海上油氣田生產物聯網中的RFID系統設計

天津中海油工程設計有限公司　劉爾康

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海上油氣田生產物聯網中的RFID系統設計

天津中海油工程設計有限公司劉爾康

【摘要】本文以油氣田生產物聯網中RFID設計為對象，對其應具備的基本功能進行分析，進而設計了基于物聯網的RFID兩層系統結構，對閱讀器和RFID系統數據架構進行了設計，最后針對RFID系統中的標簽碰撞問題，提出另一種基于擴頻的ALOHA算法。

【關鍵詞】物聯網；RFID；系統設計；ALOHA算法

1　概述

隨著石油產業在國民經濟中占據越來越重要的位置，經濟增長對石油供應的依賴性也越來越強。石油產業的信息化程度對于這一行業的生產運行和管理效率關系密切，對行業競爭力有重要影響。隨著信息化技術在石油行業的推進，油氣生產物聯網系統的設計研究也在逐步推進中。油氣生產物聯網系統是指利用物聯技術來實現油氣生產各環節數據和設備信息的集中管理和控制，構建統一管理數據平臺，提高油氣田生產決策的實時性和可靠性。而物聯網技術中的RFID則是通過無線信號來對目標實現數據的讀寫操作的自動識別技術，是物聯網感知層的核心技術，國外對RFID技術的研究較早，而國內在這一方面的研究則相對落后，尤其在油氣方面的RFID

的技術更是處于起步階段，當前對RFID的應用主要集中在鉆具管理和管道巡檢等方面，能有效提高對油氣生產中設備的狀態監測水平

[1]。本文主要以油田RFID為基礎設計生產物聯網的系統設計，從系統功能、系統結構等多個方面展開研究。

2　海上油氣田生產RFID系統功能分析

從技術特點上看，海上油氣田生產和陸上油氣田生產沒有本質區別，其基本技術環節都是類似的。從油氣田RFID系統功能的角度看，都主要是為了實現生產過程監控和狀態監測診斷兩大類功能。1生產過程監控方面，主要針對油氣田生產中的各類人員設備以及生產設施的控制。其中對生產設施控制方面主要利用了RFID的信息載體功能來實現對井下設備的準確控制。對工作人員也可利用RDID來實現對其工作位置的實時監控，做出危險預警等保障生產安全的措施。2狀態監測診斷方面，主要是利用RFID系統對各類設備數據的采集功能，按照特定設備的診斷分析算法來實現對該類工具的狀態實施有效的狀態監測、評估和動態管控。

3　系統結構設計

3.1總體結構設計

在油氣生產RFID系統需要融合多個系統，以RFID技術為主、結合GPRS通信技術等相關技術。具體而言，從結構的角度看，油氣田生產物聯網RFID系統主要分為生產監控與管理子系統、固定閱讀器、手持閱讀器、電子標簽等幾個部分。其中電子標簽是最底層的設備，也是前端設備，和固定閱讀器以及手持閱讀器交互，固定閱讀器和手持閱讀器則通過數據傳輸通道與生產監控與管理系統通信，而通信手段則可利用GPRS、WIFI等技術手段[2]。

由于海上油氣田通常都遠離海岸，因為為了達到穩定的通訊傳輸效果一般都需要建立海上通信中繼站，以通信中轉的方式實現數據傳輸。其主要技術途徑為以無線數字傳送電臺的TCP/IP式接收油氣平臺數據，以TCP/IP接入海上中繼站網絡并進入油田公司局域網。基地主控中心和海上中繼站之間的通信流程可概括為：監控中心計算機→油田公司網絡→海上中繼站網絡→無線傳輸模塊→RFID→油氣田生產監測數據。

3.2RFID閱讀器設計

RFID閱讀器是油氣田生產物聯網中的前端設備，同時也是整個系統的關鍵部件，承擔著對待測設備、人員標簽的數據采集和傳輸功能，是生產監控和管理系統的基礎數據來源。RFID閱讀器的組成部分主要包括外圍設備模塊、GPRS模塊、微處理器MCU、和RFID讀寫模塊四個部分組成，各部分的主要設計概要分別為：1中RFID讀寫模塊 該模塊是閱讀器的關鍵部件，在這一模塊中主要完成的是對油氣生產中鉆桿、管道、員工以及控制設備的電子標簽數據的提取。在本次設計中所采用的RFID讀寫模塊采用LB552型，微處理器MCU負責向模塊端口發送命令，從而實現對MIFARE標簽的數據采集；2GPRS模塊 該模塊的主要功能是實現數據的無線傳輸，本次設計中采用華為GTM900-B型GPRS模塊來實現RFID數據和遠程控制端之間的發送和接收；3微處理器MCU模塊，該模塊主要是完成對其他三個模塊和外圍設備的控制，選用Tiny6410開發平臺來實現MCU對其他模塊的編程控制。

