基于射頻識別技術的油水井數據采集巡檢系統

任偉建，程仁杰，康朝海

(東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

國內傳統的石油管線、設備巡檢、落實現場生產情況、采集生產現場相關生產參數，采用的是人工巡視、手工紙質記錄的工作方式， 存在設備臺數多、數據量大，紙質巡檢信息必須錄入電腦，其過程不僅耗時耗力，而且還可能存在數據丟失等問題，制約了決策工作的開展[1]。另一方面，盡管采取翻牌、簽到等輔助措施，制訂巡檢管理辦法，但巡檢人員是否定時定點對設備進行巡視仍然無法有效掌控[2]。隨著油水井建設與日俱增，其維護任務也越來越繁重，人工巡線方式急需改進，迫切需要引入一種智能的基于射頻識別(RFID)技術的油水井數據采集巡檢系統[3]。近幾年來，隨著RFID技術的迅猛發展，應用范圍遍及制造、物流、醫療、運輸、零售、國防等領域[4]。高德納咨詢公司(Gartner Group)認為，RFID是建議企業可考慮引入的十大策略技術之一[5]。然而到目前為止，并沒有一種比較先進的巡檢系統應用到油田油水井的巡檢工作上，因而筆者設計了一種基于當前先進的RFID技術，結合分組無線業務GPRS(General Packet Radio Service)，GIS及基于TCP/IP的遠程數據通信技術的油水井數據采集巡檢系統。該系統記錄了人員到位信息并對油水井數據信息進行采集，可以將巡檢數據實時上傳至中心服務器， 也可以把數據暫存到個人數字處理(PDA)中，使用數據線連接PDA與上位機，通過數據導入軟件將采集到的油水井數據保存到上位機數據庫中。操作人員在PC終端，通過不同的訪問權限，可以查詢巡檢的各種結果。該系統有效地解決了人員到位困難和巡檢數據不及時等問題，并能對巡檢數據進行分析、整理，使調度人員對油水井設備的運行情況一目了然，實現了巡檢管理的信息化和規范化。

1 射頻識別技術

RFID是一種非接觸式的自動識別技術[6-10]。通過射頻信號識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，作為條形碼的無線版本，RFID技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量大、存儲信息更改自如等優點[11-15]。基本的RFID系統組成如圖1所示。

圖1 RFID技術的硬件系統組成示意

RFID工作原理： 應用一定的識別裝置，通過被識別對象與識別裝置之間的互動，自動獲得被識別對象的相關信息[16-17]。具體過程： 閱讀器發射特定頻率的無線電波給應答器(電子標簽)，應答器電路將內部的數據送給閱讀器，閱讀器接收解讀后將數據送給應用程序進行相關的處理。

2 系統設計

油水井生產數據采集巡檢系統包括三部分： 1) 生產參數采集模塊，對油水井生產參數進行實時采集；2) GPRS通信管理模塊，該模塊包括發送和接收兩部分，當上位機軟件發起通信請求時，還要負責握手和建立通信鏈路；3) 智能監測模塊。監測中心主站系統為用戶提供可視化的監測界面，讓用戶直觀、方便、快捷地了解油水井的運行狀態和巡檢的動態信息。同時，用戶通過查詢歷史數據庫，可以調出系統參數的歷史運行狀態曲線，為油田生產提供數據支持。

2.1 生產參數采集模塊

在油水井數據采集巡檢系統中，亟待解決的是如何把油水井的數據快捷方便地讀取出來。傳統的方法是小隊巡檢人員自帶檢測儀表，到達巡檢地點時，把檢測儀表安裝到油水井上，讀取油水井數據，然后手工記錄油水井數據，回到調度中心把數據手動錄入Excel表格中進行統計，這種方法費時費力，還有可能出現漏點或編造數據的可能性。經過大量的實驗研究，筆者研發了一種基于無線射頻傳感器的檢測儀表，該儀表主要包括2個模塊： 傳感器模塊(如壓力傳感器)；RFID數據寫入模塊和RFID射頻卡。傳感器采集油水井數據(模擬信號)后經過分壓電阻傳送給RFID讀寫模塊，其中模擬電壓的采集在0～3.3V，分辨率為10位；RFID寫入模塊右端輸入3.3V或5V的直流電壓作為電源，把RFID射頻卡固定在RFID寫入模塊的正下方，RFID寫入模塊上自帶單片機、A/D轉換器，把傳感器采集到的模擬信號轉換為數字信號。當給RFID寫入模塊通電后，RFID寫入模塊向RFID射頻卡中寫入傳感器采集到的油水井數據，指示燈長亮2s表示采集成功，從而把油水井數據直接存入到RFID射頻卡中，經過封裝，從而形成了新型的檢測儀表。手持器終端系統裝有無線射頻讀取模塊，在巡檢的過程中能夠直接把檢測儀表的油水井數據通過無線射頻的方式采集出來，再通過GPRS通信管理模塊傳到智能檢測系統，從而解決了油水井數據快捷讀取，實現了系統的規范化操作。

