CN108981990B - 示功仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种示功仪，包括：电源模块，用于输出所述示功仪所需的工作电压；加速度传感器，用于采集抽油机悬梁的加速度；压力传感器，用于采集所述抽油机悬梁的载荷；微控制单元，与所述加速度传感器和所述压力传感器连接，包括：示功图生成模块，用于利用数字量的所述加速度及所述载荷生成初始示功图数据；示功图压缩模块，用于示功图数据压缩方法对所述初始示功图数据进行压缩生成压缩后的示功图数据；通信模块，与所述微控制单元连接，用于发送所述压缩后的示功图数据。本发明能够适应窄带无线网络通信。

Description

示功仪

技术领域

本发明涉及油气生产物联网领域，尤其涉及一种在抽油机井口监测子系统中采用的一种示功仪。

背景技术

在油气生产领域，普遍存在生产区域地广人稀、环境恶劣、维护困难等情况，急需架设油气生产物联网来监测和控制生产设备的运行。而无线窄带网络是一种覆盖范围广、成本低、工程施工简便、维护容易的一种网络形式，适用于很多抽油机井口监测子系统。

但是，无线窄带网络也存在带宽低(1～20kbps)的缺点，而抽油机井口监测子系统中的示功仪有着较大量的突发数据(1kByte左右)，占用了无线窄带网络大量带宽，使得网络覆盖设备数降低、网络通信可靠性降低，同时过长的通信时间也使得设备的耗电量提高。

发明内容

本发明提供了一种示功仪，以适应窄带无线网络通信。

本发明实施例提供一种示功仪，包括：电源模块，用于输出所述示功仪所需的工作电压；加速度传感器，用于采集抽油机悬梁的加速度；压力传感器，用于采集所述抽油机悬梁的载荷；微控制单元，与所述加速度传感器和所述压力传感器连接，包括：示功图生成模块，用于利用数字量的所述加速度及所述载荷生成初始示功图数据；示功图压缩模块，用于示功图数据压缩方法对所述初始示功图数据进行压缩生成压缩后的示功图数据；通信模块，与所述微控制单元连接，用于发送所述压缩后的示功图数据。

其中，所述示功图数据压缩方法，包括：计算所述初始示功图数据序列中相距设定位置距离的各两个数据的差值，得到差值序列和基准值；从所述差值序列中提取大于第一正常差值最大值的差值数据，得到第一特殊差值序列；所述第一正常差值最大值是根据第一正常差值宽度确定；所述第一特殊差值序列的每个数据点包括数据位置和二进制表示的数据值；根据所述第一特殊差值序列的长度和第一正常差值序列的长度计算得到第一压缩率；所述第一正常差值序列为所述差值序列与所述第一特殊差值序列的差集，包含二进制表示的数据值；将所述第一压缩率与设定压缩率阈值进行比较，在所述第一压缩率大于所述设定压缩率阈值的情况下，根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，得到压缩后的示功图数据。

本发明的示功仪，通过微控制单元中的示功图生成模块可以实现生成示功图的功能，通过微控制单元中的示功图压缩模块可以减少传输示功图的数据量，适应中低频窄带无线网络，兼顾低成本和传输速度的要求。

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他的附图。在附图中：

图1是本发明一实施例的示功仪的结构示意图；

图2是本发明一具体实施例的示功图数据压缩方法的流程示意图；

图3是本发明一具体实施例的最优压缩计算方法的流程示意图；

图4是本发明另一实施例的示功仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1是本发明一实施例的示功仪的结构示意图。如图1所示，本实施例的示功仪，可包括：电源模块120、加速度传感器130、压力传感器140、微控制单元150及通信模块160。微控制单元150可包括示功图生成模块152和示功图压缩模块154。

电源模块120，用于输出所述示功仪所需的工作电压。该电源模块120的输入电源可以通过多种不同方式提供，例如，可以由储电模块、有线电源等。

加速度传感器130，用于采集抽油机悬梁的加速度；压力传感器140，用于采集所述抽油机悬梁的载荷。该加速度传感器130和该压力传感器140可以是属于示功仪的一部分，另一些实施例中，可以是示功仪之外的部分。该加速度传感器130可以设置在油井抽油机悬梁的运动部件上。该压力传感器140可以设置在抽油机悬梁载重部件上，可以用来测量抽油的重量。

