基于RFID的智能鉆桿管理系統

金佳駿，錢松榮

基于RFID的智能鉆桿管理系統

金佳駿，錢松榮

射頻識別（RFID）技術是20世紀80年代開始興起的一種非接觸式自動識別技術，近年來，物聯網（Internet of Things）概念又備受追捧。創新地將RFID技術和物聯網概念應用于煤礦鉆桿管理領域，提出一種基于RFID和物聯網概念的智能鉆桿管理系統，旨在智能、高效、安全地完成鉆桿信息管理和資源調配等工作。闡述了系統的總體框架結構，著重分析了數據信息采集、嵌入式控制、應用服務等各個子系統模塊的功能設計和軟硬件實現。最終的項目結果證明，該系統具有很高的實用性。

射頻識別；物聯網；鉆桿管理；智能

0 引言

RFID技術，全稱為“Radio Frequency Identification”，即無線射頻識別技術，是一種利用電磁感應，以電磁場或者電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信，獲取相關數據的一種自動識別技術。RFID技術可以在無需人工干預的情況下完成信息的輸入和處理，操作方便快捷，能工作于各種惡劣環境。由于RFID技術的獨特優勢，該技術已經逐漸被應用于工業自動化、商業自動化和交通控制管理等領域[1]。

一套完整的RFID系統一般由以下幾部分組成：RFID標簽、讀寫器、天線、中間件和應用軟件，如圖1所示：

圖1 射頻識別系統的組成結構

本文將RFID技術創新地應用于煤礦鉆桿管理領域，提出了一套智能鉆桿管理系統，實現了硬件和軟件的各種設計，并對其結構和功能進行了詳細的闡述。

1 系統綜述

在煤礦生產領域，已經有了一些RFID的應用場景，比如基于RFID的井下人員定位系統[2]。在煤礦開采過程中，為了滿足一些地質、安全或者其他工程方面的要求，需要對勘探區的地層做提前的鉆探工作，而在鉆探的過程中，需要用到大量的煤礦鉆桿，到目前為止，人們對這些鉆桿的管理模式仍是落后和原始的。

利用RFID技術和物聯網技術，將煤礦鉆桿ID化、信息化，再利用高效的互聯網信息管理技術，可以有效的對這些鉆桿做到統一的、標準的、全生命周期的追蹤管理。

基于RFID的煤礦鉆桿管理系統的優點可以體現在以下幾個方面：實現跨區域集中式管理與監控；高效地完成各種業務操作，提升作業效率；提高數據實時性，實時動態掌握鉆桿使用情況；降低人為操作失誤的概率，提升管理精確度；自動化程度高，減少人力資源消耗。

本文所描述的項目，通過引入基于RFID技術的物聯網概念，以該技術為基礎將所有分散的管理對象進行了統一的調度分配和管理，在效率、功能和安全性等各方面都比傳統鉆桿管理模式有顯著提升。

2 系統設計

整個系統自下而上可以劃分為3層：數據采集層、嵌入式控制層和應用服務層如圖2所示：

圖2 系統構架

數據采集層是整個鉆桿管理系統的數據來源，包括電子標簽和讀寫器兩個部分。讀卡器讀取到嵌在鉆桿上的標簽信息，即完成了將“物”轉化為“信息”的采集過程。之后，系統就能對代表某物體的信息做各種操作。

嵌入式控制層由一系列嵌入式控制器組成，這些嵌入式控制器是井下人員的操作終端，井下人員通過嵌入式控制器完成鉆探任務管理和數據監控的工作。此外，嵌入式控制器會將讀卡器讀取到的標簽信息做即時的處理和分析，處理得到的有效信息會被上傳至管理應用層，冗余和無效信息在這一層被濾出，提升整個系統的運行效率。

應用服務層是整個鉆桿管理系統的管理、控制、服務中心，這一層將底層傳輸過來的數據進行特定處理后存入主數據庫，管理人員可以通過各種類型的用戶接口（如PC端應用程序）對系統內所有的數據信息進行監控、查詢和分析，真正實現鉆桿管理的自動化、網絡化、智能化。

2.1 數據采集層

被納入智能鉆桿管理系統的鉆桿，都會嵌上一個微型的RFID標簽，這個RFID標簽即成為這根鉆桿的唯一身份標識。當RFID電子標簽裝入鉆桿后，在鉆桿的生命周期內的使用、保養、報廢等過程，標簽和鉆桿都做到一一對應。

