CN105023032A - 用于智能井的无线数据传输系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于智能井的无线数据传输系统及传输方法，所述系统包括阅读器、阅读器天线和射频标签，阅读器天线与射频标签无线连接，进行数据传输；所述的阅读器包括控制模块和与控制模块的主控芯片电连接的射频模块，所述射频模块与阅读器天线电连接，进行数据传输。本发明设计的无线数据传输系统结构简单，操作方便，具有良好的穿透能力，在其工作范围内，能穿透绝大部分非导体材料而不影响其数据读取，适用于井下复杂的工作环境。在进行无线传输时，将阅读器和阅读器天线布置在井筒中，实现地面装置与井下设备间的数据传输与井下控制，应用于智能井中，实现对井下设备的控制，解决了传统井下控制方式遇到的卡死、不能作业等难题。

Description

用于智能井的无线数据传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及智能井技术领域，具体地说，涉及一种基于RFID的用于智能井的无线数据传输系统及传输方法。

背景技术

随着国内油田开发技术的不断发展，如何在降低人工成本的前提下提高油田采收率成为石油行业共同关注的问题。在石油开采过程中，经常需要对井下设备如压裂滑套、循环短节、注水滑套等设备进行控制。

传统的井下控制方式有机械式和液压式两种控制方式。以滑套为例，机械式井下控制方式是在滑套上端和下端设计有弹簧爪之类的开关装置，利用钢丝绳或电缆下入到滑套开关控制器进行井下控制，但该方法需要配套较大的地面操作设备，并且不能用于水平井作业；液压式控制方式利用滑套或开关阀上的液控管线、液压缸、活塞杆、弹簧、密封圈等装置进行控制，该方法所需井下结构相对复杂，需要在井口内布置液控管线，同时井液含蜡质、泥沙过多时容易造成弹簧卡死。

发明内容

本发明的目的在于针对现有石油开采过程中对井下设备如压力滑套、循环短节、注水滑套等进行控制时存在的上述问题，提供了一种用于智能井的无线数据传输系统及传输方法，通过设计的无线传输系统实现地面装置与井下设备间的数据传输与井下控制，适于井下复杂的工作环境。

本发明的技术方案为：一种用于智能井的无线数据传输系统，该系统包括阅读器、阅读器天线和射频标签，阅读器天线与射频标签无线连接，进行数据传输；所述的阅读器包括控制模块和与控制模块的主控芯片电连接的射频模块，所述射频模块与阅读器天线电连接，进行数据传输。

进一步的，所述射频模块包括载波电路、包络检波电路和滤波放大电路，其中，载波电路的输入端与控制模块的主控芯片电连接，载波电路的输出端与阅读器天线电连接，包络检波电路的输入端与阅读器天线电连接，包络检波电路的输出端分别连接滤波放大电路的输入端和控制模块的主控芯片，滤波放大电路的输出端与控制模块的主控芯片电连接。

进一步的，所述射频标签包括壳体，壳体内设有标签天线、模拟电路和RFID芯片，其中，标签天线从阅读器天线辐射的电磁场中获取能量，并将RFID芯片中存储的数据发送出去，模拟电路为标签天线的匹配电路，连接标签天线和RFID芯片，为RFID芯片供电。

进一步的，所述RFID芯片包括数字电路和与数字电路电连接的存储器，所述的数字电路包括全波整流变换器、储能缓冲电容和调制驱动器，将标签天线接收到的能量转化为供RFID芯片工作所需的直流电源，所述存储器用于存储被识别对象的信息。

作为优选，所述射频标签为形状呈玻璃管式的标签，所述标签天线采用铜线绕制方式，为将线圈缠绕在高磁导率的铁氧体磁芯上制作而成。

作为优选，所述阅读器天线为由线圈绕制而成的环形结构，其外径小于油管的内径。

作为优选，所述阅读器天线为由线径0.25毫米的环氧漆包线绕制25圈制成，天线电感值为L＝503μH。

本发明还提供了一种用于智能井的无线数据传输方法，采用上述用于智能井的无线数据传输系统，其具体方法步骤为：(1)将阅读器和阅读器天线布置在井下，其中，阅读器天线套装于油管内，阅读器天线与阅读器相连进行数据传送；(2)将射频标签中存储对井下设备的控制信息，当需要对井下某一设备进行控制时，将存储着控制该设备控制信息的射频标签投入到井下；(3)当射频标签穿过布置在井下的阅读器天线时，阅读器天线将射频标签中的电磁信号转变为电压信号传送至主控芯片；(4)主控芯片对电压信号解码后读取出具体的控制信息，并将控制信息发出控制井下设备。

