基于射频识别技术的油水井数据采集巡检系统

任伟建，程仁杰，康朝海

(东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318)

国内传统的石油管线、设备巡检、落实现场生产情况、采集生产现场相关生产参数，采用的是人工巡视、手工纸质记录的工作方式， 存在设备台数多、数据量大，纸质巡检信息必须录入电脑，其过程不仅耗时耗力，而且还可能存在数据丢失等问题，制约了决策工作的开展[1]。另一方面，尽管采取翻牌、签到等辅助措施，制订巡检管理办法，但巡检人员是否定时定点对设备进行巡视仍然无法有效掌控[2]。随着油水井建设与日俱增，其维护任务也越来越繁重，人工巡线方式急需改进，迫切需要引入一种智能的基于射频识别(RFID)技术的油水井数据采集巡检系统[3]。近几年来，随着RFID技术的迅猛发展，应用范围遍及制造、物流、医疗、运输、零售、国防等领域[4]。高德纳咨询公司(Gartner Group)认为，RFID是建议企业可考虑引入的十大策略技术之一[5]。然而到目前为止，并没有一种比较先进的巡检系统应用到油田油水井的巡检工作上，因而笔者设计了一种基于当前先进的RFID技术，结合分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)，GIS及基于TCP/IP的远程数据通信技术的油水井数据采集巡检系统。该系统记录了人员到位信息并对油水井数据信息进行采集，可以将巡检数据实时上传至中心服务器， 也可以把数据暂存到个人数字处理(PDA)中，使用数据线连接PDA与上位机，通过数据导入软件将采集到的油水井数据保存到上位机数据库中。操作人员在PC终端，通过不同的访问权限，可以查询巡检的各种结果。该系统有效地解决了人员到位困难和巡检数据不及时等问题，并能对巡检数据进行分析、整理，使调度人员对油水井设备的运行情况一目了然，实现了巡检管理的信息化和规范化。

1 射频识别技术

RFID是一种非接触式的自动识别技术[6-10]。通过射频信号识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息更改自如等优点[11-15]。基本的RFID系统组成如图1所示。

图1 RFID技术的硬件系统组成示意

RFID工作原理： 应用一定的识别装置，通过被识别对象与识别装置之间的互动，自动获得被识别对象的相关信息[16-17]。具体过程： 阅读器发射特定频率的无线电波给应答器(电子标签)，应答器电路将内部的数据送给阅读器，阅读器接收解读后将数据送给应用程序进行相关的处理。

2 系统设计

油水井生产数据采集巡检系统包括三部分： 1) 生产参数采集模块，对油水井生产参数进行实时采集；2) GPRS通信管理模块，该模块包括发送和接收两部分，当上位机软件发起通信请求时，还要负责握手和建立通信链路；3) 智能监测模块。监测中心主站系统为用户提供可视化的监测界面，让用户直观、方便、快捷地了解油水井的运行状态和巡检的动态信息。同时，用户通过查询历史数据库，可以调出系统参数的历史运行状态曲线，为油田生产提供数据支持。

2.1 生产参数采集模块

在油水井数据采集巡检系统中，亟待解决的是如何把油水井的数据快捷方便地读取出来。传统的方法是小队巡检人员自带检测仪表，到达巡检地点时，把检测仪表安装到油水井上，读取油水井数据，然后手工记录油水井数据，回到调度中心把数据手动录入Excel表格中进行统计，这种方法费时费力，还有可能出现漏点或编造数据的可能性。经过大量的实验研究，笔者研发了一种基于无线射频传感器的检测仪表，该仪表主要包括2个模块： 传感器模块(如压力传感器)；RFID数据写入模块和RFID射频卡。传感器采集油水井数据(模拟信号)后经过分压电阻传送给RFID读写模块，其中模拟电压的采集在0～3.3V，分辨率为10位；RFID写入模块右端输入3.3V或5V的直流电压作为电源，把RFID射频卡固定在RFID写入模块的正下方，RFID写入模块上自带单片机、A/D转换器，把传感器采集到的模拟信号转换为数字信号。当给RFID写入模块通电后，RFID写入模块向RFID射频卡中写入传感器采集到的油水井数据，指示灯长亮2s表示采集成功，从而把油水井数据直接存入到RFID射频卡中，经过封装，从而形成了新型的检测仪表。手持器终端系统装有无线射频读取模块，在巡检的过程中能够直接把检测仪表的油水井数据通过无线射频的方式采集出来，再通过GPRS通信管理模块传到智能检测系统，从而解决了油水井数据快捷读取，实现了系统的规范化操作。