2.1.1 讀寫器和RFID標簽

由于系統對于數據讀取速度沒有太高的要求，硬件選擇方面，讀寫器和標簽可以采用125KHz低頻RFID解決方案。此外，125KHz低頻RFID系統有良好的穿透性和泛方向性，因此在煤礦井下的復雜工作環境中也能保持優良的讀取性能。

本系統最終選用的是型號為EM4100的RFID標簽，每張標簽具有唯一的32位UID。讀寫器采用的是自行研制開發的125KHz大功率低頻RFID讀卡器，相較于普通的低頻讀卡器不到10cm的讀寫距離[3]，這款讀卡器可以將有效讀寫距離提升至50cm以上，大大提升了系統的實用性。

2.1.2 數據采集

當鉆桿在井下被使用的時候，讀卡器都會去讀取一下這根鉆桿的ID，我們就認為這根鉆桿被使用了一次。為了方便起見，我們將讀卡器固定在鉆機上，當鉆探工作開始之后，每一根鉆桿都會經過讀卡器天線所在的位置，鉆桿身上嵌入的RFID標簽就會進入讀卡器天線的電磁場范圍，讀卡器就能夠自動讀取到標簽數據，而不用操作人員進行手工讀取，實現信息讀取自動化。

2.2 嵌入式控制層

每一臺嵌入式控制器配上一臺讀卡器都可以成為一個獨立的子系統，通過嵌入式控制器，操作人員可以設置鉆機工作模式，開啟、停止或重置一次鉆探任務，以及實時監控讀取到的鉆桿數據。嵌入式控制層的另一個重要任務是將讀卡器讀到的數據做預處理，并做備份和上傳。嵌入式控制器上傳的每一條數據中都會包括：鉆桿標簽ID、操作人員ID、操作時間、鉆探任務編號、鉆機編號等信息。

2.2.1 標簽數據預處理

在數據采集的過程中，讀卡器有可能會連續讀取到同一根鉆桿的ID，嵌入式控制層就會對讀到的ID做判斷，如果在當前任務中該標簽ID已經被讀到過且是被連續讀取到，則只有第一條ID信息被認為是有效信息，之后的ID信息將被認為是冗余信息而被丟棄。

對應不同的具體使用環境，標簽數據的預處理邏輯也可能會有些許差異，此時，可以根據具體的邏輯規則調整嵌入式控制層的預處理邏輯，整個系統的適應能力變得更強。

2.2.2 數據本地存儲

嵌入式控制層會將從讀卡器獲取到的信息在本地數據庫中存儲一份，這個功能在終端和中心控制系統的通訊因意外中斷的情況下顯得尤為重要。如果沒有嵌入式控制層而將讀卡器直接和控制中心相連接，一旦某一臺讀卡器和控制中心的通訊意外中斷，那這臺讀卡器返回的數據將會直接丟失且無法找回，這個損失將是巨大的。而嵌入式控制層的存在很好地解決了這一問題，所有的數據會在嵌入式控制層作一份備份，在通訊中斷的時候，數據仍然被很好地保存了下來，在通訊恢復之后，嵌入式控制層再將本地數據上傳至控制中心。整個體統的健壯性得到了極大地提升。

2.2.3 嵌入式控制器

本系統中采用了micro2440嵌入式ARM板做嵌入式控制器，該控制板運行基于Qtopia圖形界面的嵌入式Linux系統，配備10英寸觸摸顯示屏，配有RS232串口與讀卡器相連接，還有RJ45網口與管理控制層進行實時通信。運用配套的QT開發套件可以開發運行于該ARM版上的可視化圖形操作界面[4]，嵌入式控制器的數據庫部分采用SQLite[5]，它占用資源非常的低，非常適合使用在嵌入式設備當中。

2.3 應用服務層

整個系統內的所有數據采集終端采集到的數據最終都會被存進系統的主數據庫，形成龐大的數據池。應用服務層提供了統一的數據查詢、統計和分析功能，使得管理人員可以充分、有效、合理地利用這些數據資源，實現鉆桿管理智能化。

