物聯(lián)網(wǎng)綜合設(shè)計

石油勘探識別器一、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求分析物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。在物聯(lián)網(wǎng)中，每一個物品都被賦予了一個獨一無二的識別代碼，將這個代碼存儲在電子標簽中貼在物品上，同時將這個代碼所對應(yīng)的詳細信息和屬性存儲在射頻識別信息服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)器當中。當物品從生產(chǎn)到流通的各個環(huán)節(jié)中被識別并記錄時，通過對象名解析服務(wù)可獲得物品所屬信息服務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一資源標識，進而通過網(wǎng)絡(luò)從射頻識別信息服務(wù)器中獲得其代碼所對應(yīng)的信息和屬性，以進行物品的識別和達到對物品自動追蹤管理的目的。物聯(lián)網(wǎng)的最終目標是為每一個物品建立全球的、開放性的標識標準，它的發(fā)展不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對物品的實時跟蹤，而且能夠提供工作效率和信息化的管理水平。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層感知層包括條碼識讀器、RFID讀寫器、傳感器、攝像頭、傳感網(wǎng)絡(luò)等，主要用于識別物體，采集信息；網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心等，主要用于傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與各行各業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求相結(jié)合，實現(xiàn)行業(yè)的智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈可以分為標識、感知、處理和信息傳送4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分別為射頻識別、傳感器、智能芯片和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)就是利用射頻識別技術(shù)RFID，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。射頻識別技術(shù)是一種能夠讓物品開口說話的技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)忠，射頻識別標簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，這些信息由無線通信網(wǎng)絡(luò)采集到中央信息處理系統(tǒng)，實現(xiàn)物品的識別，進而通過開放性的計算機網(wǎng)絡(luò)平臺進行信息的交互和共享，從而實現(xiàn)智能管理。工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術(shù)的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，可大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。制造業(yè)供應(yīng)鏈管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于企業(yè)原材料采購、庫存、銷售等領(lǐng)域，通過完善和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理體系，提高了供應(yīng)鏈效率，降低了成本。空中客車(Airbus)通過在供應(yīng)鏈體系中應(yīng)用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了全球制造業(yè)中規(guī)模最大、效率最高的供應(yīng)鏈體系。生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)線過程檢測、實時參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平。生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。鋼鐵企業(yè)應(yīng)用各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)對加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實時監(jiān)控，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了生產(chǎn)流程。產(chǎn)品設(shè)備監(jiān)控管理各種傳感技術(shù)與制造技術(shù)融合，實現(xiàn)了對產(chǎn)品設(shè)備操作使用記錄、設(shè)備故障診斷的遠程監(jiān)控。GEOil&Gas集團在全球建立了13個面向不同產(chǎn)品的i-Center，通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進行在線監(jiān)測和實時監(jiān)控，并提供設(shè)備維護和故障診斷的解決方案。環(huán)保監(jiān)測及能源管理物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保設(shè)備的融合實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關(guān)鍵指標的實時監(jiān)控。