3.3RFID系統數據架構設計

從結構上看，在設計RFID系統數據構架時主要考慮將其分為兩層：總部數據構架和油氣田數據構架。

總部數據構架由數據倉庫和多維立方體以及數據處理等模塊構成，負責接收、存儲、展示各海上油氣田生產中的各類數據，數據倉庫采用多維數據庫結構，該種設計方式在基礎數據分析和展示方面具有很大的便利性，對于油氣生產中的數據處理有利。該部分的數據處理模塊則主要完成數據在數據倉庫中的提取、加載、傳輸等。在此設計了2類數據處理模塊，模塊1負責將油氣田數據導入總部數據倉庫，模塊2則是將總部數據倉庫中的數據提取和加載到多維立方體中。在該部分中還設計數據交換接口，用于數據系統中內部數據和外部數據的交換操作。

油氣田數據構架主要針對油氣田生產中的關鍵參數而設計，主要有RFID數據采集終端，數據集成系統以及數據總線等構成。其中數據集成系統主要是關系數據庫、中間數據庫、實時數據庫、數據集市等與數據總線的彼此連接構成，完成數據在各類數據庫的提取轉換和加載操作。

4　RFID標簽防碰撞算法設計

當標簽密度較大時，在閱讀器信號范圍內如果出線多個標簽同時響應，降低讀寫區域內標簽的正確識別和正常讀寫操作，從而導致標簽碰撞問題。這一問題是RFID系統設計時常常遇到的問題之一，會對系統的吞吐量造成嚴重影響進而降低系統整體性能。在當前的研究中，對RFID系統中的標簽碰撞問題的解決思路一般采取時分多址的處理策略，在算法上則是主要基于ALOHA算法和基于二

進制的搜索算法等。本文在現有防碰撞算法的基礎上設計了一種基于擴頻的ALOHA算法來解決RFID中的標簽碰撞問題。

純ALOHA算法是RFID系統中防碰撞的常用算法，該算法的基本思想是基于時分多址存取，當檢測到有多個標簽同時向閱讀器發送信號時，則閱讀器向標簽發出停止信號，隨機等待后再重新發送以減少沖突。有學者研究了一種提高純ALOHA算法吞吐量的方法，及采用時隙ALOHA算法，可提高一倍的吞吐量[3]。

在傳統時隙ALOHA的基礎上，本文利用擴頻通信技術，提出一種以混沌序列為擴頻碼的ALOHA算法來解決標簽碰撞問題。該算法的基本思想是利用擴頻碼的正交性來區分不同的擴頻信號，實現在同頻、同時的特殊條件下區分和識別標簽。本算法主要有兩個基本步驟，第一階段為各標簽選用不同的擴頻碼傳輸，第二階段當擴頻碼數量無法滿足標簽ID序列變化而選用相同的擴頻碼。上述兩個步驟分別簡述如下：

(1)第一階段 閱讀器分別接收來自不同標簽的擴頻信號并對信號進行解擴得到標簽的ID序列，閱讀器對標簽的信號碼片進行濾波匹配。以兩標簽，即標簽a和標簽b為例進行說明。設標簽a和標簽b把各自的數據發送給閱讀器，則一個數據分組中的m個采樣構成的向量可表示為：

(2)第二階段當擴頻碼組結束不能滿足上述變化時，表明無法避免因為擴頻碼相同的沖突情形，此時已無法通過擴頻碼的正交變換來實現不同標簽的數據同時傳輸。若令數據分組時間跨度為T，數據量為L個bit,系統擴頻碼階數為N，則單個標簽碼片的時間長度可求出等于T/LN。進一步計算數據分組中的沖突區間長度，則在L個bit長度的系統分組中的沖突窗口為，其中為離散碰撞窗口長度，當數據分組落入沖突窗口就會發生不可避免的碰撞。為解決此問題，利用閱讀器的匹配濾波結構和不同數據分組到達閱讀器的時間差以及同組數據間規律性的峰值時間間隔，可分離出數據來自不同的分組，只要保證數據不落在Tc時間間隔內，就可有效避免碰撞。

5　結語

海上油氣田生產的的物聯網技術已經成為當前我國油氣生產中的研究熱點之一，具有很重要的現實意義。本文以這一問題為對象，對基于RFID的海上油氣田生產物聯網進行了系統總體設計以及主要技術環節的設計，提出了降低沖突幾率的基于擴頻的ALOHA算法，可為類似研究提供參考。

參考文獻

[1]馮波.無線射頻識別技術與物聯網關鍵技術研究[D].中國科學院計算技術研究所,2009.

[2]王永華,楊健.RFID網絡讀寫器沖突避免MAC協議[J].電子科技大學學報,2013,40(3):388-391.

[3]韓釗.基于RFID技術的液化石油氣罐動態監控系統的研究[D].2011:25-32.