金佳駿，錢松榮

基于RFID的智能鉆桿管理系統(tǒng)

金佳駿，錢松榮

射頻識別（RFID）技術(shù)是20世紀(jì)80年代開始興起的一種非接觸式自動識別技術(shù)，近年來，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）概念又備受追捧。創(chuàng)新地將RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)概念應(yīng)用于煤礦鉆桿管理領(lǐng)域，提出一種基于RFID和物聯(lián)網(wǎng)概念的智能鉆桿管理系統(tǒng)，旨在智能、高效、安全地完成鉆桿信息管理和資源調(diào)配等工作。闡述了系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)，著重分析了數(shù)據(jù)信息采集、嵌入式控制、應(yīng)用服務(wù)等各個子系統(tǒng)模塊的功能設(shè)計和軟硬件實現(xiàn)。最終的項目結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有很高的實用性。

射頻識別；物聯(lián)網(wǎng)；鉆桿管理；智能

0 引言

RFID技術(shù)，全稱為“Radio Frequency Identification”，即無線射頻識別技術(shù)，是一種利用電磁感應(yīng)，以電磁場或者電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的一種自動識別技術(shù)。RFID技術(shù)可以在無需人工干預(yù)的情況下完成信息的輸入和處理，操作方便快捷，能工作于各種惡劣環(huán)境。由于RFID技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，該技術(shù)已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化和交通控制管理等領(lǐng)域[1]。

一套完整的RFID系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：RFID標(biāo)簽、讀寫器、天線、中間件和應(yīng)用軟件，如圖1所示：

圖1 射頻識別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

本文將RFID技術(shù)創(chuàng)新地應(yīng)用于煤礦鉆桿管理領(lǐng)域，提出了一套智能鉆桿管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了硬件和軟件的各種設(shè)計，并對其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1 系統(tǒng)綜述

在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域，已經(jīng)有了一些RFID的應(yīng)用場景，比如基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)[2]。在煤礦開采過程中，為了滿足一些地質(zhì)、安全或者其他工程方面的要求，需要對勘探區(qū)的地層做提前的鉆探工作，而在鉆探的過程中，需要用到大量的煤礦鉆桿，到目前為止，人們對這些鉆桿的管理模式仍是落后和原始的。

利用RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將煤礦鉆桿ID化、信息化，再利用高效的互聯(lián)網(wǎng)信息管理技術(shù)，可以有效的對這些鉆桿做到統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、全生命周期的追蹤管理。

基于RFID的煤礦鉆桿管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以體現(xiàn)在以下幾個方面：實現(xiàn)跨區(qū)域集中式管理與監(jiān)控；高效地完成各種業(yè)務(wù)操作，提升作業(yè)效率；提高數(shù)據(jù)實時性，實時動態(tài)掌握鉆桿使用情況；降低人為操作失誤的概率，提升管理精確度；自動化程度高，減少人力資源消耗。

本文所描述的項目，通過引入基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)概念，以該技術(shù)為基礎(chǔ)將所有分散的管理對象進(jìn)行了統(tǒng)一的調(diào)度分配和管理，在效率、功能和安全性等各方面都比傳統(tǒng)鉆桿管理模式有顯著提升。

2 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)自下而上可以劃分為3層：數(shù)據(jù)采集層、嵌入式控制層和應(yīng)用服務(wù)層如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架

數(shù)據(jù)采集層是整個鉆桿管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，包括電子標(biāo)簽和讀寫器兩個部分。讀卡器讀取到嵌在鉆桿上的標(biāo)簽信息，即完成了將“物”轉(zhuǎn)化為“信息”的采集過程。之后，系統(tǒng)就能對代表某物體的信息做各種操作。

嵌入式控制層由一系列嵌入式控制器組成，這些嵌入式控制器是井下人員的操作終端，井下人員通過嵌入式控制器完成鉆探任務(wù)管理和數(shù)據(jù)監(jiān)控的工作。此外，嵌入式控制器會將讀卡器讀取到的標(biāo)簽信息做即時的處理和分析，處理得到的有效信息會被上傳至管理應(yīng)用層，冗余和無效信息在這一層被濾出，提升整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

應(yīng)用服務(wù)層是整個鉆桿管理系統(tǒng)的管理、控制、服務(wù)中心，這一層將底層傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定處理后存入主數(shù)據(jù)庫，管理人員可以通過各種類型的用戶接口（如PC端應(yīng)用程序）對系統(tǒng)內(nèi)所有的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控、查詢和分析，真正實現(xiàn)鉆桿管理的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

