基于RFID的油田鉆具巡檢手持終端的開發(fā)*

李 頎，周 維，薛宇航，何艷麗

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

鉆井和修井使用的各類鉆具是開發(fā)和維護(hù)油井正常運行的生命線［1］。鉆具的及時跟蹤和有效管理對安全鉆井和高效生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的油田鉆具巡檢是以紙質(zhì)記錄為主的人工巡檢模式。從產(chǎn)品入庫、倉儲、發(fā)料、修理、報廢等環(huán)節(jié)，都要反復(fù)多次的數(shù)量清點、標(biāo)記辨認(rèn)和人工記錄等煩瑣工作，巡檢人員需隨身攜帶大量表格，后期需要人工將巡檢數(shù)據(jù)錄入計算機系統(tǒng)，巡檢效率低，并且以紙張為載體的數(shù)據(jù)記錄不靈活，巡檢內(nèi)容有任何改變都需要新印制表格，造成極大浪費，同時缺乏有效的監(jiān)督。所以這種紙質(zhì)的記錄巡檢模式不利于鉆具資源得到合理利用，不利于發(fā)現(xiàn)失效的鉆具，難以適應(yīng)鉆井市場快速的發(fā)展需要［2］。目前，油田鉆具管理采取基于二維條形碼巡檢的方法，二維條形碼的優(yōu)點是成本低，抗干擾能力較強。但是二維條形碼的缺陷是條碼讀取時只能一次一個，讀條碼時需要光線，存儲資料的容量小，條碼資料不可更新，需要靠人工讀取有人為疏失的可能，最重要的是當(dāng)條碼污損將無法獲取，移動讀取有所限制。

針對這些情況，提出基于RFID的油田鉆具巡檢手持設(shè)備的開發(fā)，該手持設(shè)備將嵌入式技術(shù)、RFID技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合完成對鉆具數(shù)據(jù)采集和傳輸，從而實現(xiàn)對鉆具的有效跟蹤和管理。

1 油田鉆具巡檢終端硬件設(shè)計

1.1 油田鉆具巡檢系統(tǒng)介紹

油田鉆具巡檢系統(tǒng)由RFID手持設(shè)備和服務(wù)器組成，巡檢系統(tǒng)示意圖如圖1所示。手持設(shè)備用來識別鉆具上的電子標(biāo)簽的身份信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與巡檢系統(tǒng)服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，將現(xiàn)場巡檢的數(shù)據(jù)發(fā)送到巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，由服務(wù)器進(jìn)行存儲并分析鉆具信息，將分析結(jié)果返回到RFID手持設(shè)備上，由巡檢人員核查設(shè)備，解決問題并及時更新數(shù)據(jù)，將更新的數(shù)據(jù)再通過RFID手持設(shè)備和GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器中儲存。該系統(tǒng)可以保證用戶及時查詢?nèi)我忏@具的相關(guān)信息(如:鉆具名稱、生產(chǎn)單位、規(guī)格、失效時間、失效井號、鋼級、失效井深、生產(chǎn)編號、失效鉆具在組合中的位置、修復(fù)情況、是否進(jìn)行過檢查試驗、使用單位、失效編碼、失效時轉(zhuǎn)速扭距、累計使用時間等)，使鉆具在整個壽命期使用歷史盡詳，準(zhǔn)確跟蹤鉆具信息，防止失效鉆具的使用。

RFID手持設(shè)備具有文件存儲功能，當(dāng)2 G/3 G等無線網(wǎng)路信號弱或者沒有信號導(dǎo)致無法登陸互聯(lián)網(wǎng)時備用，將掃描的編碼信息暫時存儲在RFID手持設(shè)備上，待能通過互聯(lián)網(wǎng)登陸鉆具失效計算機輔助分析系統(tǒng)時，再將編碼信息導(dǎo)入，或者直接通過串口通訊方式導(dǎo)入油田鉆具信息。

圖1 油田鉆具巡檢系統(tǒng)示意圖

其中，RFID手持設(shè)備是由射頻識別模塊、中央處理模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、GPRS通信模塊和電源模塊等組成。RFID手持設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 RFID手持設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

