康朝海,任偉建,程仁杰,陳建玲

0 引 言

在油田的日常工作中,采集油水井參數(shù)通常采用手動(dòng)測量,人工記錄的方式,該方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且還可能存在人為編造數(shù)據(jù)的問題[1,2]。隨油水井建設(shè)與日俱增,其維護(hù)任務(wù)也越來越繁重,如何保證快速、準(zhǔn)確地采集與上報(bào)油水井參數(shù)成為油水井建設(shè)領(lǐng)域的一大難題[3]?；谝陨显?筆者通過引入射頻識別(RFID:Radio Frequency Identification)技術(shù)對傳統(tǒng)的檢測儀表進(jìn)行改進(jìn),形成新型的檢測儀表?；跓o線射頻檢測儀讀取油水井參數(shù),不僅提高了采集油水井參數(shù)的準(zhǔn)確性,更重要的是杜絕了編造數(shù)據(jù)的現(xiàn)象,保證了油水井參數(shù)的真實(shí)性。通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS:General Packet Radio Service)網(wǎng)絡(luò)將采集到的油水井參數(shù)回傳給后臺管理中心,進(jìn)行分析與處理,減少了工作人員的工作量,提高了工作效率,取得了較好的應(yīng)用效果。

1 無線射頻檢測儀表整體分析

作為智能儀表,基于RFID技術(shù)的無線[4]壓力儀表用于測量油田上油水井的流體差壓或套壓,由電池供電、能進(jìn)行無線射頻通信、精度較高。不同于原始壓力儀表,此類儀表新設(shè)無線射頻模塊,使油水井?dāng)?shù)據(jù)通過無線射頻識別方式由手持設(shè)備讀取,采用超低功耗設(shè)計(jì),設(shè)有彈性開關(guān),僅當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)發(fā)射無線射頻信號,彈開后即停止工作,增加了電池的使用時(shí)間,能使在現(xiàn)場工作時(shí)間超過一年;采用金屬外殼及全密封設(shè)計(jì),確保全天無憂作業(yè);使用13.56 MHz頻段的RFID射頻卡作為承載油水井參數(shù)的載體,并通過其傳送數(shù)據(jù),雙向最大傳輸速率為424 kbit/s。在無干擾的情況下,手持設(shè)備與檢測儀表的工作范圍為5～10 cm。

1.1 整體結(jié)構(gòu)

基于RFID的檢測儀表的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要分為傳感器[5,6]數(shù)據(jù)采集區(qū)模塊部分與數(shù)據(jù)存儲區(qū)模塊。當(dāng)供電時(shí),傳感器采集到模擬信號。信號采集板對此模擬信號實(shí)行放大,并將其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將數(shù)字信號寫入RFID射頻卡中。數(shù)字信號由信號采集板得到,再利用串行外設(shè)接口(SPI:Serial Peripheral Interface)總線將其傳輸至無線發(fā)送數(shù)據(jù)部分的主電路板中。主電路板的硬件電路集成于某一RFID射頻卡內(nèi),該射頻卡可以獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)并加以存儲。當(dāng)手持設(shè)備與RFID射頻卡進(jìn)行通信時(shí),把檢測儀表檢測的油水井參數(shù)通過無線射頻的方式傳輸給手持設(shè)備,通過GPRS通信傳到上位機(jī)。

圖1 基于RFID的檢測儀表整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of detection instrument based on RFID

1.2 主電路板

圖2 基于RFID的檢測儀表主電路板結(jié)構(gòu)Fig.2 The main circuit board composition of detection instrument based on RFID