2.2 GPRS通信管理模塊

2.2.1公網動態IP+動態域名解析傳輸方式

在油水井數據采集巡檢系統中，要求數據傳送及時，由于油水井網絡設備數目眾多、分布范圍廣、距離遠，若采用有線通信，則存在鋪設復雜、維護困難、成本較高等缺點[18-20]。所以該系統采用GPRS進行數據傳輸。如圖2所示，該方案的后臺管理中心采用動態IP+動態域名解析的方式，嵌入式終端通過GSM基站接入GPRS網絡，由GPRS網關支持節點GGSN(Gateway GPRS Support Node)網關匯集后，經移動互聯網的防火墻、路由器，連接后臺管理中心。后臺管理中心通過撥號或ADSL等接入Internet，由于接入所獲得的IP地址不是固定的，因而要經過動態域名解析的過程。首先采油廠通過DNS服務商開通域名，終端則采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到監控中心公網動態IP，然后通過“花生殼”軟件進行動態域名綁定，建立鏈接。

2.2.2后臺管理中心的設置

后臺管理中心通過ADSL連接到Internet，并配置Web服務器，操作系統可以采用Windows 2003 Server，數據庫可以選用Oracle11g，在建立好Web服務器之后，采用“花生殼”動態域名解析系統，首先申請賬號，并注冊域名，然后下載安裝配置“花生殼客戶端2008”。聯網運行客戶端，就可以實現動態域名解析，從而使PDA手持設備連接到后臺管理中心網站。

2.3 智能監測模塊

油水井智能監測模塊包括RFID巡檢、系統管理兩部分，如圖3所示。

圖3 智能監測模塊流程示意

1) RFID巡檢包括巡檢井號對應列表、數據可視化分析、GIS地圖實時監測、數據導入界面。

a) 巡檢井號對應列表。每一個RFID標簽號唯一對應一個油水井的井號，所以需要一個界面對它進行管理，當RFID標簽出現損壞進行更換時，能夠及時地更新對應信息，以便正確地讀取油水井的數據，防止出現誤讀、錯讀現象。

b) 數據可視化分析。把通過PDA手持設備采集到的油水井數據可視化，以便分析油水井當月的油壓、套壓、電流變化趨勢圖，使工作人員更加清晰地去了解當月或當年的油水井數據變化。

c) GIS地圖實時監測。通過無線通信技術與地理信息系統相結合，能夠實時監測巡檢人員當前的位置，如果巡檢人員出現漏點等錯誤，能夠及時地進行通知改正。當巡檢人員開始巡檢某油水井時，包括井號的油水井數據信息通過GPRS遠傳回上位機的數據庫中，GIS檢測到有井號傳進數據庫，進行定位并且在地圖上顯示標識，并且在巡檢過的每口井之間進行連線，表示巡檢人員走過的路線，當巡檢人員完成巡檢任務時，監測中心軟件分析形成GIS巡檢路線圖，并進行保存，監管人員可以查閱近期的GIS巡檢路線圖，實現了巡檢線路回放功能。同時單擊每口油水井時，會出現該油水井的相應數據信息。

d) 數據導入界面。由于一些客觀原因，數據無法及時地回傳給上位機，因而可把油水井的數據信息暫時存儲到PDA中，回到管理中心通過局域網Wifi或USB將數據成功地導入到上位機的Oracl數據庫中。