微控制单元150，与所述加速度传感器130和所述压力传感器140连接。微控制单元150可包括示功图生成模块152和示功图压缩模块154。示功图生成模块152，用于利用数字量的所述加速度及所述载荷生成初始示功图数据；示功图压缩模块154，用于利用示功图数据压缩方法对所述初始示功图数据进行压缩生成压缩后的示功图数据。该加速度传感器130和该压力传感器140的输出量可以为数字信号或模拟信号，当为数字信号时，微控制单元150可以直接与所述加速度传感器130和所述压力传感器140连接，当为模拟信号时，所述加速度传感器130和所述压力传感器140可以通过模数转换模块或芯片与微控制单元150连接。

其中，所述示功图数据压缩方法，可包括：

步骤S110：计算所述初始示功图数据序列中相距设定位置距离的各两个数据的差值，得到差值序列和基准值；

步骤S120：从所述差值序列中提取大于第一正常差值最大值的差值数据，得到第一特殊差值序列；所述第一正常差值最大值是根据第一正常差值宽度确定；所述第一特殊差值序列的每个数据点包括数据位置和二进制表示的数据值；

步骤S130：根据所述第一特殊差值序列的长度和第一正常差值序列的长度计算得到第一压缩率；所述第一正常差值序列为所述差值序列与所述第一特殊差值序列的差集，包含二进制表示的数据值；

步骤S140：将所述第一压缩率与设定压缩率阈值进行比较，在所述第一压缩率大于所述设定压缩率阈值的情况下，根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，得到压缩后的示功图数据。

在上述步骤S110中，可以通过安装在井口抽油机上载荷传感器和位移传感器实时采集到一组示功图数据。示功图数据可以包含载荷数据和位移数据。示功图是根据该示功图数据中载荷随位移的变化关系所绘制的封闭曲线图，例如表示抽油机悬点载荷与位移关系的示功图称为地面示功图或光杆示功图。示功图数据中的数据按一定顺序排列构成示功图数据序列。

该设定位置距离可以指预设的两数据点的序号差值。相距设定位置距离的各两个数据点的差值，例如可以是序号差值为1的两数据点的差值，即相邻两数据点的差值，n个数据点可以生成n-1个差值，在其他实施例中，序号差值可以为2、3等。该基准值是该差值序列的参考值，根据该基准值和该差值序列可以重新得到原有的功图数据序列。例如，当相距设定位置距离的各两个数据点的差值为后一个数据点减去前一个数据点的差值时，该基准值可以是第一个数据点。

在上述步骤S120中，由于示功图数据通常具有的一定的变化趋势或变换规律，在相距相同设定位置距离的两数据相减获取的差值数据中经常会有某些差值数据多次重复出现，并且所述多次重复出现的差值数据经常保持在一定数值区域范围内。所以，通过设定正常差值最大值，可以将所述差值序列分为特殊差值序列和正常差值序列。实施例中，可以利用所述差值数据的重复性进行数据压缩，数据重复性越高，重复数据的个数越多，其压缩效率越高。

从所述差值序列(差值序列中有可能有重复数据，顺序存储的各个差值数据)中提取大于第一正常差值最大值的差值数据，可以得到数据大小不重复的一个差值数据集合，该差值数据集合中的每个数据对应一个数据位置，从而得到了第一特殊差值序列。类似地，所述第一特殊差值序列包含数据大小不重复的差值数据，且其每个差值数据对应一个数据位置。

示功图数据可以用二进制数表示，差值数据也可以用二进制数表示，所以正常差值宽度可以指正常差值的bit位数。具体地，可以参照中国发明专利申请(申请号：201410852292.1)“一种抽油机示功图数据压缩存储方法及装置”实施。

如果通过对之前的一幅示功图压缩，已经有了最优正常差值宽度，则可将该最优正常差值宽度设置为该第一正常差值宽度；否则，可采用预设值设置该第一正常差值宽度。

根据第一正常差值宽度(例如为正常差值的二进制的位数)确定所述第一正常差值最大值的方式可以是：正常差值最大值＝(1<<正常差值宽度)-1。其中符号“<<”表示左移，例如，假设正常差值宽度是4，二进制标识100，左移后1000，即8，再减去1后是7，所以能表示的最大值是7。

从所述差值序列中提取大于第一正常差值最大值的差值数据，得到第一特殊差值序列具体实现方式可以是，判断差值序列中的第一个数据是否大于第一正常差值最大值，若是，将该第一个数据放入第一特殊差值序列，继续判断差值序列中的第二个数据是否大于第二正常差值最大值，若是，将该第二个数据放入该第一特殊差值序列，依次判断，直到判断完是否将差值序列中的最后一个数据放入该第一特殊差值序列，得到最终的第一特殊差值序列。

