基于RFID的鉆井工具跟蹤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅遠(yuǎn)平 梅大成 胡秋玉

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，利用物流網(wǎng)相關(guān)技術(shù)取代傳統(tǒng)的滯后的物流查詢方式成為可能。該文設(shè)計(jì)了以S3C6410為微處理器的鉆井工具跟蹤管理系統(tǒng)，能對(duì)昂貴的鉆具進(jìn)行有效的、準(zhǔn)確的物流跟蹤及實(shí)現(xiàn)防丟防盜功能，保證對(duì)鉆具的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該文重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的工作原理、檢測(cè)跟蹤設(shè)備的硬件平臺(tái)搭建、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞：S3C6410；RFID； GPS；GPRS；鉆井工具跟蹤管理

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）05-0946-03

Design of the Trackable and Management System of Drilling Tools Based on RFID

LUO Yuan-ping， MEI Da-cheng， HU Qiu-yu

（College of Computer Science， Southwest Petroleum University， Chengdu 601500， China）

Abstract： With the continuous development of related technologies of The Internet of Things， its possible that using it to replace the traditional query mode of logistics. The paper introduces a trackable and management system of the drilling tool which base on S3C6410 microprocessor ， this system can be used in effective and accurate logistics tracking for expensive tools ，and achieve the anti-theft function， come true the real-time monitoring of drilling tools. Mainly introduces the working principles of the system ， the construction of the hardware platform of detection and trackable equipment， the design process of system software.

Key words： S3C6410；RFID；GPS；GPRS；trackable and management system of the drilling tool

1 概述

當(dāng)今世界，石油在能源之中占主導(dǎo)地位，它極大推動(dòng)了世界的發(fā)展，文明的進(jìn)步。石油開采技術(shù)和工具也在不斷的更新?lián)Q代，從人工掘井到現(xiàn)在使用旋轉(zhuǎn)鉆，所使用的工具數(shù)量與種類不斷增加，隨之而來的是鉆井工具管理的混亂。目前傳統(tǒng)的物流查詢方式都是固定地點(diǎn)掃描，這些物流信息不是實(shí)時(shí)的，無法準(zhǔn)確掌握鉆井工具所處的位置信息，而且運(yùn)輸過程中難免會(huì)出現(xiàn)丟失、被盜等情況。該文旨在通過物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井工具，如吊鉗、吊卡、卡瓦等的跟蹤管理，來改善鉆井工具管理混亂的局面。

目前對(duì)鉆井工具的管理主要通過在鉆具上沖壓數(shù)字和條形碼等傳統(tǒng)的不可靠的識(shí)別方法，很難對(duì)鉆具進(jìn)行快速的、有效的、準(zhǔn)確的識(shí)別和管理。使用RFID標(biāo)簽不僅可以提升識(shí)別速度和提高準(zhǔn)確性，而且在各種惡劣條件下都可以正常工作，RFID射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體以及多個(gè)電子標(biāo)簽都能識(shí)別，操作快捷方便?；谶@些特點(diǎn)，RFID技術(shù)非常適用于鉆井工具跟蹤管理。

2 系統(tǒng)方案綜述

鉆井工具跟蹤管理系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和若干個(gè)檢測(cè)跟蹤點(diǎn)組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

其中，檢測(cè)跟蹤點(diǎn)以S3C6410為核心微處理器，外置設(shè)備有GPS模塊，GPRS模塊，CC1100E模塊，分別完成定位，數(shù)據(jù)傳輸，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽信號(hào)的收發(fā)。監(jiān)控中心主要完成對(duì)檢測(cè)跟蹤點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

圖1 鉆井工具跟蹤管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文研究系統(tǒng)應(yīng)用原理如下：為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井工具的實(shí)時(shí)跟蹤，必須在工具上安裝RFID標(biāo)簽，通過檢測(cè)跟蹤設(shè)備實(shí)時(shí)讀取相關(guān)信息，讀取時(shí)間間隔可根據(jù)要求自行設(shè)定，讀取的數(shù)據(jù)和GPS模塊的定位數(shù)據(jù)可通過GSM/GPRS模塊上傳至監(jiān)控中心。

當(dāng)對(duì)鉆井工具進(jìn)行運(yùn)輸是，檢測(cè)跟蹤設(shè)備開啟工作，途中對(duì)貨車中所運(yùn)輸?shù)墓ぞ哌M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，上傳相關(guān)數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，若出現(xiàn)鉆井工具上的RFID標(biāo)簽與檢測(cè)跟蹤設(shè)備中斷檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)設(shè)備需立即向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息（記錄時(shí)間和地點(diǎn)），同時(shí)向運(yùn)輸人員發(fā)送短信提醒，監(jiān)控中心管理人員和運(yùn)輸人員可迅速做出相應(yīng)處理措施，檢測(cè)運(yùn)輸物品是否出現(xiàn)丟失或被盜等情況。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)跟蹤設(shè)備硬件主要由以S3C6410為核心微處理器、RFID模塊、GPS模塊及GSM/GPRS模塊組成，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價(jià)比的RISC處理器，內(nèi)核基于ARM1176JZF-S，內(nèi)置強(qiáng)大的硬件加速器和16KB/16KB I/D緩存，處理器可同時(shí)接收兩條指令并實(shí)現(xiàn)多條讀寫指令同時(shí)執(zhí)行。