进一步的，步骤(3)中，主控芯片控制射频模块产生载波信号，并将载波信号加载到阅读器天线的两端向外发送，当射频标签穿过布置在井下的阅读器天线时，射频标签从阅读器天线中获得能量，读取控制信息加载到阅读器天线。

进一步的，步骤(3)中，电压信号经射频模块处理后传送至主控芯片。

本发明的有益效果为：本发明设计的无线数据传输系统结构简单，操作方便，具有良好的穿透能力，在其工作范围内，能穿透绝大部分非导体材料而不影响其数据读取，适用于井下复杂的工作环境。在进行无线传输时，将阅读器和阅读器天线布置在井筒中，实现地面装置与井下设备间的数据传输与井下控制，本发明数据传输方法简单，应用于智能井中，实现对井下设备如压力滑套、循环短节、注水滑套等设备的控制，解决了传统井下控制方式遇到的卡死、不能作业等难题。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中无线传输系统的结构框图。

图2为本发明具体实施方式中阅读器控制模块的主控电路图。

图3为本发明具体实施方式中载波电路的电路图。

图4为本发明具体实施方式中包络检波电路的电路图。

图5为本发明具体实施方式中滤波放大电路的电路图。

图6为本发明具体实施方式射频标签的结构简图。

具体实施方式

下面通过本发明的一个实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于智能井的无线数据传输系统，该系统包括阅读器、阅读器天线和射频标签，阅读器天线与射频标签无线连接，进行数据传输；所述的阅读器包括控制模块和与控制模块的主控芯片电连接的射频模块，所述射频模块与阅读器天线电连接，进行数据传输。

控制模块的核心部分是主控芯片，本实施例中，主控芯片选用Microchip公司PIC16C56A微控制器，PIC16C56A微控制器具有8位数据总线和32字节内部RAM，单个指令最快执行速度为200ns，工作频率为0-20MHz，工作电压为2.5-5.5V。其主控电路如图2所示。

射频模块是上述无线数据传输系统实现射频标签同阅读器进行通信的核心部分，包括载波电路、包络检波电路和滤波放大电路，其中，载波电路的输入端与控制模块的主控芯片电连接，载波电路的输出端与阅读器天线电连接，包络检波电路的输入端与阅读器天线电连接，包络检波电路的输出端分别连接滤波放大电路的输入端和控制模块的主控芯片，滤波放大电路的输出端与控制模块的主控芯片电连接。

上述提到的载波电路主要功能是产生125KHz的载波信号并进行放大，为实现数据在井下从射频标签传输给阅读器提供载体。如图3所示，本实施例中，载波电路采用芯片74HC4060芯片来实现其载体的功能。载波电路的具体工作原理为：外部时钟输入选择8M晶振，根据74HC4060分频原理，每一个触发器输出信号为前一级一半，8MHz信号经过6次分频可得125KHz信号，故输出为125KHz频率信号，经两个三极管放大，输出稳定的125KHz载波信号，加载于天线ANT₁端。74HC4060芯片的RST端连接到主控芯片RB₄输入输出端口，由主控芯片控制74HC4060芯片的复位。

上述提到的包络检波电路的功能是从调幅波中提取出经调制后加于载波上的信息，具体工作是一个通过频率变换解调的过程。为了避免信号产生失真，本实施例中，检波电路中采用的RC值分别为470KΩ和5nF，常用电容耐压值约25V。由于阅读器天线产生谐振电压在30V左右，如图4所示，可以采用两个10nF电容串联，其优点在于可以增大一倍的耐压值。

由于从调制波中提取到的解调信号比较微弱且并不稳定，需要进一步滤波放大。上述提到的滤波放大电路的作用就是对从调制波中提取到的解调信号进行滤波放大。本实施例中，采用LM358芯片设计滤波放大电路，具体的滤波放大电路中，LM358芯片工作于单电压供电模式，供电电压5V，输出电压范围为0-3.5V。如图5所示，由包络检波电路处理过的调制波信号，首先经过耦合电容，隔离直流分量，然后经过两个LM358运放电路进行整形放大，最后得到很好的方波信号。