基于RFID檢測儀表的主電路板構(gòu)成框圖如圖2所示。傳感器采集的信號到達(dá)主電路板后,對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,主處理芯片STM8S003加工接收到電平信號,然后發(fā)送至MFRC522。當(dāng)完成數(shù)據(jù)的分析處理時(shí),基于ISO14443A協(xié)議,在一定時(shí)刻把此數(shù)據(jù)存儲入RFID射頻卡內(nèi)。數(shù)據(jù)存儲進(jìn)程為:數(shù)據(jù)經(jīng)過MF RC522傳輸至無線放大器,放大至13.56 MHz的高頻段。再利用天線向射頻卡(非接觸卡)發(fā)送無線載波信號。射頻卡天線耦合接收到這些信號,首先實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)變,其次實(shí)現(xiàn)整流濾波,調(diào)節(jié)電壓(穩(wěn)壓操作),最后輸出至射頻卡內(nèi)的各級電路。這時(shí),載波信號由非接觸卡接收,再利用該卡片上的調(diào)制/解調(diào)電路調(diào)制/解調(diào)載波信號,將得到的信號送至卡片上的控制器,進(jìn)行控制和處理。在非接觸卡處理數(shù)據(jù)后,利用其自身的天線對MFRC522返回載波信號,這些信號由MF RC522的調(diào)制/解調(diào)電路進(jìn)行處理。返回的載波信號和MFRC522發(fā)出的載波信號的頻率相同。經(jīng)過這樣的通訊回路后,MFRC522便能讀、寫非接觸卡的內(nèi)容。需注意,非接觸型集成電路(IC:Integrated Circuit)卡自身為無源的,在讀寫器工作時(shí),讀寫模塊(RWM:Reading and Writing Module)產(chǎn)生的信號是電源信號和聚集利用數(shù)據(jù)信號的總和,其中,當(dāng)卡收到電源信號時(shí),同其自身的電感/電容電路發(fā)生諧振,發(fā)出某一瞬時(shí)能量支持芯片運(yùn)行。聚集利用數(shù)據(jù)信號的管理芯片用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新和存放等,再由RWM接收。在現(xiàn)場工作條件下,信號將受到不同來源的擾動(dòng),運(yùn)用MFRC522能增強(qiáng)無線壓力儀表的抗干擾性。

1.2.1 電池管理模塊

無線檢測儀表利用MAX8677[7]芯片展開電池管理。MAX8677可進(jìn)行智能充電,若STM8S003檢測出電池電量低至不足以維持無線壓力儀表運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),開始利用MAX8677對電池充電。當(dāng)電池溫度太高或當(dāng)電池滿電時(shí),MAX8677立即停止充電。此外,主電路板內(nèi)選用了穩(wěn)壓器MAX8881和TPS77033,確保無線壓力儀表正常工作在穩(wěn)定電壓下。

1.2.2 無線通訊模塊

無線通信模塊包括天線放大器、低頻射頻收發(fā)器及主處理芯片,該模塊采用高頻頻段作為通信方式。因?yàn)镽FID[8-10]射頻卡的頻率為13.56 MHz,所以手持設(shè)備與RFID射頻卡的頻率應(yīng)該保持一致,即通信頻率為13.56 MHz。為擴(kuò)大手持設(shè)備與智能儀表之間的通信范圍,采用增加天線放大器的方案。同時(shí)主處理芯片STM8S003能實(shí)時(shí)監(jiān)督檢測儀表是否正常工作。STM8S為一類微控制器,以8位框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),其中央處理器(CPU:Central Processing Unit)內(nèi)核包含6個(gè)內(nèi)部寄存器,使用這些寄存器能快速地處理數(shù)據(jù)。STM8S的指令集遵循80條基本語句和20種尋址模式,同時(shí),CPU的6個(gè)內(nèi)部寄存器均具有可尋址的地址。若希望了解所有STM8S指令集,可查閱STM8微控制器家族編程手冊(PM0044)。本模塊具有對傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號增強(qiáng)、數(shù)據(jù)運(yùn)算和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。

1.2.3 信號流

圖3 基于RFID的檢測儀表的信號流Fig.3 The signal flow of detection instrument based on RFID

基于RFID的智能儀表信號流圖如圖3所示。從圖3中可看出,數(shù)字信號經(jīng)由信號采集板傳輸至主電路板內(nèi)的模/數(shù)(A/D:Analogue/Digital)轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換,筆者采用的A/D芯片是AD7262[11,12],可低功耗高速同步采樣,最高至1 MS/s,AD7262可編程增益放大器(PGA:Programmable Gain Amplifier)中存在14類放大增益,可從中進(jìn)行選擇。利用兩類比較器(comparator)1和2與3和4作為電機(jī)控制,或各類電極傳感器的運(yùn)算器。此外,comparator 1與2是小功耗的,comparator 3與4是高速的。雙通道差分輸入同時(shí)展開采樣及A/D轉(zhuǎn)換,輸入阻抗R＞1×109Ω。單電源+5 V供電。PGA的增益為2,-3 dB帶寬為1.7 MHz,信噪比(SNR:Signal Noise Ratio)為73 dB;若增益為32,則信噪比為66 dB。輸入直流漏電流為±0.001μA,失調(diào)漂移為2.5μV/℃。具有SPI,兼容MICROWIRE,隊(duì)列串行外設(shè)接口(QSPI:Queued SPI)及數(shù)字信號處理器(DSP:Digital Signal Processor)。對于器件AD7262,其存在多類節(jié)能方法,可對需要的內(nèi)部元件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)匹配,包含2種工作方式,即寄存器控制與引腳驅(qū)動(dòng)。之后數(shù)據(jù)進(jìn)入STM8S003,再傳遞給RFID讀寫模塊MFRC522,根據(jù)ISO14443A協(xié)議,在某一確定時(shí)刻,數(shù)據(jù)包經(jīng)由MFRC522輸送到CC2591,再通過天線進(jìn)行發(fā)送。CC2591類似一個(gè)高頻信號發(fā)射器,可增加信號發(fā)送強(qiáng)度,因此,在無線通信過程中,外部擾動(dòng)產(chǎn)生的影響顯著減小。將圖3倒序即為接收數(shù)據(jù)時(shí)信號的流動(dòng)過程。