在上述步骤S130中，正常差值序列可以包含二进制表示的数据值，可以不包含数据位置。所述第一特殊差值序列的长度和第一正常差值序列的长度即分别为所述第一特殊差值序列的数据点个数和该第一正常差值序列的数据点个数。计算压缩率的时候还可涉及差值序列的长度，差值序列是特殊差值序列和正常差值序列的合集。该第一压缩率的计算方式可以是：压缩率＝差值序列的长度/(特殊差值序列的长度+正常差值序列的长度+特定值)，该特定值例如为6。一个序列中所有数值的二进制位数是一致的，当不区分特殊差值序列和正常差值序列时，所有差值的二进制位数至少是序列中最大差值的二进制位数。区分后，正常差值序列的二进制位数可缩小。考虑数据是二进制存储的，可以实现数据存储量的减少。该特定值是用于存储基准值、正常差值宽度、特殊差值序列的数据个数等配置信息的帧长，单位为Byte。

在上述步骤S140中，该设定压缩率阈值可以视需要预先设置。压缩后的帧格式可以包括基准值、正常差值宽度、特殊差值序列的数据个数、特殊差值序列、正常差值序列的数据个数及正常差值序列，还可以包括后续所述的精度除数。压缩后的帧格式中各项目的顺序可以根据需要调整。

通过将示功图数据序列转换为差值序列，并从所述差值序列中提取大于第一正常差值最大值的差值数据得到第一特殊差值序列，可以利用差值数据的重复性对示功图数据进行压缩。而且，通过根据所述第一特殊差值序列的长度和第一正常差值序列的长度计算得到第一压缩率，并在所述第一压缩率大于设定阈值的情况下得到压缩后的示功图数据序列，可以通过调节压缩参数，例如设定压缩率阈值，调整压缩率，进而通过增大设定压缩率阈值可以提高压缩率。

通信模块160，与所述微控制单元连接，用于发送所述压缩后的示功图数据。信模块160例如可以是无线通信模块。通过通信模块160可以将微控制单元150传输至指定地点。

本实施例中，示功仪通过微控制单元中的示功图生成模块可以实现生成示功图的功能，通过微控制单元中的示功图压缩模块可以减少传输示功图的数据量，适应中低频窄带无线网络，兼顾低成本和传输速度的要求。

一些实施例中，在上述步骤S140之前，即，将所述第一压缩率与设定压缩率阈值进行比较，在所述第一压缩率大于所述设定压缩率阈值的情况下，根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，得到压缩后的示功图数据之前，还可包括：

步骤S150：根据设定规则修改所述第一正常差值宽度，得到第二正常差值宽度，并根据所述第二正常差值宽度确定第二正常差值最大值；

步骤S160：从所述差值序列中提取大于所述第二正常差值最大值的差值数据，得到第二特殊差值序列；所述第二特殊差值序列的每个数据点包括数据位置和二进制表示的数据值；

步骤S170：根据所述第二特殊差值序列的长度和第二正常差值序列的长度计算得到第二压缩率；所述第二正常差值序列为所述差值序列与所述第二特殊差值序列的差集，包含二进制表示的数据值；

步骤S180：判断所述第二压缩率是否相对于所述第一压缩率有所减小，若是，利用较大的所述第一压缩率与所述设定压缩率阈值进行比较。

在上述步骤S150中，在一次修改过程中，利用该设定规则可以得到一种或多种修改结果。利用该设定规则可以依次进行多次修改，并且后一次修改可以基于前一次修改的结果进行。该设定规则例如可以是增大一特定值和/或减小该特定值。根据所述第二正常差值宽度确定第二正常差值最大值的方式可以是：正常差值最大值＝(1<<正常差值宽度)-1。上述步骤S160的实施类似于上述步骤S120，上述步骤S170的实施类似于上述步骤S130。

在上述步骤S180中，所述第二压缩率相对于所述第一压缩率有所减小，没有必要按该设定规则继续修改正常差值宽度，则仍利用原有的第一压缩率与所述设定压缩率阈值进行比较，得到压缩后的示功图数据。通过上述步骤S150～步骤S180可以得知上述第一压缩率已经是最大的压缩率结果，从而可以考虑从其他途径进一步提高压缩率，避免了因反复尝试修改正常差值宽度而浪费计算资源。

一些实施例中，在上述步骤S140之前，即，将所述第一压缩率与设定压缩率阈值进行比较，在所述第一压缩率大于所述设定压缩率阈值的情况下，根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，得到压缩后的示功图数据之前，还可包括：

