基于RFID的钻井工具跟踪管理系统设计

罗远平 梅大成 胡秋玉

摘要：随着物联网相关技术的不断发展与完善，利用物流网相关技术取代传统的滞后的物流查询方式成为可能。该文设计了以S3C6410为微处理器的钻井工具跟踪管理系统，能对昂贵的钻具进行有效的、准确的物流跟踪及实现防丢防盗功能，保证对钻具的实时监控。该文重点介绍了系统的工作原理、检测跟踪设备的硬件平台搭建、系统软件设计流程。

关键词：S3C6410；RFID； GPS；GPRS；钻井工具跟踪管理

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

当今世界，石油在能源之中占主导地位，它极大推动了世界的发展，文明的进步。石油开采技术和工具也在不断的更新换代，从人工掘井到现在使用旋转钻，所使用的工具数量与种类不断增加，随之而来的是钻井工具管理的混乱。目前传统的物流查询方式都是固定地点扫描，这些物流信息不是实时的，无法准确掌握钻井工具所处的位置信息，而且运输过程中难免会出现丢失、被盗等情况。该文旨在通过物联网相关技术实现对钻井工具，如吊钳、吊卡、卡瓦等的跟踪管理，来改善钻井工具管理混乱的局面。

目前对钻井工具的管理主要通过在钻具上冲压数字和条形码等传统的不可靠的识别方法，很难对钻具进行快速的、有效的、准确的识别和管理。使用RFID标签不仅可以提升识别速度和提高准确性，而且在各种恶劣条件下都可以正常工作，RFID射频识别技术对高速运动物体以及多个电子标签都能识别，操作快捷方便。基于这些特点，RFID技术非常适用于钻井工具跟踪管理。

2 系统方案综述

钻井工具跟踪管理系统主要由监控中心和若干个检测跟踪点组成，系统构成如图1所示。

其中，检测跟踪点以S3C6410为核心微处理器，外置设备有GPS模块，GPRS模块，CC1100E模块，分别完成定位，数据传输，以及实现对电子标签信号的收发。监控中心主要完成对检测跟踪点的实时监控和上传数据的存储。

图1 钻井工具跟踪管理系统结构图

本文研究系统应用原理如下：为了能实现对钻井工具的实时跟踪，必须在工具上安装RFID标签，通过检测跟踪设备实时读取相关信息，读取时间间隔可根据要求自行设定，读取的数据和GPS模块的定位数据可通过GSM/GPRS模块上传至监控中心。

当对钻井工具进行运输是，检测跟踪设备开启工作，途中对货车中所运输的工具进行实时监控，上传相关数据至监控中心，若出现钻井工具上的RFID标签与检测跟踪设备中断检测信号，检测设备需立即向监控中心发送报警信息（记录时间和地点），同时向运输人员发送短信提醒，监控中心管理人员和运输人员可迅速做出相应处理措施，检测运输物品是否出现丢失或被盗等情况。

3 系统硬件设计

检测跟踪设备硬件主要由以S3C6410为核心微处理器、RFID模块、GPS模块及GSM/GPRS模块组成，设备结构如图2所示。S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性价比的RISC处理器，内核基于ARM1176JZF-S，内置强大的硬件加速器和16KB/16KB I/D缓存，处理器可同时接收两条指令并实现多条读写指令同时执行。

图2 检测跟踪设备硬件结构图

3.1 RFID模块

最基本的RFID系统包括电子标签、阅读模块、天线，每一个电子标签具有唯一的编码，存储着被附着物体的基本信息，根据电子标签的供电方式，可分为有源标签，无源标签，半有源半无源标签。由于无源标签具有寿命长、体积小巧、无需电源可长期无需维护的特点特别适用于钻井工具的跟踪管理，因此选用无源标签作为本系统电子标签。

本系统采用超高频系统可满足要求，超高频系统的阅读典型距离为4-6米，最大可达10米以上，满足系统要求。阅读模块与无源标签的耦合方式为电磁耦合方式，阅读模块可为无源标签提供射频能量，驱动无源标签工作。

超高频RFID阅读模块射频部分所采用的芯片为CC1100E，此芯片是一款Sub-GHz高性能射频收发器，用于极低功耗RF应用。CC1100E工作频率为470-510MHz和950-960MHz，该文采用SPI接口将CC1100E与核心微处理器S3C6410连接进行通信，S3C6410芯片作为数据处理模块，完成对CC1100E信号无线收发的控制、对通信过程中标签ID号进行验证及确保通信的正确性和安全性。

3.2 GPS模块设计

GPS模块负责定位钻井设备所在位置，使得监控中心能实时掌握动向。该文采用的GPS模块型号为 JRC G591，此模块基于JRC第九代方案，它的优点：体积小巧、定位精度高，误差距离小于2.5m、搜寻卫星信号能力强。JRC G591通过UART接口与S3C6410链接，串行传输GPS定位数据到S3C6410上进行处理。

3.3 GPRS 模块设计

GPRS模块负责与监控中心进行数据传输，将钻井设备状况及位置信息传递到监控中心。该文采用华为公司的GTM900-C作为通信模块，此模块是一款EGSM900/GSM1800双频无线模块，支持标准的AT命令，内嵌TCP/IP协议，提供了大容量缓存。GTM900-C通过UART接口与S3C6410进行通信，实现无线发送和接收数据。

3.4 电源模块设计

检测跟踪设备硬件各个模块都采用的供电电压均是直流，核心微处理器S3C6410工作电源电压采用3.3V，GPS模块与RFID阅读模块同样可采用3.3V供电，而以GTM900-C的 GPRS模块最佳工作电压采用3.8V，故设计电源模块时需要单独设计。稳压器选择AMS1117，它是一个正向低压稳压器，有固定输出版本和可调版本，该文选用AMS1117-3.3V获得3.3V电压，电路图如图3所示。选用AMS1117可调版本设计电路以产生3.8V电压，硬件设计如图4所示。

图3 3.3V电源模块硬件设计图

图4 3.8V电源模块硬件设计图

4 系统软件设计

4.1 检测跟踪点软件设计

检测跟踪设备实时查询RFID标签连接状况，每隔一段时间通过GPRS无线传输模块向监控中心上传连接状况和GPS模块所采集的定位信息，若出现RFID标签失去连接的情况，检测跟踪设备应实时做出反应，向监控中心发送报警信号。软件流程如图5所示。

图5 检测跟踪点数据采集程序流程图

4.2 监控中心软件设计

监控中心软件由控制软件和数据库组成，數据库用于存储从检测跟踪点上传的信息（不同时间段的位置信息，钻井工具的检

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测信息，钻进工具的基本信息及借还信息等），该文选用SQL server 2008可满足要求。控制软件主要用于对上传的数据信息进行处理，用C++设计及控制界面及数据处理。软件流程如图6所示。

5 结束语

该文基于RFID/GPS等物联网相关技术介绍了对钻进工具运输过程进行管理的新方案，能保证钻井工具运输安全及物流信息准确。随着GPRS网络覆盖面积的不断扩大，及GPRS永久在线且费用低廉的特点，该文所研究的系统能更好完成对钻井工具的运输管理。

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