在重點排污企業(yè)排污口安裝無線傳感設(shè)備，不僅可以實時監(jiān)測企業(yè)排污數(shù)據(jù)，而且可以遠程關(guān)閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。電信運營商已開始推廣基于物聯(lián)網(wǎng)的污染治理實時監(jiān)測解決方案。工業(yè)安全生產(chǎn)管理把感應(yīng)器嵌入和裝備到礦山設(shè)備、油氣管道、礦工設(shè)備中，可以感知危險環(huán)境中工作人員、設(shè)備機器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現(xiàn)有分散、獨立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺，實現(xiàn)實時感知、準確辨識、快捷響應(yīng)、有效控制。以減少礦上事件多發(fā)的現(xiàn)狀，能有效地保護礦產(chǎn)工作人員的人身安全。工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術(shù)的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，可大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。制造業(yè)供應(yīng)鏈管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于企業(yè)原材料采購、庫存、銷售等領(lǐng)域，通過完善和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理體系，提高了供應(yīng)鏈效率，降低了成本?？罩锌蛙?Airbus)通過在供應(yīng)鏈體系中應(yīng)用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了全球制造業(yè)中規(guī)模最大、效率最高的供應(yīng)鏈體系。生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)線過程檢測、實時參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平。生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。鋼鐵企業(yè)應(yīng)用各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)對加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實時監(jiān)控，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了生產(chǎn)流程。產(chǎn)品設(shè)備監(jiān)控管理各種傳感技術(shù)與制造技術(shù)融合，實現(xiàn)了對產(chǎn)品設(shè)備操作使用記錄、設(shè)備故障診斷的遠程監(jiān)控。GEOil&Gas集團在全球建立了13個面向不同產(chǎn)品的i-Center，通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進行在線監(jiān)測和實時監(jiān)控，并提供設(shè)備維護和故障診斷的解決方案。環(huán)保監(jiān)測及能源管理物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保設(shè)備的融合實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關(guān)鍵指標的實時監(jiān)控。在重點排污企業(yè)排污口安裝無線傳感設(shè)備，不僅可以實時監(jiān)測企業(yè)排污數(shù)據(jù)，而且可以遠程關(guān)閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。電信運營商已開始推廣基于物聯(lián)網(wǎng)的污染治理實時監(jiān)測解決方案。工業(yè)安全生產(chǎn)管理把感應(yīng)器嵌入和裝備到礦山設(shè)備、油氣管道、礦工設(shè)備中，可以感知危險環(huán)境中工作人員、設(shè)備機器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現(xiàn)有分散、獨立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺，實現(xiàn)實時感知、準確辨識、快捷響應(yīng)、有效控制。以減少礦上事件多發(fā)的現(xiàn)狀，能有效地保護礦產(chǎn)工作人員的人身安全。為了滿足石油開采的需求這里設(shè)計一種能夠感知勘探石油鉆井中“人員、機械、環(huán)境”安全狀態(tài)信息的多功能物聯(lián)網(wǎng)識別器。識別器工作步驟：1）對物體的屬性進行標識，物體屬性包括靜態(tài)和動態(tài)，靜態(tài)屬性可以直接存儲在標簽當中，而動態(tài)屬性需要先由傳感器實時探測；2）需要識別設(shè)備完成對物體屬性的設(shè)置，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)格式；3）將物體的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行模ㄖ行目赡苁欠植际饺缂矣秒娔X或手持PAD，也可以是集中的云計算中心），由處理中心完成對物體通信的相關(guān)統(tǒng)計及計算。物聯(lián)網(wǎng)在勘探及石油鉆井中的應(yīng)用分析及定位勘探、石油及煤炭對我國的國民經(jīng)濟起著重要的支持作用，全國發(fā)電廠70%都是熱電廠，需要大量的煤炭發(fā)電，所以其安全生產(chǎn)尤為重要。物聯(lián)網(wǎng)對開采資源時安全監(jiān)督管理引入了新的理念、新的技術(shù)和新的方法。