步骤S190：在所述第二压缩率相对于所述第一压缩率没有减小的情况下，根据所述设定规则修改所述第二正常差值宽度，得到第三正常差值宽度，并根据所述第三正常差值宽度确定第三正常差值最大值；

步骤S1100：从所述差值序列中提取大于所述第三正常差值最大值的差值数据，得到第三特殊差值序列；所述第三特殊差值序列的每个数据点包括数据位置和二进制表示的数据值；

步骤S1110：根据所述第三特殊差值序列的长度和第三正常差值序列的长度计算得到第三压缩率；所述第三正常差值序列为所述差值序列与所述第三特殊差值序列的差集，包含二进制表示的数据值；

步骤S1120：判断所述第三压缩率是否相对于所述第二压缩率有所减小，若是，利用较大的所述第二压缩率更新所述第一压缩率，用于与所述设定压缩率阈值进行比较。

上述步骤S190确定第三正常差值最大值的方式、上述步骤S1100得到第三特殊差值序列的方式及上述步骤S1110得到第三压缩率分别类似于上述步骤S150、上述步骤S160及上述步骤S170。

通过上述步骤S190～步骤S1120，在第一次按该设定规则修改第一正常差值宽度后所得的第二压缩率相对于第一压缩率没有减小时，即有所增大或相等，可以基于第二压缩率所对应的第二正常差值宽度按该设定规则进一步修改，并基于进一步修改的正常差值宽度得到第三压缩率，从而可以依次迭代进行，直到基于进一步修改的正常差值宽度得到压缩率开始减小，则利用之前所有所得压缩率中的最大者更新步骤S140中的第一压缩率，来得到压缩后的示功图数据。以此，可以自适应地调节正常差值宽度、正常差值最大值、特殊差值序列、特殊差值序列的数据点个数、正常差值序列、正常差值序列的数据点个数等参数，进而自适应地调节压缩率，使压缩率达到最大值。因此，通过这种修改正常差值宽度，并判断压缩率变化情况的方式能够自适应调节压缩参数，进一步提高示功图数据的压缩率。

一些实施例中，上述步骤S1120，判断所述第三压缩率是否相对于所述第二压缩率有所减小，若是，利用较大的所述第二压缩率更新所述第一压缩率，用于与所述设定压缩率阈值进行比较，具体地可包括：

分别判断通过增加设定修改值得到的第三正常差值宽度对应的第三压缩率是否相对于所述第二压缩率有所减小，判断通过减小设定倍数的所述设定修改值得到的第三正常差值宽度对应的第三压缩率是否相对于所述第二压缩率有所减小，若判断结果均为是，利用通过增加设定修改值得到的第二正常差值宽度对应的第二压缩率和通过减小设定倍数的所述设定修改值得到的第二正常差值宽度对应的第二压缩率中的较大者更新所述第一压缩率，用于与所述设定压缩率阈值进行比较；所述设定规则包括增加所述设定修改值和减小所述设定修改值。

该设定倍数旨在说明增加的程度和减小的程度可以相同或不同，所以该设定倍数可以是1倍、2倍、3倍等整数倍，也可以是1/2倍、1/3倍、1/4倍、3/2倍、4/3倍、6/5倍等分数倍。

本实施中，在一次修改过程中，可以同时进行两种方式的修改，即增加设定修改值和减小设定倍数的所述设定修改值的修改，从而可以同时从正常差值宽度增大的方向和正常差值宽度减小的方向依次判断基于修改后正常差值宽度所得压缩率的情况。如果两种修改方式所得压缩率均开始减小，则利用此前所得两组压缩率中的最大者更新步骤S 140中的第一压缩率，来得到压缩后的示功图数据。以此，可以同时考虑到小于第一正常差值宽度和大于第一正常差值宽度的正常差值宽度所对应的压缩率的情况，所考虑的正常差值宽度覆盖范围更广，修改效率更高，从而可以更快得到压缩率更大的压缩后的示功图数据。

其他实施例中，在一次修改过程中，同时进行两种方式的修改时，可以增加第一设定修改值和减小第二设定修改值的修改，该第一设定修改值和该第二设定修改值可以不同。

一些实施例中，所述示功图数据压缩方法，在上述步骤S110之前，即，计算所述初始示功图数据序列中相距设定位置距离的各两个数据的差值，得到差值序列和基准值之前，还可包括：

步骤S1130：获取示功图数据的原始序列，根据第一精度除数对所述原始序列进行精度处理，得到第一输入数据序列，作为所述示功图数据序列；所述原始序列为载荷序列或位移序列。