圖4 智能檢測儀表封裝實(shí)物圖Fig.4 The packaged physical figure of the intelligent detection instrument

1.2.4 智能檢測儀表封裝實(shí)物圖

筆者研制的壓力傳感器如圖4所示。考慮到油田生產(chǎn)參數(shù)采集的過程中采用的檢測儀表需在惡劣的環(huán)境中工作[13,14],因此對傳感器芯片進(jìn)行保護(hù)封裝十分必要,同時(shí)體積小,有利于安裝[15,16]。根據(jù)壓力傳感器在油田現(xiàn)場實(shí)際的應(yīng)用特點(diǎn),所做的工作如下:首先在外觀設(shè)計(jì)方面,該檢測儀表采用金屬外殼及全密封設(shè)計(jì),防止外力對該檢測儀表造成傷害;其次在處理芯片上采用主處理芯片STM8S003+MFRC522[17-20],確保壓力傳感器所采集的信號能快速準(zhǔn)確地被手持設(shè)備所識別。最后電池模塊采用3.3 V長期供電,安裝方便。調(diào)試實(shí)驗(yàn)中檢測儀表工作可測溫度上下限取-40～80℃,可測壓力上下限取0～30 MPa。

2 智能檢測儀表應(yīng)用效果分析

本智能檢測儀表已經(jīng)應(yīng)用到某油礦,為測試所設(shè)計(jì)的智能檢測儀表的數(shù)據(jù)采集精度,以某油田某小隊(duì)一個(gè)班組(9口油井)相鄰20天的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)為樣本,通過對實(shí)際數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的對比分析,得出智能檢測儀表的測量誤差曲線如圖5所示。從圖5可看出,油壓、套壓的最大測量誤差為0.15%,最小測量誤差為0.06%,平均誤差為0.09%,由于實(shí)際允許誤差為0.5%,所以油壓、套壓的測量值滿足精度要求;上行電流與下行電流最大測量誤差為0.11%,最小測量誤差為0.02%,平均誤差為0.09%,由于實(shí)際允許誤差為0.5%,因此上行電流與下行電流測量值也達(dá)到精度要求,減小了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率。

圖5 智能檢測儀表的測量誤差曲線Fig.5 Measurement error curves of the intelligent measuring instrument

3 結(jié) 語

筆者研發(fā)的油水井壓力檢測儀表是在RFID射頻卡,壓力傳感器,RFID讀寫模塊上結(jié)合油田作業(yè)需求開發(fā)的。通過把無限射頻技術(shù)融入傳統(tǒng)的檢測儀表中,形成新型的監(jiān)測儀表,通過在某油田上的實(shí)際應(yīng)用,證明儀器可靠性高、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、耐用。具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]何柳,劉楓.基于WIA-PA的無線壓力儀表設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2011(9):18-21.HE Liu,LIU Feng.Design of Wireless Pressure Meter Based on WIA-PA[J].Industry and Mine Automation,2011(9):18-21.

[2]李麒,王亞剛,王凱.WirelessHART智能壓力儀表的設(shè)計(jì)[J].通訊技術(shù),2013,46(10):75-78.LI Qi,WANG Yagang,WANG Kai.Design of Intelligent Pressure Instrument Based on WirelessHART[J].Communications Technology,2013,46(10):75-78.

[3]于海斌,梁煒,曾鵬.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系與WIA標(biāo)準(zhǔn)[J].世界儀表與自動(dòng)化,2008,12(11):17-20.YU Haibin,LIANG Wei,ZENG Peng.Industrial Wireless Network Technology System and WIA Standard[J].World Instruments and Automation,2008,12(11):17-20.

[4]ZHU Xiaorong,ZHAO Yanan,WANG Yong.Performance Analysis and Otimization Model Based on Dynamics Equation for Heterogeneous Wireless Networks[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2015,22(3):49-55.

