基于RFID的智能钻杆管理系统

金佳骏，钱松荣

基于RFID的智能钻杆管理系统

金佳骏，钱松荣

射频识别（RFID）技术是20世纪80年代开始兴起的一种非接触式自动识别技术，近年来，物联网（Internet of Things）概念又备受追捧。创新地将RFID技术和物联网概念应用于煤矿钻杆管理领域，提出一种基于RFID和物联网概念的智能钻杆管理系统，旨在智能、高效、安全地完成钻杆信息管理和资源调配等工作。阐述了系统的总体框架结构，着重分析了数据信息采集、嵌入式控制、应用服务等各个子系统模块的功能设计和软硬件实现。最终的项目结果证明，该系统具有很高的实用性。

射频识别；物联网；钻杆管理；智能

0 引言

RFID技术，全称为“Radio Frequency Identification”，即无线射频识别技术，是一种利用电磁感应，以电磁场或者电磁波为传输手段，完成非接触式双向通信，获取相关数据的一种自动识别技术。RFID技术可以在无需人工干预的情况下完成信息的输入和处理，操作方便快捷，能工作于各种恶劣环境。由于RFID技术的独特优势，该技术已经逐渐被应用于工业自动化、商业自动化和交通控制管理等领域[1]。

一套完整的RFID系统一般由以下几部分组成：RFID标签、读写器、天线、中间件和应用软件，如图1所示：

图1 射频识别系统的组成结构

本文将RFID技术创新地应用于煤矿钻杆管理领域，提出了一套智能钻杆管理系统，实现了硬件和软件的各种设计，并对其结构和功能进行了详细的阐述。

1 系统综述

在煤矿生产领域，已经有了一些RFID的应用场景，比如基于RFID的井下人员定位系统[2]。在煤矿开采过程中，为了满足一些地质、安全或者其他工程方面的要求，需要对勘探区的地层做提前的钻探工作，而在钻探的过程中，需要用到大量的煤矿钻杆，到目前为止，人们对这些钻杆的管理模式仍是落后和原始的。

利用RFID技术和物联网技术，将煤矿钻杆ID化、信息化，再利用高效的互联网信息管理技术，可以有效的对这些钻杆做到统一的、标准的、全生命周期的追踪管理。

基于RFID的煤矿钻杆管理系统的优点可以体现在以下几个方面：实现跨区域集中式管理与监控；高效地完成各种业务操作，提升作业效率；提高数据实时性，实时动态掌握钻杆使用情况；降低人为操作失误的概率，提升管理精确度；自动化程度高，减少人力资源消耗。

本文所描述的项目，通过引入基于RFID技术的物联网概念，以该技术为基础将所有分散的管理对象进行了统一的调度分配和管理，在效率、功能和安全性等各方面都比传统钻杆管理模式有显著提升。

2 系统设计

整个系统自下而上可以划分为3层：数据采集层、嵌入式控制层和应用服务层如图2所示：

图2 系统构架

数据采集层是整个钻杆管理系统的数据来源，包括电子标签和读写器两个部分。读卡器读取到嵌在钻杆上的标签信息，即完成了将“物”转化为“信息”的采集过程。之后，系统就能对代表某物体的信息做各种操作。

嵌入式控制层由一系列嵌入式控制器组成，这些嵌入式控制器是井下人员的操作终端，井下人员通过嵌入式控制器完成钻探任务管理和数据监控的工作。此外，嵌入式控制器会将读卡器读取到的标签信息做即时的处理和分析，处理得到的有效信息会被上传至管理应用层，冗余和无效信息在这一层被滤出，提升整个系统的运行效率。

应用服务层是整个钻杆管理系统的管理、控制、服务中心，这一层将底层传输过来的数据进行特定处理后存入主数据库，管理人员可以通过各种类型的用户接口（如PC端应用程序）对系统内所有的数据信息进行监控、查询和分析，真正实现钻杆管理的自动化、网络化、智能化。

2.1 数据采集层

被纳入智能钻杆管理系统的钻杆，都会嵌上一个微型的RFID标签，这个RFID标签即成为这根钻杆的唯一身份标识。当RFID电子标签装入钻杆后，在钻杆的生命周期内的使用、保养、报废等过程，标签和钻杆都做到一一对应。

2.1.1 读写器和RFID标签

由于系统对于数据读取速度没有太高的要求，硬件选择方面，读写器和标签可以采用125KHz低频RFID解决方案。此外，125KHz低频RFID系统有良好的穿透性和泛方向性，因此在煤矿井下的复杂工作环境中也能保持优良的读取性能。

本系统最终选用的是型号为EM4100的RFID标签，每张标签具有唯一的32位UID。读写器采用的是自行研制开发的125KHz大功率低频RFID读卡器，相较于普通的低频读卡器不到10cm的读写距离[3]，这款读卡器可以将有效读写距离提升至50cm以上，大大提升了系统的实用性。

2.1.2 数据采集

当钻杆在井下被使用的时候，读卡器都会去读取一下这根钻杆的ID，我们就认为这根钻杆被使用了一次。为了方便起见，我们将读卡器固定在钻机上，当钻探工作开始之后，每一根钻杆都会经过读卡器天线所在的位置，钻杆身上嵌入的RFID标签就会进入读卡器天线的电磁场范围，读卡器就能够自动读取到标签数据，而不用操作人员进行手工读取，实现信息读取自动化。

2.2 嵌入式控制层

每一台嵌入式控制器配上一台读卡器都可以成为一个独立的子系统，通过嵌入式控制器，操作人员可以设置钻机工作模式，开启、停止或重置一次钻探任务，以及实时监控读取到的钻杆数据。嵌入式控制层的另一个重要任务是将读卡器读到的数据做预处理，并做备份和上传。嵌入式控制器上传的每一条数据中都会包括：钻杆标签ID、操作人员ID、操作时间、钻探任务编号、钻机编号等信息。