如果对以前的示功图进行压缩处理时已经得到了最优的精度除数，则第一精度除数可以等于该最优的精度除数；或者可以计算所述初始示功图数据序列中差值最大的两数据的差值DIFF_max，然后计算指数r＝max(DIFF_max的十进制位数-设定数值,0)(示功图中的载荷数据，一般可将十进制位数大于3位的当做跳点去除，将设定数值设为3，即第一精度除数是1)；最后得到初始精度除数为10^r，作为第一精度除数。例如该设定数值可以是3。示功图数据的原始序列可以是示功图数据中的载荷序列或示功图数据中的位移序列，所以，可以分别对示功图数据中的载荷或示功图数据中的位移进行压缩。

对原始序列OV₁、OV₂…OV_i…OV_n进行精度处理的方式例如可以是，V_i＝integer(OV_i/DIV)，(i＝1～n)，精度除数为DIV，精度处理后得到输入数据序列V₁...V_n。

本实施例中，通过对示功图数据的原始序列进行精度处理，可以缩小差值大小，故而差值的二进制位数减少，可以提高示功图数据的压缩率。

一些实施例中，所述示功图数据压缩方法，还可包括：

步骤S1140：在所述第一压缩率不大于所述设定压缩率阈值的情况下，判断所述第一精度除数是否小于设定精度除数阈值，若否，执行根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，得到压缩后的示功图数据的步骤。

该设定精度除数阈值例如可以是最大精度除数减去步长。若所述第一精度除数不小于设定精度除数阈值，即，所述第一精度除数大于或等于设定精度除数阈值，则说明所述第一精度除数已满足精度处理的要求，此时可以直接执行上述步骤S140中得到压缩后的示功图数据的步骤“根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，得到压缩后的示功图数据”。通过上述步骤S1140可以保证第一精度除数不小于设定精度除数阈值。

一些实施例中，所述的示功图数据压缩方法，还可包括：

步骤S1150：在所述第一精度除数小于所述设定精度除数阈值的情况下，按设定步长将所述第一精度除数增大至第二精度除数；

步骤S1160：根据所述第二精度除数重新对所述原始序列进行精度处理，得到第二输入数据序列，并利用所述第二输入数据序列代替所述第一输入数据序列，作为所述示功图数据序列。

该设定步长可以根据需要预先设定。若基于第二精度除数进行精度处理，在进一步经过例如步骤S110～步骤S130得到压缩率，若得到的压缩率不大于所述设定压缩率阈值，则可以对当前的精度除数继续增加一个设定步长，依次迭代进行，直到增加设定步长后的精度除数对应的压缩率大于所述设定压缩率阈值，将此时的精度除数作为最优的精度除数。以此，通过根据增大后的精度除数不断重复对所述原始序列进行精度处理，可以找到最优的精度除数，进而可以提高对原始序列的处理精度。

通过上述步骤S1150和步骤S1160可以自适应调节精度除数，使其不小于设定精度除数阈值，从而保证了精度处理结果的精度。在可接受损失内(精度除数阀值内)，增大精度除数，缩小差值大小，可减少存数位数，提高压缩率。

一些实施例中，上述步骤S140，根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，输出压缩后的示功图数据，可包括：

将所述基准值、所述第一精度除数、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列的数据点个数、所述第一特殊差值序列、所述第一正常差值序列的数据点个数及所述第一正常差值序列，按照设定帧格式进行合并，得到压缩后的示功图数据。

该设定帧格式不仅可以包括基准值、正常差值宽度、特殊差值序列的数据点个数、特殊差值序列、正常差值序列的数据点个数及正常差值序列，还可以包括精度除数。其中，基准值、精度除数、正常差值宽度、特殊差值序列的数据点个数、特殊差值序列、正常差值序列的数据点个数及正常差值序列的相对位置可以有所调整。

一些实施例中，上述判断压缩率是否大于设定压缩率阈值的迭代过程、判断精度除数是否小于设定精度除数阈值的迭代过程及判断修改后正常差值宽度对应的压缩率是否有所减小的迭代过程可以同时进行。

本发明针对现有技术中的问题，根据现场抽油机工作状况(示功图)，动态自适应调整压缩参数和过程，使得压缩后示功图数据达到最优，使得示功图数据量减少，从而降低对通信网络带宽的要求，达到降低通信网络建设成本和提高可选择性的目的。

