基于RFID 技術的測井用放射源及源庫監(jiān)控系統(tǒng)的設計

江 月

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

在油田開發(fā)的過程中，放射性測井方法一直占據著非常重要的地位。大慶油田放射源主要是測試技術服務分公司和測井公司使用的測井用放射源，分為密閉型及非密封型兩類，包括誘發(fā)式中子源(241Am -Be)、示蹤流量測井用同位素微球(133I、131Ba)、連續(xù)示蹤相關測井用液體同位素(131Ba)、三相流測井用放射源(109Gd)、水泥環(huán)密度測井用放射源(137Cs)以及其他刻度試驗用放射源(137Cs 或60Co)等。大慶油田幅員遼闊，放射源使用廣泛，隨著當前環(huán)保、健康、安全等方面的要求不斷提高，放射源的管理難度越來越大。因此，亟需針對放射源和放射性源庫開展實時監(jiān)控，防止放射源在保存、運輸或使用過程中丟失或遺漏等事故的發(fā)生。

本文介紹了一種放射源和放射源庫監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)放射性劑量監(jiān)控、放射性監(jiān)控目標跟蹤定位、放射性源庫實時監(jiān)控等功能。

1 跟蹤定位技術原理

1.1 RFID 射頻技術

RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

射頻識別(RFID)系統(tǒng)主要由電子標簽(Tag 或Transponder)、RFID 讀寫器(Reader Interrogator)、天線(Antenna)三部分構成，工作原理如圖1 所示。

電子標簽一般由芯片以及耦合元器件組成，芯片上有EEP2ROM 用來儲存識別碼或其他數(shù)據，標簽內含有內置天線，主要功能是完成與讀寫器的通信。電子標簽采用主動標簽，主動發(fā)出射頻信號方式。標簽中芯片的能量由電子標簽所附的電池提供，工作頻段在微波(2.45 GHz/5.8 GHz)［1］。

RFID 讀寫器的任務是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其他相關信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。

圖1 RFID 射頻技術原理

天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。RFID 的通信距離(監(jiān)控范圍)受RFID 芯片頻段、天線的收發(fā)能力、讀寫器的性能、磁場和周邊環(huán)境的干擾等因素的影響，一般來說，無源標簽的通信距離在10 m 左右，有源標簽的通信距離最大可達100 m。

1.2 GPS/GSM 無線定位通信技術

GPS(Global Positioning System)即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，GSM(Global System for Mobile Communication)即全球移動通信系統(tǒng)。利用GSM 短消息進行遠程無線通信，具有通信成本低，不受通信線路及地區(qū)限制、保密性高、可靠性高、抗干擾能力強等特點，且使用方便、靈活，通訊快捷，為遠程數(shù)據傳送和監(jiān)控設備的通信提供了一個強大的支持平臺。

2 放射源及源庫監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

本文介紹的放射源及放射性源庫監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于RFID 與GPS/GSM 技術來設計的，通過RFID 射頻識別技術及GSM 技術實現(xiàn)對放射源目標進行非接觸式信息采集處理。當放射源出現(xiàn)未經授權的非法移動，離開RFID 監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍時，監(jiān)控系統(tǒng)將報警并通過監(jiān)控中心的信息系統(tǒng)及時通知值班人員和監(jiān)管部門，附著在放射源上的電子標簽自動啟動實時監(jiān)測、跟蹤功能，并通過定位系統(tǒng)對放射源進行定位，實現(xiàn)放射源管理目標的自動化監(jiān)控管理。系統(tǒng)工作模式圖如圖2 所示。

圖2 放射源及放射性源庫監(jiān)控系統(tǒng)工作模式圖

系統(tǒng)劑量監(jiān)控模塊采用RSM900C -II/A 輻射劑量監(jiān)控器，該裝置可對X、Gamma 外照射空氣吸收劑量率進行測量并在出現(xiàn)異常狀況時實時報警，提醒工作人員放射源或射線裝置已處于工作或泄漏狀態(tài)。RSM900C-II/A 輻射劑量監(jiān)控器采用單片機作為數(shù)據處理單元，通過標準串行通訊接口、433 MHz 無線傳輸方式與計算機連接傳輸數(shù)據。該裝置可存儲12 個月的歷史記錄，設有報警功能，報警閾值可任意設置，當劑量率超過設定閾值時監(jiān)控器將向系統(tǒng)發(fā)送報警信息［2］。

系統(tǒng)采用的電子標簽是nRF2401 單片射頻收發(fā)芯片［3］，該芯片工作于2.4 GHz ～2.5 GHz ISM 頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該芯片能耗非常低，以-5 dBm 的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，具有集成化、多工作模式、節(jié)能設計方便等優(yōu)點。

該系統(tǒng)的RFID 讀寫器由目前該領域比較成熟的STC89E516 MCU、EM4095 讀寫芯片(工作頻段100 ～150 Hz)及配套電路構成［4］，系統(tǒng)通過標準串行通訊接口與RFID 讀寫器連接，讀取電子標簽內部的編碼信息，實現(xiàn)對監(jiān)控對象的實時監(jiān)控。