[5]于華楠,張敬傑,代芳琳.壓縮傳感在電能質(zhì)量擾動(dòng)信號分析中的應(yīng)用 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2014,32(6):618-623.YU Huanan,ZHANG Jingjie,DAI Fanglin.Application of Power Quality Disturbance Signal Based on Compressed Sensing[J].Journal of Jilin University:Information Science Edition,2014,32(6):618-623.

[6]江虹,朱小寧.植入式傳感器系統(tǒng)中無線電能發(fā)射線圈的研究 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2014,32(2):177-180.JIANG Hong,ZHU Xiaoning.Research on Wireless Energy Transfer Platform for Implantable Devices[J].Journal of Jilin University:Information Science Edition,2014,32(2):177-180.

[7]孟浩,孫富康,鐘娟.一種基于MAX8677A和PF6290的WSN節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo),2010,38(6):71-74.MENG Hao,SUN Fukang,ZHONG Juan.Design of Power System in WSN Node Based on MAX8677A and PF6290[J].Cryogenics and Superconductivity,2010,38(6):71-74.

[8]謝磊,殷亞鳳,陳曦,等.RFID數(shù)據(jù)管理:算法、協(xié)議與性能評測[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2013,36(3):457-470.XIE Lei,YIN Yafeng,CHEN Xi,et al.RFID Data Management:Algorithm,Protocols and Performance Evaluation[J].Chinese Journal of Computers,2013,36(3):457-470.

[9]李泉林,郭龍巖.綜述RFID技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域[J].中國電子商情(RFID技術(shù)與應(yīng)用),2006(1):51-62.LI Quanlin,GUO Longyan.An Overview on RFID Technology and Application[J].China Electronic Business(Technology and Application of RFID),2006(1):51-62.

[10]ZHANG Xiaohong,HU Yingmeng.RFID Mutual-Authentication Protocol with Synchronous Updatedkeys Based on Hash Function[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2015,22(6):27-35.

[11]鐘念兵,肖金紅,王玲.同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器AD7262原理及應(yīng)用 [J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(6):117-119.ZHONG Nianbing,XIAO Jinhong,WANG Ling.Principle and Application of Simultaneous Sampling A/D Converter AD7262[J].Electronic Design Engineering,2009,17(6):117-119.

[12]周維龍.基于FPGA的智能變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(6):75-77.ZHOU Weilong.Design and Realization of Intelligent Transmitter Based on FPGA[J].Electronic Design Engineering,2011,19(6):75-77.

[13]曾鵬.工業(yè)無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2008(3):40-44.ZENG Peng.Standardization and Application of Industrial Wireless[J].Chinese Instrument and Meter,2008(3):40-44.

[14]陳平,羅晶.現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.CHEN Ping,LUO Jing.Modern Monitoring Technology[M].Beijing:Electronic Industry Publishing House,2003.

[15]夏繼強(qiáng).數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)用設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2001,19(4):318-410.XIA Jiqiang.The Practical Design of Data Acquisition System[J].Journal of Automation,2001,19(4):318-410.

[16]徐惠民,安德寧.單片微型計(jì)算機(jī)原理接口與應(yīng)用[M].第1版.北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.XU Huimin,AN Dening.Principle Interface of Single Chip Microcomputer and Its Application[M].1 st ed.Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Press,2006.

[17]陳保平,王月波,馬伯元.基于MFRC522的Mifare射頻卡讀寫模塊開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(11-2):215,230-231.CHEN Baoping,WANG Yuebo,MA Boyuan.Design of Mifare Card Radio Frequency Identification Module Based on MF RC522[J].Micro computer information,2007,23(11-2):215,230-231.

[18]張華強(qiáng),李玉峰,張曉燕.基于 MF RC522的熱量表預(yù)付費(fèi)模塊設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用,2010,36(8):142-144,149.ZHANG Huaqiang,LI Yufeng,ZHANG Xiaoyan.The Design of Heat Meter's Pre-Pay Module Based on MFRC522[J].Computer Technology and Its Applications,2010,36(8):142-144,149.

[19]袁樂民.基于RC522的RFID讀卡器電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(12):168-169.YUAN Lemin.Design and Implementation of RFID Card Reader Circuit Based on RC522[J].Digital Technology and Applications,2014(12):168-169.

[20]張靜,任軼佐,沈建國.基于LabVIEW與RFID的停車場收費(fèi)系統(tǒng)[J].電子技術(shù),2016,(10):18-21.ZHANG Jing,REN Yizuo,SHEN Jianguo.Parking Lot Charging System Based on LabVIEW and RFID[J].Electronic Technology,2016(10):18-21.