开待解析数据文件杜xx-xx-xx_YYYYMMDDHHMMSS.xml；

步骤2：解析XML文件根元素root；

步骤3：解析XML文件根元素下的一级子元素，如FC子元素，如果只有二级子元素则解析二级子元素，如frequency子元素等，如果还包含三级子元素，则以此类推对第三级子元素进行解析；

步骤4：将解析出来的数据存入数据库相应的表中；

步骤5：如果XML下仍有一级子元素待解析，则执行步骤3直到所有一级子元素都解析完毕，即完成对数据文件的解析；

步骤6：关闭文件。

需要说明的是，上述系统内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序完成，该程序一部分位于上位机系统中，一部分位于下位机系统中。

以上对本发明实施例所提供的一种智能采油系统中的数据无线传输方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种智能采油系统使用的数据无线传输方法，其特征在于：它是一种由内部运行智能采油程序且安装在井下的下位机、通用分组无线传输(GPRS)网和安装在地面监控中心内的上位机共同组成的智能采油系统用的数据无线传输方法，依次按以下步骤实现：

步骤1，构建所述的系统

下位机安装有：数据文件创建模块、数据文件加密模块、数据文件压缩模块以及井下GPRS发送模块，其中：

数据文件创建模块，通过各类传感器获取油井数据，其中包括：变频器信息、中频器信息、生产数据，也包括功图、动态控制图、动态平衡图和动态液面图在内的图形信息，还包括报警信息并以表的形式存入数据库中，依次按以下步骤形成数据文件：从数据库各类表中读取数据，按照XML数据格式形成数据文件，其中文件名包括：油井编号、文件创建时间以及文件的后缀名xml，按以下步骤创建所述文件的数据：把每个表作为根元素下的一级子元素，表中的各条记录作为二级子元素，每条记录中的字段作为三级子元素，若所述数据表只有一条记录，则直接把记录中的字段作为二级子元素，直到处理完所有需要传输的数据表为止，关闭文件；

数据文件加密模块，依次执行以下步骤：输入需要加密的所述数据文件，用开源的3重DES数据加密算法加密数据文件，输出加密后的数据文件；

数据文件压缩模块，依次执行以下步骤：输入加密后的所述数据文件，用开源的使用DEFLATE无损压缩算法的zlib库对数据文件进行无损压缩并输出压缩后的数据文件；

井下GPRS发送模块，从所述下位机串口相连的GPRS模块发送经过加密、无损压缩后的所述数据文件，到所述的GPRS网中，步骤如下：设置要发送的所述的数据文件名，打开文件，获取文件名、文件名的长度和文件大小；构建并发送文件信息帧，其中帧头部分依次包括：2字节的数据标识、2字节的目的地址以及2字节的帧数据部分长度，帧数据部分依次包括：1字节的帧类型标识、1字节的文件名长度、若干字节的文件名以及2字节的文件大小；从所述数据文件构建文件数据帧并发送，其中帧头部分依次包括：2字节的数据标识、2字节的目的地址以及2字节的帧数据部分长度，帧数据部分依次包括：1字节的帧类型标识和若干字节的文件数据，除了帧类型标识外，其余部分不超过254字节，在发送完所有的文件数据之后，关闭数据文件；

上位机安装有：监控中心GPRS接收模块、数据文件解压缩模块、数据文件解密模块以及数据文件解析模块，其中：

井上GPRS模块，接收来自所述GPRS网的所述数据帧，依次执行以下步骤：解析文件信息帧，依次按以下步骤解析文件信息帧，解析帧头部分：帧头部分共有六个字节的信息，前面两个字节是数据标识，中间两个字节表示GPRS模块的地址，头部分最后两个字节表示帧数据部分的长度；解析帧数据部分：第1个字节是帧类型标识，第2个字节是文件名长度，获取到这个值，然后读取从下一个字节开始直到文件名长度截止的数据作为文件名，末尾两个字节是文件大小，即完成对文件信息帧的解析；解析文件数据帧，解析帧头部分：帧头部分共有六个字节的信息，前面两个字节是数据标识，中间两个字节表示GPRS模块的地址，最后2个字节表示帧数据部分的长度；解析帧数据部分：第1个字节是帧类型标识，从第2个字节开始一直到最后是文件的数据，将解析出来的文件数据保存到文件中，即完成对文件数据帧的解析；重复解析收到的文件数据帧，直到所有文件数据帧解析完毕，组成完整的加密压缩数据文件；

数据文件解压缩模块，对输入的加密压缩数据文件，用相应的使用DEFLATE解压缩算法的zlib库解压文件后并输出数据文件；

数据文件解密模块，输入被解压缩的数据文件，用相应的3重DES解密算法进行解密后输出数据文件；

数据文件解析模块，依次执行以下步骤：打开待解析的数据文件，解析XML文件的根元素root，依次解析根元素root下的一级子元素、二级子元素和三级子元素，把解析出来的所述数据存入数据库相应的表中，重复以上步骤，直到所有的一级子元素全部解析完为止，关闭数据文件；

步骤2，系统依次按以下步骤无线传输油井生产数据：

步骤2.1下位机创建数据文件；

步骤2.2下位机对所述数据文件进行加密；

步骤2.3下位机对加密后的数据文件进行压缩；

步骤2.4下位机通过井下GPRS发送模块把数据文件发送到所述的GPRS网；

步骤2.5监控中心上位机内的GPRS接收模块从GPRS网中接收所述油井的数据文件；

步骤2.6上位机解压缩所述的数据文件；

步骤2.7上位机解密所述的数据文件；

步骤2.8上位机解析数据文件得到由智能采油系统无线输出的油井生产数据。

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