2.2.1 标签数据预处理

在数据采集的过程中，读卡器有可能会连续读取到同一根钻杆的ID，嵌入式控制层就会对读到的ID做判断，如果在当前任务中该标签ID已经被读到过且是被连续读取到，则只有第一条ID信息被认为是有效信息，之后的ID信息将被认为是冗余信息而被丢弃。

对应不同的具体使用环境，标签数据的预处理逻辑也可能会有些许差异，此时，可以根据具体的逻辑规则调整嵌入式控制层的预处理逻辑，整个系统的适应能力变得更强。

2.2.2 数据本地存储

嵌入式控制层会将从读卡器获取到的信息在本地数据库中存储一份，这个功能在终端和中心控制系统的通讯因意外中断的情况下显得尤为重要。如果没有嵌入式控制层而将读卡器直接和控制中心相连接，一旦某一台读卡器和控制中心的通讯意外中断，那这台读卡器返回的数据将会直接丢失且无法找回，这个损失将是巨大的。而嵌入式控制层的存在很好地解决了这一问题，所有的数据会在嵌入式控制层作一份备份，在通讯中断的时候，数据仍然被很好地保存了下来，在通讯恢复之后，嵌入式控制层再将本地数据上传至控制中心。整个体统的健壮性得到了极大地提升。

2.2.3 嵌入式控制器

本系统中采用了micro2440嵌入式ARM板做嵌入式控制器，该控制板运行基于Qtopia图形界面的嵌入式Linux系统，配备10英寸触摸显示屏，配有RS232串口与读卡器相连接，还有RJ45网口与管理控制层进行实时通信。运用配套的QT开发套件可以开发运行于该ARM版上的可视化图形操作界面[4]，嵌入式控制器的数据库部分采用SQLite[5]，它占用资源非常的低，非常适合使用在嵌入式设备当中。

2.3 应用服务层

整个系统内的所有数据采集终端采集到的数据最终都会被存进系统的主数据库，形成庞大的数据池。应用服务层提供了统一的数据查询、统计和分析功能，使得管理人员可以充分、有效、合理地利用这些数据资源，实现钻杆管理智能化。

2.3.1 钻杆信息的统计和查询

钻杆管理是本系统最核心也是最主要的一个功能。通过数据采集层和嵌入式控制层，每一根钻杆的每一次工作的数据信息都被保存下来，应用服务层就可以对这些数据进行各种查询分析。

通过钻杆的UID可以查询到所有有关这根钻杆的信息条目，并统计得到这根钻杆的总使用次数和使用情况，帮助管理人员判断这根钻杆是否需要更换、保养，甚至是已经达到了其设计使用寿命应予以报废。结合其他查询条件可以得到更多分析结果，例如，结合钻杆的使用日期的数据可以统计得到每根钻杆的日使用次数，绘制出钻杆的使用频率折线图，可以帮助管理人员发现哪些钻杆的使用频率过高，或者哪些钻杆的使用率不足造成钻杆资源的浪费，及时调整钻杆分配情况，提升钻杆使用效率，是智能化管理体现。

2.3.2 钻探任务管理及人员考核

从嵌入式控制器上传的数据中其实还包含了此次钻探任务的信息以及井下操作人员的信息，因此，钻杆管理系统还能够实现钻探任务管理及人员考核的功能。管理控制中心可以知道每一次钻探任务的操作人员是谁，任务的开始时间和完成时间，任务中使用了几根钻杆并可以通过钻杆信息分析得知此次任务的钻进深度等等信息。

通过查询员工信息，能够知道操作人员的操作记录、工作时间、工作量等数据，而这些数据是人员考核的重要参考依据。

2.3.3 报表服务

通过特定的查询条件，统计得到报表使用者需要的数据信息，定时输出预定格式的报表供使用者参考。报表内容可以根据不同的需求逻辑进行定制，具体可以包括每天的钻杆使用总量、每次钻探使用的钻杆的数量、每个操作人员一天经手的钻杆数等等。报表使得管理者可以清楚直观地了解到整个煤矿系统地运行情况，方便做出更好的生产决策。

3 总结

RFID技术和物联网的概念正在被越来越多地应用于我们的生产生活之中，本文基于RFID技术和物联网的概念，创新地将其应用于煤矿钻杆管理领域，提出、设计并实现了一套基于RFID的智能钻杆管理系统。该系统能自动识别钻杆信息，完成钻杆信息的录入、存储、查询、分析等功能，实现了煤矿钻杆管理的自动化、网络化和智能化，相较于原始的人工钻杆管理方式，智能钻杆管理系统在效率、安全、功能、可靠性、扩展性等各个方面都有了极大的提升。

[1]李泉林,郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].中国电子商情(RFID技术与应用),2006,01:51-62.

[2]贾东.基于RFID的井下人员定位系统的应用研究[D].西安:西安科技大学,2014.

[3]张建文,王怀平.125kHz低频RFID读写器设计[J].软件工程师,2014,04:52-54.

[4]吴贺猛.基于Qt/E的嵌入式图形用户界面的研究与应用[D].南京:南京邮电大学,2013.

[5]姚丹,刘亮.基于SQLite的嵌入式数据记录系统设计[J].物联网技术,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）

金佳骏（1990-），男，上海，复旦大学，通信科学与工程系，硕士，研究方向：数据通信与网络，上海，200433

钱松荣（1960-），男，上海，复旦大学，通信科学与工程系，教授，研究方向：网络与数据通信、物联网核心技术，上海，200433