天津中海油工程設計有限公司　劉爾康

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海上油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的RFID系統(tǒng)設計

天津中海油工程設計有限公司劉爾康

【摘要】本文以油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中RFID設計為對象，對其應具備的基本功能進行分析，進而設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對閱讀器和RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)進行了設計，最后針對RFID系統(tǒng)中的標簽碰撞問題，提出另一種基于擴頻的ALOHA算法。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；RFID；系統(tǒng)設計；ALOHA算法

1　概述

隨著石油產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中占據(jù)越來越重要的位置，經(jīng)濟增長對石油供應的依賴性也越來越強。石油產(chǎn)業(yè)的信息化程度對于這一行業(yè)的生產(chǎn)運行和管理效率關(guān)系密切，對行業(yè)競爭力有重要影響。隨著信息化技術(shù)在石油行業(yè)的推進，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計研究也在逐步推進中。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是指利用物聯(lián)技術(shù)來實現(xiàn)油氣生產(chǎn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)和設備信息的集中管理和控制，構(gòu)建統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)平臺，提高油氣田生產(chǎn)決策的實時性和可靠性。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID則是通過無線信號來對目標實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作的自動識別技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術(shù)，國外對RFID技術(shù)的研究較早，而國內(nèi)在這一方面的研究則相對落后，尤其在油氣方面的RFID

的技術(shù)更是處于起步階段，當前對RFID的應用主要集中在鉆具管理和管道巡檢等方面，能有效提高對油氣生產(chǎn)中設備的狀態(tài)監(jiān)測水平

[1]。本文主要以油田RFID為基礎設計生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設計，從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等多個方面展開研究。

2　海上油氣田生產(chǎn)RFID系統(tǒng)功能分析

從技術(shù)特點上看，海上油氣田生產(chǎn)和陸上油氣田生產(chǎn)沒有本質(zhì)區(qū)別，其基本技術(shù)環(huán)節(jié)都是類似的。從油氣田RFID系統(tǒng)功能的角度看，都主要是為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)測診斷兩大類功能。1生產(chǎn)過程監(jiān)控方面，主要針對油氣田生產(chǎn)中的各類人員設備以及生產(chǎn)設施的控制。其中對生產(chǎn)設施控制方面主要利用了RFID的信息載體功能來實現(xiàn)對井下設備的準確控制。對工作人員也可利用RDID來實現(xiàn)對其工作位置的實時監(jiān)控，做出危險預警等保障生產(chǎn)安全的措施。2狀態(tài)監(jiān)測診斷方面，主要是利用RFID系統(tǒng)對各類設備數(shù)據(jù)的采集功能，按照特定設備的診斷分析算法來實現(xiàn)對該類工具的狀態(tài)實施有效的狀態(tài)監(jiān)測、評估和動態(tài)管控。

3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

3.1總體結(jié)構(gòu)設計

在油氣生產(chǎn)RFID系統(tǒng)需要融合多個系統(tǒng)，以RFID技術(shù)為主、結(jié)合GPRS通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。具體而言，從結(jié)構(gòu)的角度看，油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)主要分為生產(chǎn)監(jiān)控與管理子系統(tǒng)、固定閱讀器、手持閱讀器、電子標簽等幾個部分。其中電子標簽是最底層的設備，也是前端設備，和固定閱讀器以及手持閱讀器交互，固定閱讀器和手持閱讀器則通過數(shù)據(jù)傳輸通道與生產(chǎn)監(jiān)控與管理系統(tǒng)通信，而通信手段則可利用GPRS、WIFI等技術(shù)手段[2]。

由于海上油氣田通常都遠離海岸，因為為了達到穩(wěn)定的通訊傳輸效果一般都需要建立海上通信中繼站，以通信中轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其主要技術(shù)途徑為以無線數(shù)字傳送電臺的TCP/IP式接收油氣平臺數(shù)據(jù)，以TCP/IP接入海上中繼站網(wǎng)絡并進入油田公司局域網(wǎng)?；刂骺刂行暮秃Ｉ现欣^站之間的通信流程可概括為：監(jiān)控中心計算機→油田公司網(wǎng)絡→海上中繼站網(wǎng)絡→無線傳輸模塊→RFID→油氣田生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2RFID閱讀器設計

RFID閱讀器是油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的前端設備，同時也是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，承擔著對待測設備、人員標簽的數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，是生產(chǎn)監(jiān)控和管理系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)來源。RFID閱讀器的組成部分主要包括外圍設備模塊、GPRS模塊、微處理器MCU、和RFID讀寫模塊四個部分組成，各部分的主要設計概要分別為：1中RFID讀寫模塊 該模塊是閱讀器的關(guān)鍵部件，在這一模塊中主要完成的是對油氣生產(chǎn)中鉆桿、管道、員工以及控制設備的電子標簽數(shù)據(jù)的提取。在本次設計中所采用的RFID讀寫模塊采用LB552型，微處理器MCU負責向模塊端口發(fā)送命令，從而實現(xiàn)對MIFARE標簽的數(shù)據(jù)采集；2GPRS模塊 該模塊的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，本次設計中采用華為GTM900-B型GPRS模塊來實現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)和遠程控制端之間的發(fā)送和接收；3微處理器MCU模塊，該模塊主要是完成對其他三個模塊和外圍設備的控制，選用Tiny6410開發(fā)平臺來實現(xiàn)MCU對其他模塊的編程控制。

3.3RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)設計

從結(jié)構(gòu)上看，在設計RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)構(gòu)架時主要考慮將其分為兩層：總部數(shù)據(jù)構(gòu)架和油氣田數(shù)據(jù)構(gòu)架。