在定位及通訊設計過程中，本系統(tǒng)通過接口切入與油田GPS 定位系統(tǒng)進行了對接，在電子標簽通過大慶油田GPS 系統(tǒng)實現(xiàn)對監(jiān)控對象的定位及通信功能。

2.2 RFID 編碼規(guī)則

RFID 技術在應用時，需要按照既定規(guī)則對放射源進行數(shù)據編碼，國家環(huán)境保護總局文件環(huán)發(fā)［2004］118 號定義了放射源的編碼規(guī)則［5］，本系統(tǒng)按照該文件的規(guī)則進行放射源編碼，方法是將RFID 芯片的64 個字節(jié)中的每8 個字節(jié)設為一個編碼單位，不同編碼單位代表不同含義。

第1 -2 個編碼為放射源來源，國內生產的放射源，來源為兩位數(shù)字表示的生產單位代碼;國外生產的，來源為兩位字母表示的生產國家代碼。第3 -4 個編碼單位為出廠時間，用生產年份的后2 位數(shù)字表示。如2013年出廠的放射源，則填寫13。第5 -6 個編碼單位為放射源的核素代碼。第7 -8 個編碼單位為放射源序列號。

按照上述編碼規(guī)則對全部放射源及放射性監(jiān)控對象進行編碼，寫入RFID 芯片及系統(tǒng)數(shù)據庫，系統(tǒng)運行時，即可對放射性監(jiān)控對象進行定向掃描。

2.3 人機交互界面設計

系統(tǒng)包括源庫劑量監(jiān)控、射頻識別、GPS 定位、視頻監(jiān)控等模塊，不同權限用戶登陸后可以按照用戶安全級別進行相關允許操作，包括修改系統(tǒng)設置、監(jiān)控對象移動授權等。系統(tǒng)允許管理員根據需要進行劑量監(jiān)控掃描時間、預警劑量上限、射頻識別設備啟停時間、射頻識別掃描時間等系統(tǒng)設置以及監(jiān)控對象信息錄入、數(shù)據庫導出等操作。

DQJY 放射源及源庫監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖3 所示。射頻識別設備啟動后，系統(tǒng)開始對數(shù)據庫中的監(jiān)控對象發(fā)出要求，監(jiān)控對象附著的電子標簽將按照通訊協(xié)議將自身唯一的RFID 編碼反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)接收數(shù)據后對反饋信號進行判斷，若比較數(shù)據信息一致，如監(jiān)控對象在合法距離范圍內則對電子標簽應答;若比較信息不一致，系統(tǒng)判斷監(jiān)控對象出現(xiàn)異常情況，預警模塊將啟動，相關預警信息將發(fā)出，并通過GPS 定位模塊對監(jiān)控對象進行定位。

3 放射源及源庫監(jiān)控系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試過程采用的監(jiān)控對象為同位素釋放器2個，鉛制密閉刻度源儲存罐2 個，電子標簽放置位置分別在同位素釋放器表面和鉛制放射源儲存罐內部。測試結果如表1 所示。

圖3 DQJY 放射源及源庫監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖

測試結果顯示，本系統(tǒng)可以準確識別放射性監(jiān)控對象的非法移動，并在源庫放射性劑量出現(xiàn)超出閾值的異常變化(增大或減小)時發(fā)出警報提示監(jiān)控人員。

4 結論

針對油田生產實際需求，基于輻射劑量監(jiān)控技術、RFID 設計技術和GPS 定位技術開發(fā)出了放射源及源庫監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許監(jiān)控對象有10 m/s 的移動速度，識別距離可達50 m，可同時識別100 個監(jiān)控對象，數(shù)據庫的信息存儲量為5 000 條，電子標簽的電池使用時間為3 年。

表1 放射源及放射性源庫監(jiān)控系統(tǒng)測試結果

系統(tǒng)測試結果顯示，當放射源出現(xiàn)非法移動并超出監(jiān)控范圍時，該系統(tǒng)可以定向識別并實時顯示放射源所在位置，定位精度小于5 m。

該系統(tǒng)可對放射性監(jiān)控對象的非法移動進行跟蹤定位，輔助放射性源庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效防止放射性監(jiān)控對象的失竊和遺失等情況的出現(xiàn)。

［1］張麗英，王憲偉，莊乾章，等. 基于RFID、GSM 技術的放射源防盜示蹤系統(tǒng)的設計［J］.微計算機信息，2010，26(7 -2)，187 -189.

［2］北京萬維盈創(chuàng)科技發(fā)展公司.RSM900C-II/A 輻射劑量監(jiān)控器產品手冊［Z］.2011(資料)

［3］劉 濤，張麗英，張斌達.基于GPS/GSM 的放射源跟蹤定位系統(tǒng)設計［J］. 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22(6):166-168.

［4］EM Micro-Electronic-Marin SA. EM4095/EM4100 datasheet.2002 (資料)

［5］ 顏擁軍，周劍良.基于RFID 的放射源跟蹤管理系統(tǒng)設計［J］.核電子學與探測技術，2008，28(4):687 -690.