2.2 GPRS通信管理模块

2.2.1公网动态IP+动态域名解析传输方式

在油水井数据采集巡检系统中，要求数据传送及时，由于油水井网络设备数目众多、分布范围广、距离远，若采用有线通信，则存在铺设复杂、维护困难、成本较高等缺点[18-20]。所以该系统采用GPRS进行数据传输。如图2所示，该方案的后台管理中心采用动态IP+动态域名解析的方式，嵌入式终端通过GSM基站接入GPRS网络，由GPRS网关支持节点GGSN(Gateway GPRS Support Node)网关汇集后，经移动互联网的防火墙、路由器，连接后台管理中心。后台管理中心通过拨号或ADSL等接入Internet，由于接入所获得的IP地址不是固定的，因而要经过动态域名解析的过程。首先采油厂通过DNS服务商开通域名，终端则采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到监控中心公网动态IP，然后通过“花生壳”软件进行动态域名绑定，建立链接。

2.2.2后台管理中心的设置

后台管理中心通过ADSL连接到Internet，并配置Web服务器，操作系统可以采用Windows 2003 Server，数据库可以选用Oracle11g，在建立好Web服务器之后，采用“花生壳”动态域名解析系统，首先申请账号，并注册域名，然后下载安装配置“花生壳客户端2008”。联网运行客户端，就可以实现动态域名解析，从而使PDA手持设备连接到后台管理中心网站。

2.3 智能监测模块

油水井智能监测模块包括RFID巡检、系统管理两部分，如图3所示。

图3 智能监测模块流程示意

1) RFID巡检包括巡检井号对应列表、数据可视化分析、GIS地图实时监测、数据导入界面。

a) 巡检井号对应列表。每一个RFID标签号唯一对应一个油水井的井号，所以需要一个界面对它进行管理，当RFID标签出现损坏进行更换时，能够及时地更新对应信息，以便正确地读取油水井的数据，防止出现误读、错读现象。

b) 数据可视化分析。把通过PDA手持设备采集到的油水井数据可视化，以便分析油水井当月的油压、套压、电流变化趋势图，使工作人员更加清晰地去了解当月或当年的油水井数据变化。

c) GIS地图实时监测。通过无线通信技术与地理信息系统相结合，能够实时监测巡检人员当前的位置，如果巡检人员出现漏点等错误，能够及时地进行通知改正。当巡检人员开始巡检某油水井时，包括井号的油水井数据信息通过GPRS远传回上位机的数据库中，GIS检测到有井号传进数据库，进行定位并且在地图上显示标识，并且在巡检过的每口井之间进行连线，表示巡检人员走过的路线，当巡检人员完成巡检任务时，监测中心软件分析形成GIS巡检路线图，并进行保存，监管人员可以查阅近期的GIS巡检路线图，实现了巡检线路回放功能。同时单击每口油水井时，会出现该油水井的相应数据信息。

d) 数据导入界面。由于一些客观原因，数据无法及时地回传给上位机，因而可把油水井的数据信息暂时存储到PDA中，回到管理中心通过局域网Wifi或USB将数据成功地导入到上位机的Oracl数据库中。

2) 系统管理包括部门信息管理和人员信息管理两部分。部门信息管理是对油水井各个部门进行管理；人员信息管理主要是对企业领导、巡检人员、管理人员进行管理，不同的人员所看到的界面和权限是不一样的，这样方便人员进行操作。