圖2 檢測(cè)跟蹤設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 RFID模塊

最基本的RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、閱讀模塊、天線，每一個(gè)電子標(biāo)簽具有唯一的編碼，存儲(chǔ)著被附著物體的基本信息，根據(jù)電子標(biāo)簽的供電方式，可分為有源標(biāo)簽，無源標(biāo)簽，半有源半無源標(biāo)簽。由于無源標(biāo)簽具有壽命長(zhǎng)、體積小巧、無需電源可長(zhǎng)期無需維護(hù)的特點(diǎn)特別適用于鉆井工具的跟蹤管理，因此選用無源標(biāo)簽作為本系統(tǒng)電子標(biāo)簽。

本系統(tǒng)采用超高頻系統(tǒng)可滿足要求，超高頻系統(tǒng)的閱讀典型距離為4-6米，最大可達(dá)10米以上，滿足系統(tǒng)要求。閱讀模塊與無源標(biāo)簽的耦合方式為電磁耦合方式，閱讀模塊可為無源標(biāo)簽提供射頻能量，驅(qū)動(dòng)無源標(biāo)簽工作。

超高頻RFID閱讀模塊射頻部分所采用的芯片為CC1100E，此芯片是一款Sub-GHz高性能射頻收發(fā)器，用于極低功耗RF應(yīng)用。CC1100E工作頻率為470-510MHz和950-960MHz，該文采用SPI接口將CC1100E與核心微處理器S3C6410連接進(jìn)行通信，S3C6410芯片作為數(shù)據(jù)處理模塊，完成對(duì)CC1100E信號(hào)無線收發(fā)的控制、對(duì)通信過程中標(biāo)簽ID號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證及確保通信的正確性和安全性。

3.2 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS模塊負(fù)責(zé)定位鉆井設(shè)備所在位置，使得監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)掌握動(dòng)向。該文采用的GPS模塊型號(hào)為 JRC G591，此模塊基于JRC第九代方案，它的優(yōu)點(diǎn)：體積小巧、定位精度高，誤差距離小于2.5m、搜尋衛(wèi)星信號(hào)能力強(qiáng)。JRC G591通過UART接口與S3C6410鏈接，串行傳輸GPS定位數(shù)據(jù)到S3C6410上進(jìn)行處理。

3.3 GPRS 模塊設(shè)計(jì)

GPRS模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將鉆井設(shè)備狀況及位置信息傳遞到監(jiān)控中心。該文采用華為公司的GTM900-C作為通信模塊，此模塊是一款EGSM900/GSM1800雙頻無線模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，提供了大容量緩存。GTM900-C通過UART接口與S3C6410進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3.4 電源模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)跟蹤設(shè)備硬件各個(gè)模塊都采用的供電電壓均是直流，核心微處理器S3C6410工作電源電壓采用3.3V，GPS模塊與RFID閱讀模塊同樣可采用3.3V供電，而以GTM900-C的 GPRS模塊最佳工作電壓采用3.8V，故設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。穩(wěn)壓器選擇AMS1117，它是一個(gè)正向低壓穩(wěn)壓器，有固定輸出版本和可調(diào)版本，該文選用AMS1117-3.3V獲得3.3V電壓，電路圖如圖3所示。選用AMS1117可調(diào)版本設(shè)計(jì)電路以產(chǎn)生3.8V電壓，硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 3.3V電源模塊硬件設(shè)計(jì)圖

圖4 3.8V電源模塊硬件設(shè)計(jì)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 檢測(cè)跟蹤點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)跟蹤設(shè)備實(shí)時(shí)查詢RFID標(biāo)簽連接狀況，每隔一段時(shí)間通過GPRS無線傳輸模塊向監(jiān)控中心上傳連接狀況和GPS模塊所采集的定位信息，若出現(xiàn)RFID標(biāo)簽失去連接的情況，檢測(cè)跟蹤設(shè)備應(yīng)實(shí)時(shí)做出反應(yīng)，向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)。軟件流程如圖5所示。

圖5 檢測(cè)跟蹤點(diǎn)數(shù)據(jù)采集程序流程圖

4.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心軟件由控制軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)從檢測(cè)跟蹤點(diǎn)上傳的信息（不同時(shí)間段的位置信息，鉆井工具的檢

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測(cè)信息，鉆進(jìn)工具的基本信息及借還信息等），該文選用SQL server 2008可滿足要求?？刂栖浖饕糜趯?duì)上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，用C++設(shè)計(jì)及控制界面及數(shù)據(jù)處理。軟件流程如圖6所示。

5 結(jié)束語

該文基于RFID/GPS等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)介紹了對(duì)鉆進(jìn)工具運(yùn)輸過程進(jìn)行管理的新方案，能保證鉆井工具運(yùn)輸安全及物流信息準(zhǔn)確。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的不斷擴(kuò)大，及GPRS永久在線且費(fèi)用低廉的特點(diǎn)，該文所研究的系統(tǒng)能更好完成對(duì)鉆井工具的運(yùn)輸管理。

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