總部數(shù)據(jù)構(gòu)架由數(shù)據(jù)倉庫和多維立方體以及數(shù)據(jù)處理等模塊構(gòu)成，負責接收、存儲、展示各海上油氣田生產(chǎn)中的各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)倉庫采用多維數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，該種設計方式在基礎數(shù)據(jù)分析和展示方面具有很大的便利性，對于油氣生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)處理有利。該部分的數(shù)據(jù)處理模塊則主要完成數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)倉庫中的提取、加載、傳輸?shù)?。在此設計了2類數(shù)據(jù)處理模塊，模塊1負責將油氣田數(shù)據(jù)導入總部數(shù)據(jù)倉庫，模塊2則是將總部數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)提取和加載到多維立方體中。在該部分中還設計數(shù)據(jù)交換接口，用于數(shù)據(jù)系統(tǒng)中內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)的交換操作。

油氣田數(shù)據(jù)構(gòu)架主要針對油氣田生產(chǎn)中的關(guān)鍵參數(shù)而設計，主要有RFID數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)總線等構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)主要是關(guān)系數(shù)據(jù)庫、中間數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)集市等與數(shù)據(jù)總線的彼此連接構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)在各類數(shù)據(jù)庫的提取轉(zhuǎn)換和加載操作。

4　RFID標簽防碰撞算法設計

當標簽密度較大時，在閱讀器信號范圍內(nèi)如果出線多個標簽同時響應，降低讀寫區(qū)域內(nèi)標簽的正確識別和正常讀寫操作，從而導致標簽碰撞問題。這一問題是RFID系統(tǒng)設計時常常遇到的問題之一，會對系統(tǒng)的吞吐量造成嚴重影響進而降低系統(tǒng)整體性能。在當前的研究中，對RFID系統(tǒng)中的標簽碰撞問題的解決思路一般采取時分多址的處理策略，在算法上則是主要基于ALOHA算法和基于二

進制的搜索算法等。本文在現(xiàn)有防碰撞算法的基礎上設計了一種基于擴頻的ALOHA算法來解決RFID中的標簽碰撞問題。

純ALOHA算法是RFID系統(tǒng)中防碰撞的常用算法，該算法的基本思想是基于時分多址存取，當檢測到有多個標簽同時向閱讀器發(fā)送信號時，則閱讀器向標簽發(fā)出停止信號，隨機等待后再重新發(fā)送以減少沖突。有學者研究了一種提高純ALOHA算法吞吐量的方法，及采用時隙ALOHA算法，可提高一倍的吞吐量[3]。

在傳統(tǒng)時隙ALOHA的基礎上，本文利用擴頻通信技術(shù)，提出一種以混沌序列為擴頻碼的ALOHA算法來解決標簽碰撞問題。該算法的基本思想是利用擴頻碼的正交性來區(qū)分不同的擴頻信號，實現(xiàn)在同頻、同時的特殊條件下區(qū)分和識別標簽。本算法主要有兩個基本步驟，第一階段為各標簽選用不同的擴頻碼傳輸，第二階段當擴頻碼數(shù)量無法滿足標簽ID序列變化而選用相同的擴頻碼。上述兩個步驟分別簡述如下：

(1)第一階段 閱讀器分別接收來自不同標簽的擴頻信號并對信號進行解擴得到標簽的ID序列，閱讀器對標簽的信號碼片進行濾波匹配。以兩標簽，即標簽a和標簽b為例進行說明。設標簽a和標簽b把各自的數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器，則一個數(shù)據(jù)分組中的m個采樣構(gòu)成的向量可表示為：

(2)第二階段當擴頻碼組結(jié)束不能滿足上述變化時，表明無法避免因為擴頻碼相同的沖突情形，此時已無法通過擴頻碼的正交變換來實現(xiàn)不同標簽的數(shù)據(jù)同時傳輸。若令數(shù)據(jù)分組時間跨度為T，數(shù)據(jù)量為L個bit,系統(tǒng)擴頻碼階數(shù)為N，則單個標簽碼片的時間長度可求出等于T/LN。進一步計算數(shù)據(jù)分組中的沖突區(qū)間長度，則在L個bit長度的系統(tǒng)分組中的沖突窗口為，其中為離散碰撞窗口長度，當數(shù)據(jù)分組落入沖突窗口就會發(fā)生不可避免的碰撞。為解決此問題，利用閱讀器的匹配濾波結(jié)構(gòu)和不同數(shù)據(jù)分組到達閱讀器的時間差以及同組數(shù)據(jù)間規(guī)律性的峰值時間間隔，可分離出數(shù)據(jù)來自不同的分組，只要保證數(shù)據(jù)不落在Tc時間間隔內(nèi)，就可有效避免碰撞。

5　結(jié)語

海上油氣田生產(chǎn)的的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為當前我國油氣生產(chǎn)中的研究熱點之一，具有很重要的現(xiàn)實意義。本文以這一問題為對象，對基于RFID的海上油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)進行了系統(tǒng)總體設計以及主要技術(shù)環(huán)節(jié)的設計，提出了降低沖突幾率的基于擴頻的ALOHA算法，可為類似研究提供參考。

參考文獻

[1]馮波.無線射頻識別技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國科學院計算技術(shù)研究所,2009.

[2]王永華,楊健.RFID網(wǎng)絡讀寫器沖突避免MAC協(xié)議[J].電子科技大學學報,2013,40(3):388-391.

[3]韓釗.基于RFID技術(shù)的液化石油氣罐動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].2011:25-32.