下面以一具体实施例说明本发明的示功图数据压缩方法的实施。

一个实施例中，示功图数据压缩方法，对当前示功图的载荷和位移分别进行压缩。假设原始的载荷数据序列或者位移数据序列为OV₁...OV_n，原始的示功图数据序列OV₁...OV_n压缩后的帧格式可如表1所示，包括：基准值VBASE＝OV₁、精度除数DIV、正常差值bit位数WIDTH、特殊差值个数N_SPV，特殊差值序列(每个数据点包括数据位置PSP_i和数据值VSP_i，i＝1～N_SPV)、正常差值个数N_nv，正常差值序列VN₁～VN_Nnv(正常差值序列可不包含数据位置。解压缩时，通过特殊差值记录的数据位置插入正常差值序列中，即可得到差值序列)。其中N_SPV+N_nv+1＝n。

VBASE

DIV

WIDTH

N<sub>SPV</sub>

PSP<sub>1</sub>

VSP<sub>1</sub>

…

PSP<sub>Nspv</sub>

VSP<sub>Nspv</sub>

N<sub>nv</sub>

VN<sub>1</sub>

…

VN<sub>Nnv</sub>

表1压缩后示功图数据的帧格式

图2是本发明一具体实施例的示功图数据压缩方法的流程示意图。结合图2所示，示功图数据压缩方法可以包括以下过程：

(1)预设置参数：最小压缩率ZIPR_min、最大精度除数DIV_max和步长STEP；

(2)如果压缩上一幅示功图时已经有了最优精度除数DIFF_best，则初始精度除数DIV_init＝DIFF_best；否则计算最大差值DIFF_max＝max(OV₁...OV_n)-min(OV₁...OV_n)，即原始序列中最大值和最小值的差，然后计算指数r＝max(DIFF_max的十进制位数-3,0)；最后得到初始精度除数DIV_init＝10^r；设当前精度除数DIV＝DIV_init；

(3)对原始序列进行精度处理，V_i＝integer(OV_i/DIV)，(i＝1～n)，得到输入数据序列V₁...V_n；

(4)利用精度处理后的输入数据序列计算差值DV_i＝OV_i+1-OV_i，(i＝1～n-1)，得到基准值OV₁和差值序列DV₁...DV_n-1；

(5)对差值序列DV₁...DV_n-1进行最优压缩计算，得到压缩后序列ZV₁...ZV_k和压缩率ZIPR；

(6)如果ZIPR大于最小压缩率ZIPR_min，则结束压缩过程；如果小于ZIPR_min，则进行下一步；

(7)判断当前精度除数DIV是否小于最大精度除数DIV_max-STEP，若是，则DIV＝DIV+STEP，并跳回第(3)步继续处理；否则结束压缩过程。

图3是本发明一具体实施例的最优压缩计算方法的流程示意图。结合图3所示，图2所示的示功图数据压缩方法，上述步骤(7)中，最优压缩计算过程，具体可包括：

(71)如果上一幅示功图的压缩已经有了最优正常差值宽度WIDTH_best，则设置初始正常差值宽度WIDTH＝WIDTH_best；否则采用预设值WIDTH＝WIDTH_init；计算正常差值最大值MAX_VN＝(1<<WIDTH)-1；

(72)特殊差值个数N_SPV初值可为0，浏览差值序列DV₁...DV_n-1，如果DV_i>MAX_VN，则将DV_i放入特殊差值序列，并记录其在差值序列中的位置PSP_i和值VSP_i，并将N_SPV加1；浏览完成后形成差值序列SP₁...SP_Nspv；差值序列中的其他值形成正常差值序列VN₁～VN_Nnv；

(73)计算压缩率ZIPR＝LEN(DV₁...DV_n-1)/(LEN(SP₁...SP_Nspv)+LEN(VN₁～VN_Nnv)+6)，LEN(DV₁...DV_n-1)表示差值序列的长度，LEN(SP₁...SP_Nspv)表示特殊差值序列的长度，LEN(VN₁～VN_Nnv)表示正常差值序列的长度；

(74)分别进行两个分支的计算：将正常差值宽度WIDTH加1和减1，跳回第(72)步重新压缩并计算压缩率，直到压缩率变小则停止；

(75)在计算得到的所有正常差值宽度WIDTH和压缩率ZIPR中，选取有最大压缩率ZIPR的正常差值宽度WIDTH作为最优压缩；据此进行压缩后将基准值VBASE、精度除数DIV、正常差值宽度WIDTH、异常差值个数N_SPV、异常差值序列SP₁...SP_Nspv(包括数据位置和二进制表示的数据值)、正常差值个数N_nv、正常差值序列VN₁～VN_Nnv合并成压缩后序列ZV₁...ZV_k。

