天津中海油工程設(shè)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(shè)計

天津中海油工程設(shè)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(shè)計為對象，對其應(yīng)具備的基本功能進(jìn)行分析，進(jìn)而設(shè)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(jìn)行了設(shè)計，最后針對RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽碰撞問題，提出另一種基于擴(kuò)頻的ALOHA算法。

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

1　概述

隨著石油產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越重要的位置，經(jīng)濟(jì)增長對石油供應(yīng)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(jìn)，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計研究也在逐步推進(jìn)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(shè)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(biāo)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(dāng)前對RFID的應(yīng)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(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測水平

[1]。本文主要以油田RFID為基礎(chǔ)設(shè)計生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)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(shè)備以及生產(chǎn)設(shè)施的控制。其中對生產(chǎn)設(shè)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(shè)備的準(zhǔn)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(yù)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(shè)備數(shù)據(jù)的采集功能，按照特定設(shè)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(shè)計

3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)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(biāo)簽等幾個部分。其中電子標(biāo)簽是最底層的設(shè)備，也是前端設(shè)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(yuǎn)離海岸，因為為了達(dá)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(luò)并進(jìn)入油田公司局域網(wǎng)。基地主控中心和海上中繼站之間的通信流程可概括為：監(jiān)控中心計算機(jī)→油田公司網(wǎng)絡(luò)→海上中繼站網(wǎng)絡(luò)→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(shè)計

RFID閱讀器是油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的前端設(shè)備，同時也是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著對待測設(shè)備、人員標(biāo)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(chǔ)數(shù)據(jù)來源。RFID閱讀器的組成部分主要包括外圍設(shè)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(shè)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(shè)備的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的提取。在本次設(shè)計中所采用的RFID讀寫模塊采用LB552型，微處理器MCU負(fù)責(zé)向模塊端口發(fā)送命令，從而實現(xiàn)對MIFARE標(biāo)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(shè)計中采用華為GTM900-B型GPRS模塊來實現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)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(shè)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(shè)計

從結(jié)構(gòu)上看，在設(shè)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(fù)責(zé)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(shè)計方式在基礎(chǔ)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)取Ｔ诖嗽O(shè)計了2類數(shù)據(jù)處理模塊，模塊1負(fù)責(zé)將油氣田數(shù)據(jù)導(dǎo)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(shè)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(shè)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(biāo)簽防碰撞算法設(shè)計

當(dāng)標(biāo)簽密度較大時，在閱讀器信號范圍內(nèi)如果出線多個標(biāo)簽同時響應(yīng)，降低讀寫區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽的正確識別和正常讀寫操作，從而導(dǎo)致標(biāo)簽碰撞問題。這一問題是RFID系統(tǒng)設(shè)計時常常遇到的問題之一，會對系統(tǒng)的吞吐量造成嚴(yán)重影響進(jìn)而降低系統(tǒng)整體性能。在當(dāng)前的研究中，對RFID系統(tǒng)中的標(biāo)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(jìn)制的搜索算法等。本文在現(xiàn)有防碰撞算法的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于擴(kuò)頻的ALOHA算法來解決RFID中的標(biāo)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(dāng)檢測到有多個標(biāo)簽同時向閱讀器發(fā)送信號時，則閱讀器向標(biāo)簽發(fā)出停止信號，隨機(jī)等待后再重新發(fā)送以減少沖突。有學(xué)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(chǔ)上，本文利用擴(kuò)頻通信技術(shù)，提出一種以混沌序列為擴(kuò)頻碼的ALOHA算法來解決標(biāo)簽碰撞問題。該算法的基本思想是利用擴(kuò)頻碼的正交性來區(qū)分不同的擴(kuò)頻信號，實現(xiàn)在同頻、同時的特殊條件下區(qū)分和識別標(biāo)簽。本算法主要有兩個基本步驟，第一階段為各標(biāo)簽選用不同的擴(kuò)頻碼傳輸，第二階段當(dāng)擴(kuò)頻碼數(shù)量無法滿足標(biāo)簽ID序列變化而選用相同的擴(kuò)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(biāo)簽的擴(kuò)頻信號并對信號進(jìn)行解擴(kuò)得到標(biāo)簽的ID序列，閱讀器對標(biāo)簽的信號碼片進(jìn)行濾波匹配。以兩標(biāo)簽，即標(biāo)簽a和標(biāo)簽b為例進(jìn)行說明。設(shè)標(biāo)簽a和標(biāo)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(dāng)擴(kuò)頻碼組結(jié)束不能滿足上述變化時，表明無法避免因為擴(kuò)頻碼相同的沖突情形，此時已無法通過擴(kuò)頻碼的正交變換來實現(xiàn)不同標(biāo)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(kuò)頻碼階數(shù)為N，則單個標(biāo)簽碼片的時間長度可求出等于T/LN。進(jìn)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(dāng)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(dá)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(dāng)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(jìn)行了系統(tǒng)總體設(shè)計以及主要技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)計，提出了降低沖突幾率的基于擴(kuò)頻的ALOHA算法，可為類似研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

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