阅读器的具体工作过程为：主控芯片控制载波电路产生125KHz的载波信号，通过载波电路中的功率放大电路加载到阅读器天线两端向外发送，当阅读器工作区域内有射频标签通过时，射频标签从阅读器天线中获得能量，控制逻辑电路从存储器中读取信息，并将其进行编码、调制后加载到阅读器天线上，改变阅读器天线两端电压信号的振幅、相位、频率参数；包络检波电路和滤波放大电路将阅读器两端的电压信号进行解调，送入主控芯片进行进一步解码，读取处射频标签存储的数据。

射频标签是上述无线数据传输系统中用于存储数据的设备，存储有对井下设备如压裂滑套、循环短节、注水滑套等设备的控制信息，利用射频信号空间耦合和传输的特点，实现由阅读器对射频标签内存储信息的非接触式读取，实现控制信号的无线传输。如图6所示，射频标签包括壳体，壳体内设有标签天线、模拟电路和RFID芯片，其中，标签天线从阅读器天线辐射的电磁场中获取能量，并将RFID芯片中存储的数据发送出去，模拟电路为标签天线的匹配电路，连接标签天线和RFID芯片，确保标签天线与阅读器天线匹配良好，能够从阅读器天线中获得足够的能量，为RFID芯片供电。

上述提到的RFID芯片包括数字电路和与数字电路电连接的存储器，存储器用于存储被识别对象的信息。所述的数字电路包括全波整流变换器、储能缓冲电容和调制驱动器，通过数字电路将标签天线接收到的能量转化为供RFID芯片工作所需的直流电源，并将存储器内部存储的数据调制后加载于标签天线两端。

射频标签具有良好的穿透性能，且对周围介质不敏感，同时射频标签内部存储了井下精细流量控制阀的开度信息等。本实施例中，射频标签选择μEM公司工作频率125KHz的EM4100芯片作为RFID芯片，该芯片是当前125KHz标签中应用最为广泛的一款只读型CMOS集成电路芯片，其依靠外部标签天线获得的工作所需的能量，并且通过标签天线的coil1端获得载波信号的时钟频率，标签天线的coil2端受芯片内部信号调制器影响，转变为电流型开关调制，将射频标签中存储的数据传输给阅读器。EM4100芯片采用曼彻斯特编码方式，其主要特征有：芯片内部64Bits存储空间，内部集成谐振电容，内部集成储能缓冲电容，内部集成全波整流变换器，内部集成限压、限流器，芯片功耗极低。

由于射频标签需要投入到油管中工作，因此，射频标签需要设计的很小。本实施例中，射频标签设为形状呈玻璃管式的标签，所述标签天线采用铜线绕制方式。由于截面较小的标签天线从磁场中获得的能量较小会降低射频标签读取的成功率。因此，本实施例中，标签天线为将线圈缠绕在高磁导率的铁氧体磁芯上制作而成，提高线圈从磁场中获取能量的能力，补偿了线圈截面积小的不足，提高了射频标签读取的成功率。此外，井下工作环境恶劣，油管中流动的是油、水、泥沙的混合物，因而，本实施例中，上述射频标签的壳体由聚氯乙烯制成，可以有效的保护壳体内部的标签天线、模拟电路和RFID芯片。

阅读器天线的作用是将电磁波信号转为电流信号，是本发明无线数据传输系统必不可少的部件。在系统中主要由两大作用，一方面，阅读器天线产生的电磁场为无源的射频标签提供正常工作所需的能量，另一方面，阅读器天线产生的电磁场为射频标签和阅读器提供了数据传输的通道。本实施例中，阅读器天线为由线圈绕制而成的环形结构，由于本实施例中的系统工作频率为125KHz，考虑到油管的基准为3-1/2″英寸油管，阅读器天线线圈的最大外径不超过油管内径76mm，因此，本实施例中，阅读器天线外径为D＝70mm。根据本实施例中无线数据传输系统的工作频率并结合井下工作时油管尺寸等参数，本实施例中的阅读器天线为由线径0.25毫米的环氧漆包线绕制25圈制成，天线电感值为L＝503μH，经过实际测试，该天线的性能满足工作要求。