虽然本实施例的方法采用了两重迭代来压缩，但是第一次计算好以后，后续的迭代次数极少，基本只在最优值附近微调，因此运算效率极高。

通过使用本实施例的示功图数据压缩方法，示功图的数据量平均减少80％；从而极大降低了对通信网络带宽的要求，达到了降低通信网络建设成本和提高可选择性的目的。具体应用在抽油机井口监测子系统中，与使用中宽带通信网络相比，系统可以使用低功耗窄带无线通信网络，通信网络建设成本降低了75％。同时由于通信功耗的降低和通信数据量的减少，使用本发明方法的设备的电池使用寿命提高了300％。

一些实施例中，再如图1所示，该示功仪还可包括：模数转换芯片170。模数转换芯片170，连接于所述加速度传感器130及所述压力传感器140和所述微控制单元150之间，用于将模拟量的所述加速度及所述载荷转换为数字量的所述加速度及所述载荷。模数转换芯片170可以将所述加速度传感器130及所述压力传感器140输出的模拟量转换为数字量，以供微控制单元150进行处理。

一些实施例中，再如图1所示，示功仪还可包括：储电模块110。储电模块110，与所述电源模块120连接，用于提供电源。该储电模块110可以是充电电池或非充电电池。利用储电模块提供电源，可以不使用连接线，便于示功仪移动。在另一些实施例中，可以使用充电电容等提供电源。

一些实施例中，再如图1所示，所述微控制单元150，还可包括：预处理模块151。预处理模块151，分别与所述模数转换芯片170和所述示功图生成模块152连接，用于对数字量的所述加速度及所述载荷进行采样滤波处理，并将处理后的数据传送至所述示功图生成模块。利用预处理模块151进行采样滤波，可以排除异常数据。

一些实施例中，再如图1所示，所述微控制单元150，还可包括：压缩参数调整模块153。压缩参数调整模块153，连接于所述示功图生成模块152和所述示功图压缩模块154之间，用于根据当前示功图数据分布、历史示功图数据、抽油机的冲程及冲次、偏好设置调整压缩参数，并将调整后的压缩参数传送至所述示功图压缩模块。利用压缩参数调整模块153可以更好地进行示功图压缩，例如，保真，提高压缩率。

一些实施例中，所述模数转换芯片170和所述加速度传感器130之间通过SPI接口(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)连接；所述模数转换芯片170和所述压力传感器140之间通过SPI接口连接。

一些实施例中，所述微控制单元150和所述通信模块160之间通过RS232接口连接。

一个具体实施例中，针对背景技术中的情况，提出一种通过现场工况自适应的动态数据压缩方法的示功仪，通过现场工况自适应的动态数据压缩方法，使得设备数据通信流量减少，从而降低无线窄带网络负载和提高设备使用寿命。图4是本发明另一实施例的示功仪的结构示意图，如图4所示，一种适应窄带无线网络的无线一体化示功仪，它可包括电池、电源模块、微控制单元MCU、AD芯片(模数转换芯片)、加速度传感器、压力传感器、无线通信模块；MCU内部软件通过采样滤波、功图生成、压缩参数自适应调整、功图压缩四个步骤来形成压缩功图。

其中，电池为可更换的一次性电池，为设备提供电源；电源模块将电池电压转换为系统工作电压，同时提供可控休眠功能；MCU为设备的主控芯片；AD芯片实时采样加速度传感器和压力传感器的模拟量输入，通过SPI接口与MCU通信；加速度传感器采集抽油机悬梁的加速度状况，通过MCU转换为悬梁位移数据；压力传感器采集抽油机悬梁的载荷状况；无线通信模块通过RS232与MCU通信，通过无线网络将功图数据传输到系统后台。

MCU内部软件采集到原始加速度和压力数据后，先通过采样滤波排除异常数据；其次通过功图生成模块生成原始的功图；然后根据当前功图数据分布、历史的功图数据、抽油机的冲程和冲次、客户的偏好设置(尽量压缩还是尽量无损)来调整压缩参数；最后通过功图压缩模块生成压缩后的功图。

通过使用本发明实施例的示功仪，使得设备数据通信流量减少80％；从而极大降低无线窄带网络的负载，提高网络覆盖设备数和通信可靠性，扩大了无线窄带网络的适用范围。具体应用在抽油机井口监测子系统中，使得网络覆盖设备数量提高了300％左右，一次通信成功率从81％提高到97％。