3 结束语

笔者研发的油水井数据采集巡检系统，是在射频传感器、GPRS网络、PDA上结合油田作业区需求开发的标准化系统。通过分析油水井巡检和数据采集流程等，在PDA中结合WINCE嵌入式开发技术、无线通信技术、无线射频技术，在手持器上实现了油水井巡检、油水井数据采集、语音提示、巡检油水井数据存储等功能；上位机的智能监测系统结合GIS利用.NET服务器技术、AJAX异步通信技术、TCP/IP的远程数据通信技术等，让用户直观、方便、快捷地了解油水井的运行状态和巡检的动态信息。同时，用户通过查询历史数据库，可以调出系统参数的历史运行状态曲线，可以为油田生产提供数据支持。使用单位通过使用该系统实现对目标对象数字化、可视化、实时化管理，切实地提高了紧急故障处理的能力和协调水平，保障了油田作业区域设备的安全可靠运行。

参考文献：

[1]郭传奇，王明渝.基于GPRS通信技术的电力巡检系统设计[J].自动化仪表，2007，28(07)： 39-42.

[2]陈启卷，毛慧和，肖志怀，等.便携式电力设备巡检装置[J].

电力系统自动化，2001，25(03)： 61-63.

[3]折宏图，康厚强，陈虹.射频识别技术(RFID)在石油管道巡检中的应用[J].现代电子技术，2007，30(增刊1)： 184-186，189.

[4]成修治，李宇成.RFID中间件的结构设计[J].计算机应用，2008，28(04)： 1055-1057，1060.

[5]申晓留，雷琼，周长玉.变电站、发电厂设备巡检管理系统的发展[J].现代电力，2003，20(01)： 76-79.

[6]殷波，邓恒，樊大伟.基于条码技术的变电站巡检系统[J].继电器，2002，30(10)： 58-60.

[7]徐海猛.基于Pocket PC和.NET平台的变电站巡检系统的设计与实现[D].北京： 北京邮电大学，2006.

[8]王江涛，王剑，蔡伯根.基于GPS和RFID技术的铁路信号设备巡检系统[J].铁路学报，2006，28(05)： 90-94.

[9]崔秀玉，王志勇，王成祥.GPRS技术在电力系统通信中的应用[J].电力系统通信，2004，25(08)： 3-4.

[10]施慧，王军，陈安卫.基于GPRS通信技术的台区变压器远程抄表系统[J].中国电力，2007，40(07)： 82-85.

[11]张新成，李庆亮，吴相林，等.基于GPRS远程数据采集系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2006，27(14)： 2561-2563.

[12]郜向阳，李墨雪，王库.GPRS无线数据传送在远程采集系统中的应用[J].仪表技术，2006，28(01)： 18-19.

[13]周封，王晨光.基于GPRS的电网调度自动化系统的通信方式[J].电力系统通信，2008，29(06)： 34-35.

[14]黎水平，贺建军.基于GPRS的配电变压器在线监控系统研究[J].自动化仪表，2008，29(09)： 33-35.

[15]邢毅，齐书情，盛戈碑，等.基于GPRS的输电线路状态数据采集通信系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2008，21(05)： 35-38.

[16]高伟，廖勇.PDA在电力巡线系统中的应用[J].云南电力技术，2004，32(01)： 12-14.

[17]张建宏，裴仁清，李亚静，等.自动化设备的远程监控系统[J].自动化仪表，2002，23(07)： 56-57.

[18]朱丽丽.嵌入式数据库实现技术的研究[J].金陵科技学院学报，2008，25(03)： 20-25.

[19]王丛刚，王青云.基于PDA移动客户的网络应用研究[J].计算机应用研究，2002，19(03)： 118-119.

[20]李晓海，南新元.GPRS无线通信在油井集中监控系统中的应用研究[J].化工自动化及仪表，2012，39(01)： 130-132.