2.1 數(shù)據(jù)采集層

被納入智能鉆桿管理系統(tǒng)的鉆桿，都會嵌上一個微型的RFID標(biāo)簽，這個RFID標(biāo)簽即成為這根鉆桿的唯一身份標(biāo)識。當(dāng)RFID電子標(biāo)簽裝入鉆桿后，在鉆桿的生命周期內(nèi)的使用、保養(yǎng)、報廢等過程，標(biāo)簽和鉆桿都做到一一對應(yīng)。

2.1.1 讀寫器和RFID標(biāo)簽

由于系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)讀取速度沒有太高的要求，硬件選擇方面，讀寫器和標(biāo)簽可以采用125KHz低頻RFID解決方案。此外，125KHz低頻RFID系統(tǒng)有良好的穿透性和泛方向性，因此在煤礦井下的復(fù)雜工作環(huán)境中也能保持優(yōu)良的讀取性能。

本系統(tǒng)最終選用的是型號為EM4100的RFID標(biāo)簽，每張標(biāo)簽具有唯一的32位UID。讀寫器采用的是自行研制開發(fā)的125KHz大功率低頻RFID讀卡器，相較于普通的低頻讀卡器不到10cm的讀寫距離[3]，這款讀卡器可以將有效讀寫距離提升至50cm以上，大大提升了系統(tǒng)的實用性。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集

當(dāng)鉆桿在井下被使用的時候，讀卡器都會去讀取一下這根鉆桿的ID，我們就認(rèn)為這根鉆桿被使用了一次。為了方便起見，我們將讀卡器固定在鉆機(jī)上，當(dāng)鉆探工作開始之后，每一根鉆桿都會經(jīng)過讀卡器天線所在的位置，鉆桿身上嵌入的RFID標(biāo)簽就會進(jìn)入讀卡器天線的電磁場范圍，讀卡器就能夠自動讀取到標(biāo)簽數(shù)據(jù)，而不用操作人員進(jìn)行手工讀取，實現(xiàn)信息讀取自動化。

2.2 嵌入式控制層

每一臺嵌入式控制器配上一臺讀卡器都可以成為一個獨(dú)立的子系統(tǒng)，通過嵌入式控制器，操作人員可以設(shè)置鉆機(jī)工作模式，開啟、停止或重置一次鉆探任務(wù)，以及實時監(jiān)控讀取到的鉆桿數(shù)據(jù)。嵌入式控制層的另一個重要任務(wù)是將讀卡器讀到的數(shù)據(jù)做預(yù)處理，并做備份和上傳。嵌入式控制器上傳的每一條數(shù)據(jù)中都會包括：鉆桿標(biāo)簽ID、操作人員ID、操作時間、鉆探任務(wù)編號、鉆機(jī)編號等信息。

2.2.1 標(biāo)簽數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)采集的過程中，讀卡器有可能會連續(xù)讀取到同一根鉆桿的ID，嵌入式控制層就會對讀到的ID做判斷，如果在當(dāng)前任務(wù)中該標(biāo)簽ID已經(jīng)被讀到過且是被連續(xù)讀取到，則只有第一條ID信息被認(rèn)為是有效信息，之后的ID信息將被認(rèn)為是冗余信息而被丟棄。

對應(yīng)不同的具體使用環(huán)境，標(biāo)簽數(shù)據(jù)的預(yù)處理邏輯也可能會有些許差異，此時，可以根據(jù)具體的邏輯規(guī)則調(diào)整嵌入式控制層的預(yù)處理邏輯，整個系統(tǒng)的適應(yīng)能力變得更強(qiáng)。

2.2.2 數(shù)據(jù)本地存儲

嵌入式控制層會將從讀卡器獲取到的信息在本地數(shù)據(jù)庫中存儲一份，這個功能在終端和中心控制系統(tǒng)的通訊因意外中斷的情況下顯得尤為重要。如果沒有嵌入式控制層而將讀卡器直接和控制中心相連接，一旦某一臺讀卡器和控制中心的通訊意外中斷，那這臺讀卡器返回的數(shù)據(jù)將會直接丟失且無法找回，這個損失將是巨大的。而嵌入式控制層的存在很好地解決了這一問題，所有的數(shù)據(jù)會在嵌入式控制層作一份備份，在通訊中斷的時候，數(shù)據(jù)仍然被很好地保存了下來，在通訊恢復(fù)之后，嵌入式控制層再將本地數(shù)據(jù)上傳至控制中心。整個體統(tǒng)的健壯性得到了極大地提升。

2.2.3 嵌入式控制器

本系統(tǒng)中采用了micro2440嵌入式ARM板做嵌入式控制器，該控制板運(yùn)行基于Qtopia圖形界面的嵌入式Linux系統(tǒng)，配備10英寸觸摸顯示屏，配有RS232串口與讀卡器相連接，還有RJ45網(wǎng)口與管理控制層進(jìn)行實時通信。運(yùn)用配套的QT開發(fā)套件可以開發(fā)運(yùn)行于該ARM版上的可視化圖形操作界面[4]，嵌入式控制器的數(shù)據(jù)庫部分采用SQLite[5]，它占用資源非常的低，非常適合使用在嵌入式設(shè)備當(dāng)中。