由于示功仪的通信耗电量根据通信频率的不同，约占设备总耗电量的40％～60％；本专利通过减少设备数据通信流量80％，降低了通信耗电的60％，从而使得设备的总耗电量降低24％～36％，提高了电池的使用寿命，将电池的更换频率从平均2年降低到了平均3年。

综上所述，本发明实施例的示功仪，通过微控制单元中的示功图生成模块可以实现生成示功图的功能，通过微控制单元中的示功图压缩模块可以减少传输示功图的数据量，适应中低频窄带无线网络，兼顾低成本和传输速度的要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种示功仪，其特征在于，包括：

电源模块，用于输出所述示功仪所需的工作电压；

加速度传感器，用于采集抽油机悬梁的加速度；

压力传感器，用于采集所述抽油机悬梁的载荷；

微控制单元，与所述加速度传感器和所述压力传感器连接，包括：

示功图生成模块，用于利用数字量的所述加速度及所述载荷生成初始示功图数据；

示功图压缩模块，用于示功图数据压缩方法对所述初始示功图数据进行压缩生成压缩后的示功图数据；

通信模块，与所述微控制单元连接，用于发送所述压缩后的示功图数据；

其中，所述示功图数据压缩方法，包括：

计算所述初始示功图数据序列中相距设定位置距离的各两个数据的差值，得到差值序列和基准值；

从所述差值序列中提取大于第一正常差值最大值的差值数据，得到第一特殊差值序列；所述第一正常差值最大值是根据第一正常差值宽度确定；所述第一特殊差值序列的每个数据点包括数据位置和二进制表示的数据值；

根据所述第一特殊差值序列的长度和第一正常差值序列的长度计算得到第一压缩率；所述第一正常差值序列为所述差值序列与所述第一特殊差值序列的差集，包含二进制表示的数据值；

根据设定规则修改所述第一正常差值宽度，得到第二正常差值宽度，并根据所述第二正常差值宽度确定第二正常差值最大值；

从所述差值序列中提取大于所述第二正常差值最大值的差值数据，得到第二特殊差值序列；所述第二特殊差值序列的每个数据点包括数据位置和二进制表示的数据值；

根据所述第二特殊差值序列的长度和第二正常差值序列的长度计算得到第二压缩率；所述第二正常差值序列为所述差值序列与所述第二特殊差值序列的差集，包含二进制表示的数据值；

判断所述第二压缩率是否相对于所述第一压缩率有所减小，若是，则利用较大的所述第一压缩率与所述设定压缩率阈值进行比较，否则，根据所述设定规则对当前修改得到的正常差值宽度进行再次修改，直到基于所述再次修改得到的压缩率相对于前一次修改得到的压缩率有所减小时，根据所述再次修改得到的压缩率更新所述第一压缩率；

将所述第一压缩率与设定压缩率阈值进行比较，在所述第一压缩率大于所述设定压缩率阈值的情况下，根据所述基准值、所述第一正常差值宽度、所述第一特殊差值序列及所述第一正常差值序列，得到压缩后的示功图数据。

2.如权利要求1所述的示功仪，其特征在于，还包括：

模数转换芯片，连接于所述加速度传感器及所述压力传感器和所述微控制单元之间，用于将模拟量的所述加速度及所述载荷转换为数字量的所述加速度及所述载荷。

3.如权利要求1所述的示功仪，其特征在于，还包括：

储电模块，与所述电源模块连接，用于提供电源。

4.如权利要求2所述的示功仪，其特征在于，所述微控制单元，还包括：

预处理模块，分别与所述模数转换芯片和所述示功图生成模块连接，用于对数字量的所述加速度及所述载荷进行采样滤波处理，并将处理后的数据传送至所述示功图生成模块。

5.如权利要求1所述的示功仪，其特征在于，所述微控制单元，还包括：

压缩参数调整模块，连接于所述示功图生成模块和所述示功图压缩模块之间，用于根据当前示功图数据分布、历史示功图数据、抽油机的冲程及冲次、偏好设置调整压缩参数，并将调整后的压缩参数传送至所述示功图压缩模块。

6.如权利要求2所述的示功仪，其特征在于，所述模数转换芯片和所述加速度传感器之间通过SPI接口连接；所述模数转换芯片和所述压力传感器之间通过SPI接口连接。

7.如权利要求1所述的示功仪，其特征在于，所述微控制单元和所述通信模块之间通过RS232接口连接。

8.如权利要求1所述的示功仪，其特征在于，所述通信模块为无线通信模块。

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