采用上述用于智能井的无线数据传输系统进行智能井的无线数据传输，其具体方法步骤如下：

(1)将阅读器和阅读器天线布置在井下，其中，阅读器天线套装于油管内，阅读器天线与阅读器相连进行数据传送。

(2)将射频标签中存储对井下设备的控制信息，当需要对井下某一设备进行控制时，将存储着控制该设备控制信息的射频标签投入到井下。

(3)主控芯片控制载波电路产生载波信号，并将载波信号加载到阅读器天线的两端向外发送，当射频标签穿过布置在井下的阅读器天线时，射频标签通过标签天线从阅读器天线中获得能量，控制其逻辑电路从存储器中读取控制信息，并将其进行编码、调整后加载到阅读器天线，阅读器天线将射频标签中的电磁信号转变为电压信号，改变阅读器天线两端电压信号的振幅、相位、频率参数，该电压信号再经过阅读器中的包络检波电路、滤波放大电路的处理传送至主控芯片。

(4)主控芯片对经包络检波电路、滤波放大电路处理后的电压信号解码后读取出具体的控制信息，并将控制信息发出控制井下设备。

作为本实施例的延伸，由于不同油管具有不同的尺寸，阅读器天线的最大外径不超过油管内径即可，不限于本实施例中限定的阅读器天线外径D＝70mm。本发明上述实施例中涉及的芯片可以根据要求选择具有相应功能的芯片来代替，不限于本发明上述实施例中提供的芯片类型。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：该系统包括阅读器、阅读器天线和射频标签，阅读器天线与射频标签无线连接，进行数据传输；所述的阅读器包括控制模块和与控制模块的主控芯片电连接的射频模块，所述射频模块与阅读器天线电连接，进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：所述射频模块包括载波电路、包络检波电路和滤波放大电路，其中，载波电路的输入端与控制模块的主控芯片电连接，载波电路的输出端与阅读器天线电连接，包络检波电路的输入端与阅读器天线电连接，包络检波电路的输出端分别连接滤波放大电路的输入端和控制模块的主控芯片，滤波放大电路的输出端与控制模块的主控芯片电连接。

3.根据权利要求1所述的用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：所述射频标签包括壳体，壳体内设有标签天线、模拟电路和RFID芯片，其中，标签天线从阅读器天线辐射的电磁场中获取能量，并将RFID芯片中存储的数据发送出去，模拟电路为标签天线的匹配电路，连接标签天线和RFID芯片，为RFID芯片供电。

4.根据权利要求3所述的用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：所述RFID芯片包括数字电路和与数字电路电连接的存储器，所述的数字电路包括全波整流变换器、储能缓冲电容和调制驱动器，将标签天线接收到的能量转化为供RFID芯片工作所需的直流电源，所述存储器用于存储被识别对象的信息。

5.根据权利要求3所述的用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：所述射频标签为形状呈玻璃管式的标签，所述标签天线采用铜线绕制方式，为将线圈缠绕在高磁导率的铁氧体磁芯上制作而成。

6.根据权利要求1所述的用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：所述阅读器天线为由线圈绕制而成的环形结构，其外径小于油管的内径。

7.根据权利要求6所述的用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：所述阅读器天线为由线径0.25毫米的环氧漆包线绕制25圈制成，天线电感值为L＝503μH。

8.一种用于智能井的无线数据传输方法，采用如权利要求1所述的用于智能井的无线数据传输系统，其特征在于：其具体方法步骤为：(1)将阅读器和阅读器天线布置在井下，其中，阅读器天线套装于油管内，阅读器天线与阅读器相连进行数据传送；(2)将射频标签中存储对井下设备的控制信息，当需要对井下某一设备进行控制时，将存储着控制该设备控制信息的射频标签投入到井下；(3)当射频标签穿过布置在井下的阅读器天线时，阅读器天线将射频标签中的电磁信号转变为电压信号传送至主控芯片；(4)主控芯片对电压信号解码后读取出具体的控制信息，并将控制信息发出控制井下设备。

9.根据权利要求8所述的用于智能井的无线数据传输方法，其特征在于：步骤(3)中，主控芯片控制射频模块产生载波信号，并将载波信号加载到阅读器天线的两端向外发送，当射频标签穿过布置在井下的阅读器天线时，射频标签从阅读器天线中获得能量，读取控制信息加载到阅读器天线。

10.根据权利要求8所述的用于智能井的无线数据传输方法，其特征在于：步骤(3)中，电压信号经射频模块处理后传送至主控芯片。