1.2 微處理器

S3C2440A是三星公司推出的一款32 bit ARM9微處理器，它的工作范圍為-40℃ ～+85℃，其寬溫的特點特備適合工業(yè)領(lǐng)域，除了提供常用接口外，還具有以太網(wǎng)控制器接口，USB HOST，USB OTG接口(可配置成Device)，SD/MMC接口，UART接口，I2C接口，CAN總線接口，I2S接口，ADC/DAC接口，特別是集成LCD控制器接口，尤其是支持24 bit真彩色TFT面板。S3C2440A處理器完全可以滿足油田鉆具巡檢系統(tǒng)的需要，豐富的外設(shè)接口資源為將來系統(tǒng)的功能的實現(xiàn)和擴展提供了方便。

1.3 射頻識別模塊

油田鉆具巡檢系統(tǒng)的射頻識別模塊采用了RFID技術(shù)即射頻識別技術(shù)，這是非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻識別信號自動識別目標(biāo)對象并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，識別距離可以達(dá)到幾十厘米到幾米，具有可以同時讀取多個標(biāo)簽的資料，不需要光線可以讀取，存儲資料的容量大，電子資料可以反復(fù)被覆寫，智慧型標(biāo)簽可以很薄且隱藏在包裝內(nèi)仍可獲取資料，在嚴(yán)酷、惡劣的環(huán)境下仍可以讀取，可進(jìn)行高速移動讀取的優(yōu)點。

該系統(tǒng)的模塊主要由RFID芯片MF RC522、晶振、功率放大電路和天線組成，通信距離可以達(dá)到0.1 m。MF RC522是由 NXP公司生產(chǎn)的用于13.56 MHz非接觸式通信中高度集成讀卡IC系列中的一員，不僅兼容14443A/MIFARF標(biāo)準(zhǔn)，還具備低電壓(3.3 V)、低功耗(休眠電流＜LMA)、低成本、尺寸小等優(yōu)點，適用于手持讀寫設(shè)備，并且工作溫度范圍為-30℃～+85℃，適合于油田工作環(huán)境。MF RC522分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分負(fù)責(zé)對射頻卡的發(fā)送接收操作，數(shù)字部分則通過串口和中央控制模塊S3C2440A通信。13.56 MHz晶振負(fù)責(zé)給MF RC522提供能量載波，天線則主要由LC低通濾波器和LC諧振電路組成。MF RC522與S3C2440A接口電路如圖3所示。

1.4 GPRS模塊

本系統(tǒng)中的GPRS模塊采用SIMCom公司推出的一款新型無線模塊-SIM900A.它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，同時采用了功能強大的ARM926EJ-S芯片處理器。SIM900A性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高，采用省電技術(shù)設(shè)計，在SLEEP模式下最低功耗只有 1.0 mA。另外，SIM900A的尺寸大小為24 mm×24 mm×3 mm。能適用于M2M應(yīng)用中的各類設(shè)計需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計。

S3C2440A內(nèi)部提供了2路 UART接口，而SIM900A也為外界的連接提供了UART串口，因此只需要將GPRS模塊的UART口直接和S3C2440A的UART口對應(yīng)引腳相連即可。而GPRS模塊支持1.8 V/3.0 V的SIM卡供電，SIM卡作為GPRS網(wǎng)絡(luò)的一個載體，提供GPRS網(wǎng)絡(luò)的注冊和連接。根據(jù)SIM卡的類型自動選擇輸出電壓，如圖4所示為SIM900A模塊與S3C2440A及SIM卡的連接關(guān)系。