2.3.1 鉆桿信息的統計和查詢

鉆桿管理是本系統最核心也是最主要的一個功能。通過數據采集層和嵌入式控制層，每一根鉆桿的每一次工作的數據信息都被保存下來，應用服務層就可以對這些數據進行各種查詢分析。

通過鉆桿的UID可以查詢到所有有關這根鉆桿的信息條目，并統計得到這根鉆桿的總使用次數和使用情況，幫助管理人員判斷這根鉆桿是否需要更換、保養，甚至是已經達到了其設計使用壽命應予以報廢。結合其他查詢條件可以得到更多分析結果，例如，結合鉆桿的使用日期的數據可以統計得到每根鉆桿的日使用次數，繪制出鉆桿的使用頻率折線圖，可以幫助管理人員發現哪些鉆桿的使用頻率過高，或者哪些鉆桿的使用率不足造成鉆桿資源的浪費，及時調整鉆桿分配情況，提升鉆桿使用效率，是智能化管理體現。

2.3.2 鉆探任務管理及人員考核

從嵌入式控制器上傳的數據中其實還包含了此次鉆探任務的信息以及井下操作人員的信息，因此，鉆桿管理系統還能夠實現鉆探任務管理及人員考核的功能。管理控制中心可以知道每一次鉆探任務的操作人員是誰，任務的開始時間和完成時間，任務中使用了幾根鉆桿并可以通過鉆桿信息分析得知此次任務的鉆進深度等等信息。

通過查詢員工信息，能夠知道操作人員的操作記錄、工作時間、工作量等數據，而這些數據是人員考核的重要參考依據。

2.3.3 報表服務

通過特定的查詢條件，統計得到報表使用者需要的數據信息，定時輸出預定格式的報表供使用者參考。報表內容可以根據不同的需求邏輯進行定制，具體可以包括每天的鉆桿使用總量、每次鉆探使用的鉆桿的數量、每個操作人員一天經手的鉆桿數等等。報表使得管理者可以清楚直觀地了解到整個煤礦系統地運行情況，方便做出更好的生產決策。

3 總結

RFID技術和物聯網的概念正在被越來越多地應用于我們的生產生活之中，本文基于RFID技術和物聯網的概念，創新地將其應用于煤礦鉆桿管理領域，提出、設計并實現了一套基于RFID的智能鉆桿管理系統。該系統能自動識別鉆桿信息，完成鉆桿信息的錄入、存儲、查詢、分析等功能，實現了煤礦鉆桿管理的自動化、網絡化和智能化，相較于原始的人工鉆桿管理方式，智能鉆桿管理系統在效率、安全、功能、可靠性、擴展性等各個方面都有了極大的提升。

[1]李泉林,郭龍巖.綜述RFID技術及其應用領域[J].中國電子商情(RFID技術與應用),2006,01:51-62.

[2]賈東.基于RFID的井下人員定位系統的應用研究[D].西安:西安科技大學,2014.

[3]張建文,王懷平.125kHz低頻RFID讀寫器設計[J].軟件工程師,2014,04:52-54.

[4]吳賀猛.基于Qt/E的嵌入式圖形用戶界面的研究與應用[D].南京:南京郵電大學,2013.

[5]姚丹,劉亮.基于SQLite的嵌入式數據記錄系統設計[J].物聯網技術,2014,04:35-36.

Intelligent Drill Management System Based on RFID

Jin Jiajun,Qian Songrong
(Department of Communication Science and Engineering,Fudan University,Shanghai 200433,China)

Radio Frequency Identification(RFID)is a new kind of touch less automatic identification technology grown up in 1980s.In recent years,the concept of Internet of things(IoT)is also highly considered.Innovatively,the technique of RFID and IoT is applied into the field of drill management.An intelligent drill management system based on RFID and IoT has been presented to make the traditional drill management system more efficient and intelligent.It introduces the framework of the whole system and emphatically analyzes the function design and implement of its main function modules such as data collection,embedded control and application service.The final result shows that this system has extremely high practicability.

RFID;Internet of Things;Drill Management;Intelligence

TP311

A

1007-757X(2015)06-0009-02

2015.03.06）

金佳駿（1990-），男，上海，復旦大學，通信科學與工程系，碩士，研究方向：數據通信與網絡，上海，200433

錢松榮（1960-），男，上海，復旦大學，通信科學與工程系，教授，研究方向：網絡與數據通信、物聯網核心技術，上海，200433