2.3 應(yīng)用服務(wù)層

整個系統(tǒng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)最終都會被存進(jìn)系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫，形成龐大的數(shù)據(jù)池。應(yīng)用服務(wù)層提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計和分析功能，使得管理人員可以充分、有效、合理地利用這些數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)鉆桿管理智能化。

2.3.1 鉆桿信息的統(tǒng)計和查詢

鉆桿管理是本系統(tǒng)最核心也是最主要的一個功能。通過數(shù)據(jù)采集層和嵌入式控制層，每一根鉆桿的每一次工作的數(shù)據(jù)信息都被保存下來，應(yīng)用服務(wù)層就可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各種查詢分析。

通過鉆桿的UID可以查詢到所有有關(guān)這根鉆桿的信息條目，并統(tǒng)計得到這根鉆桿的總使用次數(shù)和使用情況，幫助管理人員判斷這根鉆桿是否需要更換、保養(yǎng)，甚至是已經(jīng)達(dá)到了其設(shè)計使用壽命應(yīng)予以報廢。結(jié)合其他查詢條件可以得到更多分析結(jié)果，例如，結(jié)合鉆桿的使用日期的數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計得到每根鉆桿的日使用次數(shù)，繪制出鉆桿的使用頻率折線圖，可以幫助管理人員發(fā)現(xiàn)哪些鉆桿的使用頻率過高，或者哪些鉆桿的使用率不足造成鉆桿資源的浪費(fèi)，及時調(diào)整鉆桿分配情況，提升鉆桿使用效率，是智能化管理體現(xiàn)。

2.3.2 鉆探任務(wù)管理及人員考核

從嵌入式控制器上傳的數(shù)據(jù)中其實還包含了此次鉆探任務(wù)的信息以及井下操作人員的信息，因此，鉆桿管理系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)鉆探任務(wù)管理及人員考核的功能。管理控制中心可以知道每一次鉆探任務(wù)的操作人員是誰，任務(wù)的開始時間和完成時間，任務(wù)中使用了幾根鉆桿并可以通過鉆桿信息分析得知此次任務(wù)的鉆進(jìn)深度等等信息。

通過查詢員工信息，能夠知道操作人員的操作記錄、工作時間、工作量等數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是人員考核的重要參考依據(jù)。

2.3.3 報表服務(wù)

通過特定的查詢條件，統(tǒng)計得到報表使用者需要的數(shù)據(jù)信息，定時輸出預(yù)定格式的報表供使用者參考。報表內(nèi)容可以根據(jù)不同的需求邏輯進(jìn)行定制，具體可以包括每天的鉆桿使用總量、每次鉆探使用的鉆桿的數(shù)量、每個操作人員一天經(jīng)手的鉆桿數(shù)等等。報表使得管理者可以清楚直觀地了解到整個煤礦系統(tǒng)地運(yùn)行情況，方便做出更好的生產(chǎn)決策。

3 總結(jié)

RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的概念正在被越來越多地應(yīng)用于我們的生產(chǎn)生活之中，本文基于RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的概念，創(chuàng)新地將其應(yīng)用于煤礦鉆桿管理領(lǐng)域，提出、設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于RFID的智能鉆桿管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動識別鉆桿信息，完成鉆桿信息的錄入、存儲、查詢、分析等功能，實現(xiàn)了煤礦鉆桿管理的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，相較于原始的人工鉆桿管理方式，智能鉆桿管理系統(tǒng)在效率、安全、功能、可靠性、擴(kuò)展性等各個方面都有了極大的提升。

[1]李泉林,郭龍巖.綜述RFID技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域[J].中國電子商情(RFID技術(shù)與應(yīng)用),2006,01:51-62.

[2]賈東.基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].西安:西安科技大學(xué),2014.

[3]張建文,王懷平.125kHz低頻RFID讀寫器設(shè)計[J].軟件工程師,2014,04:52-54.

[4]吳賀猛.基于Qt/E的嵌入式圖形用戶界面的研究與應(yīng)用[D].南京:南京郵電大學(xué),2013.

[5]姚丹,劉亮.基于SQLite的嵌入式數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),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）

金佳駿（1990-），男，上海，復(fù)旦大學(xué)，通信科學(xué)與工程系，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)，上海，200433

錢松榮（1960-），男，上海，復(fù)旦大學(xué)，通信科學(xué)與工程系，教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信、物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，上海，200433