圖3 MF RC522與S3C2440A接口電路

圖4 SIM900A與S3C2440A及SIM卡的連接關(guān)系

2 巡檢手持終端軟件的設(shè)計

2.1 GPRS模塊驅(qū)動程序的開發(fā)

嵌入式手持終端經(jīng)過PPP撥號進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)，得到移動 IP地址。后臺數(shù)據(jù)庫主動接入Internet網(wǎng)絡(luò)并保持Socket監(jiān)聽狀態(tài)，手持終端建立Socket，然后向后臺數(shù)據(jù)庫發(fā)起連接申請，這樣在保持Socket連接的狀態(tài)下，就可以實現(xiàn)手持終端和數(shù)據(jù)庫的通信。對于GPRS通信模塊的驅(qū)動問題，實際上就是如何通過串口給GPRS模塊發(fā)AT指令進(jìn)行控制的問題。所謂AT指令集是從TE或DTE向TA或DCE發(fā)送的。通過TA、TE發(fā)送AT指令來控制MS的功能，AT指令集的基本格式:AT+命令字符及相關(guān)設(shè)置參數(shù)。其主要指令集如下:

(1)AT+CGDCONT:設(shè)置PDP上下文。

這條命令的典型用法如下:AT+CGDCONT=I，"IP"，"CMNET"。

(2)AT*E2IPA:激活I(lǐng)P命令，該指令允許激活模塊的IP程序段。

(3)AT*E2IPO:IP連接/打開命令(建立TCP連接)。

(4)命令返回模式

在線模式，如果釋放DTR信號，SIM900A就會從在線模式轉(zhuǎn)換到命令模式，此時還是會繼續(xù)保持之前建立的連接。在SIM900A進(jìn)入命令模式后，可以通過串口發(fā)送AT命令執(zhí)行其他的操作。

(5)在線返回模式

當(dāng)執(zhí)行完AT指令后，可以使用ATO指令來重新返回到在線模式。如果原來的連接沒有中斷的話，則可以繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

(6)關(guān)閉連接

如果系統(tǒng)中斷了當(dāng)前連接，SIM900A會返回到命令模式，并通過串口返回字符串“NO CARRIER”。也可以AT指令實現(xiàn)IP連接的關(guān)閉。

(7)釋放IP

當(dāng)完成數(shù)據(jù)傳輸后，用戶可以使用AT*E2IPA=0，l來釋放之前分配給SIM900A的IP地址。

具體AT指令還可以通過如下一個函數(shù)實現(xiàn):

2.2 Linux下RFID模塊驅(qū)動的實現(xiàn)

在此手持設(shè)備上已移植好的開發(fā)板提供的版本號為2.6.31的嵌入式linux內(nèi)核，選用交叉編譯環(huán)境arm-linux-gcc 4.1.2在redhat9下進(jìn)行編譯運行在該手持設(shè)備上的驅(qū)動程序。在嵌入式linux內(nèi)核中已對LCD模塊驅(qū)動、SD卡模塊驅(qū)動和GPRS模塊驅(qū)動有很好的支持。主要對其中一些管腳進(jìn)行相關(guān)的修改，然后在redhat9終端下輸入“make menuconfig”對各模塊驅(qū)動選中，然后通過交叉編譯，就能生成該手持設(shè)備識別的驅(qū)動。由于MF RC522要作為一個全新的設(shè)備添加到linux內(nèi)核中，所以在這本文主要介紹RFID驅(qū)動的實現(xiàn)、編譯和加載過程。

首先根據(jù)硬件引腳連接情況和引腳要實現(xiàn)的功能定義rfid_table［］和 rfid_cfg_table［］兩個數(shù)組。其次，將在裸機上實現(xiàn)的RFID功能函數(shù)如:RFID初始化、尋卡、防碰撞、讀寫卡等函數(shù)移植過來。為了實現(xiàn)用戶對該設(shè)備的訪問需要定義struct file_operations結(jié)構(gòu)體。

把驅(qū)動編譯成內(nèi)核模塊，驅(qū)動編寫完之后需要進(jìn)行Makefile文件的編寫。Makefile文件內(nèi)容如下:

在終端linux-2.6.31/driver/char目錄下輸入make，編譯成功后如圖所示1生成“mymodule.ko”。編譯完成后在串口終端下通過“rz”命令將“mymodule.ko”加載到手持設(shè)備中，加載成功后如圖5所示。

圖5 ko文件編譯成功圖

圖6 手持終端驅(qū)動加載成功圖

2.3 手持設(shè)備用戶應(yīng)用界面的開發(fā)

