海上油气田生产物联网中的RFID系统设计

2016-05-03天津中海油工程设计有限公司刘尔康

电子世界 2016年7期

天津中海油工程设计有限公司　刘尔康

天津中海油工程设计有限公司刘尔康

【摘要】本文以油气田生产物联网中RFID设计为对象，对其应具备的基本功能进行分析，进而设计了基于物联网的RFID两层系统结构，对阅读器和RFID系统数据架构进行了设计，最后针对RFID系统中的标签碰撞问题，提出另一种基于扩频的ALOHA算法。

【关键词】物联网；RFID；系统设计；ALOHA算法

1　概述

随着石油产业在国民经济中占据越来越重要的位置，经济增长对石油供应的依赖性也越来越强。石油产业的信息化程度对于这一行业的生产运行和管理效率关系密切，对行业竞争力有重要影响。随着信息化技术在石油行业的推进，油气生产物联网系统的设计研究也在逐步推进中。油气生产物联网系统是指利用物联技术来实现油气生产各环节数据和设备信息的集中管理和控制，构建统一管理数据平台，提高油气田生产决策的实时性和可靠性。而物联网技术中的RFID则是通过无线信号来对目标实现数据的读写操作的自动识别技术，是物联网感知层的核心技术，国外对RFID技术的研究较早，而国内在这一方面的研究则相对落后，尤其在油气方面的RFID

的技术更是处于起步阶段，当前对RFID的应用主要集中在钻具管理和管道巡检等方面，能有效提高对油气生产中设备的状态监测水平

[1]。本文主要以油田RFID为基础设计生产物联网的系统设计，从系统功能、系统结构等多个方面展开研究。

2　海上油气田生产RFID系统功能分析

从技术特点上看，海上油气田生产和陆上油气田生产没有本质区别，其基本技术环节都是类似的。从油气田RFID系统功能的角度看，都主要是为了实现生产过程监控和状态监测诊断两大类功能。1生产过程监控方面，主要针对油气田生产中的各类人员设备以及生产设施的控制。其中对生产设施控制方面主要利用了RFID的信息载体功能来实现对井下设备的准确控制。对工作人员也可利用RDID来实现对其工作位置的实时监控，做出危险预警等保障生产安全的措施。2状态监测诊断方面，主要是利用RFID系统对各类设备数据的采集功能，按照特定设备的诊断分析算法来实现对该类工具的状态实施有效的状态监测、评估和动态管控。

3　系统结构设计

3.1总体结构设计

在油气生产RFID系统需要融合多个系统，以RFID技术为主、结合GPRS通信技术等相关技术。具体而言，从结构的角度看，油气田生产物联网RFID系统主要分为生产监控与管理子系统、固定阅读器、手持阅读器、电子标签等几个部分。其中电子标签是最底层的设备，也是前端设备，和固定阅读器以及手持阅读器交互，固定阅读器和手持阅读器则通过数据传输通道与生产监控与管理系统通信，而通信手段则可利用GPRS、WIFI等技术手段[2]。

由于海上油气田通常都远离海岸，因为为了达到稳定的通讯传输效果一般都需要建立海上通信中继站，以通信中转的方式实现数据传输。其主要技术途径为以无线数字传送电台的TCP/IP式接收油气平台数据，以TCP/IP接入海上中继站网络并进入油田公司局域网。基地主控中心和海上中继站之间的通信流程可概括为：监控中心计算机→油田公司网络→海上中继站网络→无线传输模块→RFID→油气田生产监测数据。

3.2RFID阅读器设计

RFID阅读器是油气田生产物联网中的前端设备，同时也是整个系统的关键部件，承担着对待测设备、人员标签的数据采集和传输功能，是生产监控和管理系统的基础数据来源。RFID阅读器的组成部分主要包括外围设备模块、GPRS模块、微处理器MCU、和RFID读写模块四个部分组成，各部分的主要设计概要分别为：1中RFID读写模块该模块是阅读器的关键部件，在这一模块中主要完成的是对油气生产中钻杆、管道、员工以及控制设备的电子标签数据的提取。在本次设计中所采用的RFID读写模块采用LB552型，微处理器MCU负责向模块端口发送命令，从而实现对MIFARE标签的数据采集；2GPRS模块该模块的主要功能是实现数据的无线传输，本次设计中采用华为GTM900-B型GPRS模块来实现RFID数据和远程控制端之间的发送和接收；3微处理器MCU模块，该模块主要是完成对其他三个模块和外围设备的控制，选用Tiny6410开发平台来实现MCU对其他模块的编程控制。