把傳感器嵌入到安全監(jiān)控系統(tǒng)中，感知勘探、石油及煤炭生產(chǎn)中“人員、設(shè)備、機械和環(huán)境”等方面的各種狀態(tài)信息，將現(xiàn)有的分散、獨立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺升級為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺，實現(xiàn)人與機械、環(huán)境等系統(tǒng)的整合，通過互聯(lián)互動，從而保證安全生產(chǎn)，實現(xiàn)安全督管中：物物相連、智能感知、物物互動、智慧城市“的設(shè)想。其在該領(lǐng)域具體應(yīng)用主要包括以下幾個方面：1）鉆探設(shè)備。實時傳輸鉆探設(shè)備及系統(tǒng)中的探頭、溫度、深度、環(huán)境構(gòu)造、濕度等信息，及時上傳至總控制室做數(shù)據(jù)分析。2）地面生產(chǎn)系統(tǒng)。實時監(jiān)控地面生產(chǎn)及運輸系統(tǒng)中的傳送帶，機車，振動篩、水泵等主要地面生產(chǎn)設(shè)施的運行參數(shù)，情況及啟動停止等的控制。3）運輸系統(tǒng)。實時監(jiān)控鉆井及礦井上下運輸系統(tǒng)的軌道、車輛、蓄電池、充放電裝置等的工作情況和狀態(tài)信息。4）安全監(jiān)控裝置。監(jiān)測勘探井下甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣、風(fēng)速、壓力、溫度、饋電狀態(tài)、風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)筒及風(fēng)機的開停、工作電壓、工作電流等，實現(xiàn)聲光報警，斷電和及時啟動通風(fēng)控制等。5）通道立體網(wǎng)絡(luò)圖。根據(jù)已采集到的信息數(shù)據(jù)，對地質(zhì)巖層的綜合構(gòu)成進行分析，將采掘現(xiàn)狀的剖面圖與分布圖疊加顯示進行對比，判斷開采情況或趨勢。6）搶險救險。一旦發(fā)生意外險情，可根據(jù)事故類型和地點選擇最佳線路，迅速調(diào)配搶險救護隊伍和醫(yī)療設(shè)備。二：設(shè)計原理：軟硬件設(shè)計根據(jù)以上分析，勘探石油環(huán)境使用的物聯(lián)網(wǎng)讀寫器一方面要能夠識別人或物體，另一方面需采集一些物理信號和環(huán)境參數(shù)，因此該多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫器應(yīng)具有無線射頻識別和無線傳感數(shù)據(jù)傳輸功能。無線射頻識別功能主要完成對人或物體的識別，它主要是對不同節(jié)點處的人或物體上的信號進行識別。識別器接入網(wǎng)絡(luò)后，其數(shù)據(jù)傳輸端口當服務(wù)器召測信號時將數(shù)據(jù)上傳，同時具有數(shù)據(jù)存儲的功能。由于作業(yè)地區(qū)面積較大，無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等弊端，采用RS485、工業(yè)以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線等方式與物聯(lián)網(wǎng)接口進行通信，并通過其傳輸至互聯(lián)網(wǎng)上。物聯(lián)網(wǎng)讀寫器主要結(jié)構(gòu)如下圖所示。微處理器選用ARM9內(nèi)核的C2440，射頻識別模塊選用RFM22，無線網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee模塊選用CC2430。1）微處理器C2440C2440采用CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行。其主頻為400MHz，最高可達到533MHz；具有SDRAM內(nèi)存；同時具有FLASH存儲器；具有1個10M以太網(wǎng)接口。通過CS8900芯片接入以太網(wǎng)；具有3個串行接口；最后擴展一個CAN總線模塊實現(xiàn)現(xiàn)場總線連接。2）射頻識別模塊RFM22RFM22是一款較先進的低成本射頻收發(fā)模塊，可提供240至930MHz的頻率，并且擁有可調(diào)的輸出功率，最大可以達到+20dBm。其主要特性：數(shù)據(jù)傳輸率為128kbit/s；超低能耗待機模式；喚醒無線電功能；自動頻率控制；可配置數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)；前同步信號檢測；64B收發(fā)數(shù)據(jù)寄存器；溫度感應(yīng)和8位A/D轉(zhuǎn)換器；調(diào)制功能可選FSK、OOK兩種模式。物聯(lián)網(wǎng)讀寫器將要發(fā)送的信息經(jīng)過編碼后加載在某一頻率的載波信號上，經(jīng)由天線向外輻射出去，進入物聯(lián)網(wǎng)讀寫器工作區(qū)的電子標簽接收到該脈沖信號，RFM22中的相關(guān)電路對該信號進行調(diào)制、解碼、解密后對請求、密碼及權(quán)限等進行判斷。邏輯控制電路則從存儲器中讀取有關(guān)的信息，經(jīng)加密編碼調(diào)制后通過該模塊再發(fā)送回讀寫器，接收到信號后送至中央信息處理系統(tǒng)進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。3）無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee模塊CC2430采用CC2430及其相應(yīng)的傳感器電路實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的無線通信功能。CC2430包括一個增強型工業(yè)標準的8位C8051微控制器內(nèi)核，運行時鐘為22.1184MHz。其核心模塊式射頻收發(fā)器，通過該模塊實現(xiàn)節(jié)電與物聯(lián)網(wǎng)讀寫器間的數(shù)據(jù)傳送功能。軟件流程如下圖所示。三、實驗結(jié)果分析：勘探、石油及煤炭對我國的國民經(jīng)濟起著重要的支