2) 系統管理包括部門信息管理和人員信息管理兩部分。部門信息管理是對油水井各個部門進行管理；人員信息管理主要是對企業領導、巡檢人員、管理人員進行管理，不同的人員所看到的界面和權限是不一樣的，這樣方便人員進行操作。

3 結束語

筆者研發的油水井數據采集巡檢系統，是在射頻傳感器、GPRS網絡、PDA上結合油田作業區需求開發的標準化系統。通過分析油水井巡檢和數據采集流程等，在PDA中結合WINCE嵌入式開發技術、無線通信技術、無線射頻技術，在手持器上實現了油水井巡檢、油水井數據采集、語音提示、巡檢油水井數據存儲等功能；上位機的智能監測系統結合GIS利用.NET服務器技術、AJAX異步通信技術、TCP/IP的遠程數據通信技術等，讓用戶直觀、方便、快捷地了解油水井的運行狀態和巡檢的動態信息。同時，用戶通過查詢歷史數據庫，可以調出系統參數的歷史運行狀態曲線，可以為油田生產提供數據支持。使用單位通過使用該系統實現對目標對象數字化、可視化、實時化管理，切實地提高了緊急故障處理的能力和協調水平，保障了油田作業區域設備的安全可靠運行。

參考文獻：

[1]郭傳奇，王明渝.基于GPRS通信技術的電力巡檢系統設計[J].自動化儀表，2007，28(07)： 39-42.

[2]陳啟卷，毛慧和，肖志懷，等.便攜式電力設備巡檢裝置[J].

電力系統自動化，2001，25(03)： 61-63.

[3]折宏圖，康厚強，陳虹.射頻識別技術(RFID)在石油管道巡檢中的應用[J].現代電子技術，2007，30(增刊1)： 184-186，189.

[4]成修治，李宇成.RFID中間件的結構設計[J].計算機應用，2008，28(04)： 1055-1057，1060.

[5]申曉留，雷瓊，周長玉.變電站、發電廠設備巡檢管理系統的發展[J].現代電力，2003，20(01)： 76-79.

[6]殷波，鄧恒，樊大偉.基于條碼技術的變電站巡檢系統[J].繼電器，2002，30(10)： 58-60.

[7]徐海猛.基于Pocket PC和.NET平臺的變電站巡檢系統的設計與實現[D].北京： 北京郵電大學，2006.

[8]王江濤，王劍，蔡伯根.基于GPS和RFID技術的鐵路信號設備巡檢系統[J].鐵路學報，2006，28(05)： 90-94.

[9]崔秀玉，王志勇，王成祥.GPRS技術在電力系統通信中的應用[J].電力系統通信，2004，25(08)： 3-4.

[10]施慧，王軍，陳安衛.基于GPRS通信技術的臺區變壓器遠程抄表系統[J].中國電力，2007，40(07)： 82-85.

[11]張新成，李慶亮，吳相林，等.基于GPRS遠程數據采集系統的設計與實現[J].計算機工程與設計，2006，27(14)： 2561-2563.

[12]郜向陽，李墨雪，王庫.GPRS無線數據傳送在遠程采集系統中的應用[J].儀表技術，2006，28(01)： 18-19.

[13]周封，王晨光.基于GPRS的電網調度自動化系統的通信方式[J].電力系統通信，2008，29(06)： 34-35.

[14]黎水平，賀建軍.基于GPRS的配電變壓器在線監控系統研究[J].自動化儀表，2008，29(09)： 33-35.

[15]邢毅，齊書情，盛戈碑，等.基于GPRS的輸電線路狀態數據采集通信系統的設計與實現[J].工業控制計算機，2008，21(05)： 35-38.

[16]高偉，廖勇.PDA在電力巡線系統中的應用[J].云南電力技術，2004，32(01)： 12-14.

[17]張建宏，裴仁清，李亞靜，等.自動化設備的遠程監控系統[J].自動化儀表，2002，23(07)： 56-57.

[18]朱麗麗.嵌入式數據庫實現技術的研究[J].金陵科技學院學報，2008，25(03)： 20-25.

[19]王叢剛，王青云.基于PDA移動客戶的網絡應用研究[J].計算機應用研究，2002，19(03)： 118-119.

[20]李曉海，南新元.GPRS無線通信在油井集中監控系統中的應用研究[J].化工自動化及儀表，2012，39(01)： 130-132.