3.3RFID系统数据架构设计

从结构上看，在设计RFID系统数据构架时主要考虑将其分为两层：总部数据构架和油气田数据构架。

总部数据构架由数据仓库和多维立方体以及数据处理等模块构成，负责接收、存储、展示各海上油气田生产中的各类数据，数据仓库采用多维数据库结构，该种设计方式在基础数据分析和展示方面具有很大的便利性，对于油气生产中的数据处理有利。该部分的数据处理模块则主要完成数据在数据仓库中的提取、加载、传输等。在此设计了2类数据处理模块，模块1负责将油气田数据导入总部数据仓库，模块2则是将总部数据仓库中的数据提取和加载到多维立方体中。在该部分中还设计数据交换接口，用于数据系统中内部数据和外部数据的交换操作。

油气田数据构架主要针对油气田生产中的关键参数而设计，主要有RFID数据采集终端，数据集成系统以及数据总线等构成。其中数据集成系统主要是关系数据库、中间数据库、实时数据库、数据集市等与数据总线的彼此连接构成，完成数据在各类数据库的提取转换和加载操作。

4　RFID标签防碰撞算法设计

当标签密度较大时，在阅读器信号范围内如果出线多个标签同时响应，降低读写区域内标签的正确识别和正常读写操作，从而导致标签碰撞问题。这一问题是RFID系统设计时常常遇到的问题之一，会对系统的吞吐量造成严重影响进而降低系统整体性能。在当前的研究中，对RFID系统中的标签碰撞问题的解决思路一般采取时分多址的处理策略，在算法上则是主要基于ALOHA算法和基于二

进制的搜索算法等。本文在现有防碰撞算法的基础上设计了一种基于扩频的ALOHA算法来解决RFID中的标签碰撞问题。

纯ALOHA算法是RFID系统中防碰撞的常用算法，该算法的基本思想是基于时分多址存取，当检测到有多个标签同时向阅读器发送信号时，则阅读器向标签发出停止信号，随机等待后再重新发送以减少冲突。有学者研究了一种提高纯ALOHA算法吞吐量的方法，及采用时隙ALOHA算法，可提高一倍的吞吐量[3]。

在传统时隙ALOHA的基础上，本文利用扩频通信技术，提出一种以混沌序列为扩频码的ALOHA算法来解决标签碰撞问题。该算法的基本思想是利用扩频码的正交性来区分不同的扩频信号，实现在同频、同时的特殊条件下区分和识别标签。本算法主要有两个基本步骤，第一阶段为各标签选用不同的扩频码传输，第二阶段当扩频码数量无法满足标签ID序列变化而选用相同的扩频码。上述两个步骤分别简述如下：

(1)第一阶段阅读器分别接收来自不同标签的扩频信号并对信号进行解扩得到标签的ID序列，阅读器对标签的信号码片进行滤波匹配。以两标签，即标签a和标签b为例进行说明。设标签a和标签b把各自的数据发送给阅读器，则一个数据分组中的m个采样构成的向量可表示为：

(2)第二阶段当扩频码组结束不能满足上述变化时，表明无法避免因为扩频码相同的冲突情形，此时已无法通过扩频码的正交变换来实现不同标签的数据同时传输。若令数据分组时间跨度为T，数据量为L个bit,系统扩频码阶数为N，则单个标签码片的时间长度可求出等于T/LN。进一步计算数据分组中的冲突区间长度，则在L个bit长度的系统分组中的冲突窗口为，其中为离散碰撞窗口长度，当数据分组落入冲突窗口就会发生不可避免的碰撞。为解决此问题，利用阅读器的匹配滤波结构和不同数据分组到达阅读器的时间差以及同组数据间规律性的峰值时间间隔，可分离出数据来自不同的分组，只要保证数据不落在Tc时间间隔内，就可有效避免碰撞。