為了實現(xiàn)用戶對該手持設(shè)備操作的靈活性，因此，本文對該手持設(shè)備RFID讀取應(yīng)用程序進(jìn)行了開發(fā)。

RFID用戶應(yīng)用程序時采用Qt4.5.3版本進(jìn)行開發(fā)。首先下載qt-x11-opensource-src-4.5.3.tar和qt-embedded-linux-opensource-src-4.5.3.tar安裝包，然后在redhat9下對這兩個安裝包進(jìn)行解壓安裝，安裝成功后需要在redhat9終端下輸入命令“vi/etc/profile”對編譯環(huán)境進(jìn)行配置。通過命令“source/etc/profile”使命令生效。本文采用Qt4 Designer開發(fā)工具進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)其步驟如下:①創(chuàng)建和初始化子部件;②設(shè)置子部件布局;③設(shè)置Tab鍵次序(不是必須);④建立信號與插槽的連接。

Qt4 Designer將界面設(shè)計組織成.ui的文件:①通過designer設(shè)計并保存工程為＊＊.ui文件保存到一個文件夾內(nèi)部;②通過uic-or rfid.ui ui_rfid.h命令生成ui_rfid.h庫文件;③編寫一個main.cpp文件;④編寫rfid.cpp和rfid.h文件;⑤使用qmake工具生成.pro工程文件 qmake-project;⑥生成makefile文件qmake;⑦編譯make。編譯生成的界面如圖7所示。

圖7 編譯生成的Qt用戶界面

由于Qt程序具有一次編寫處處編譯的特點，在這本文最后更改為qt-embedded-linux編譯環(huán)境對Qt應(yīng)用程序進(jìn)行編譯生成運行在開發(fā)板的可執(zhí)行程序。

3 結(jié)語

本文基于RFID的油田鉆具巡檢手持終端采用RFID免接觸自動識別技術(shù)，利用GPRS無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)對每根鉆具的有效跟蹤。實驗結(jié)果表明，提出的鉆具巡檢手持終端能準(zhǔn)確完成對鉆具數(shù)據(jù)的采集和傳輸，通信可靠，與傳統(tǒng)巡檢模式相比更加準(zhǔn)確有效，對于即將報廢的鉆具提出預(yù)警，有效防止失效

鉆具給鉆井作業(yè)帶來的安全問題和經(jīng)濟(jì)損失，實現(xiàn)鉆具跨地域的有效管理，極大促進(jìn)油田安全生產(chǎn)。

［1］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999.

［2］王運梅，李琛，馬建民.基于RFID技術(shù)開發(fā)的油田鉆具數(shù)字化管理系統(tǒng)［J］.石油礦場機械，2007，36(7):71-74.

［3］劉偉峰，莊奕琪，唐龍飛.一種全新的無源超高頻標(biāo)簽芯片架構(gòu)設(shè)計［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2010，37(6):1092-1099.

［4］田景賀，范玉順，朱云龍.基于RFID的煙草物流分揀系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27(6):1873-1880.

［5］孫紅，任杰.全新理念的倉庫管理模型設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27(6):2542-2543.

［6］田景賀，朱云龍，南琳，張磊.基于RFID數(shù)據(jù)采集的自動化倉庫管理系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報，2007，28(4):542-546.

［7］王海玲，胡琨元，朱云龍.基于ARM9+Linux的RFID智能終端設(shè)計［J］.微計算機信息，2008，24(11):19-21.

［8］程明，鄧小祥.基于ARM的RFID數(shù)據(jù)移動終端系統(tǒng)的設(shè)計［J］.計算機與應(yīng)用化學(xué)，2011，28(7):907-910.

［9］翟鴻雁.RFID與傳感器網(wǎng)絡(luò)集成方法研究［J］.現(xiàn)代計算機，2011，33(2):22-23.

［10］楊陽，胡耀光，周玉偈.基于ARM的RFID數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計［J］.信息化技術(shù)，2011，12(4):41-44.

［11］王爽，沈繼偉.安全PRESENT加密算法的硬件實現(xiàn)［J］.科技傳播，2011，22(6):174-177.