CN105974864A - 基于射频识别技术的油井无线智能控制系统及其唤醒方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，包括射频标签、射频识别控制系统、井下测量控制系统、无源唤醒标签、休眠唤醒控制系统和电源管理系统，所述射频标签和射频识别控制系统之间可进行双向的无线通信，电源管理系统为射频识别控制系统和井下测量控制系统供电；所述无源唤醒标签与射频识别控制系统信号线连接，休眠唤醒控制系统为阅读器且可与无源唤醒标签进行无线通讯。本发明通过将射频识别技术应用于石油钻井过程中的智能控制中，实现了地面与井底之间的无线数据传输，具有传输速度快、距离远、稳定性好的优点，解决了有线数据传输的局限性及现有油井用无线数据传输方式的缺陷。

Description

基于射频识别技术的油井无线智能控制系统及其唤醒方法

技术领域

本发明属于石油、天然气钻井信息通信技术领域，尤其是涉及一种基于射频识别技术的油井无线智能控制系统。

背景技术

石油钻井过程中，地面与井下进行数据通信的方式包括有线数据通信方式和无线数据通信方式，有线数据通信方式如光纤具有传输速度快、传输距离远、安全性好等优点，但成本较高，不适宜数据的实时传输，无线数据通信方式包括泥浆脉冲、电磁波和声波等，其中，泥浆脉冲数据通信方式传输稳定，但传输速度慢，电磁波和声波数据通信方式尽管传输速度快，但受地层、钻柱等因素的影响，可靠性差，不适合长距离数据通信。

射频识别技术通过电磁感应或电磁传播进行数据通信，当射频标签进入读写器天线识别区域后，读写器解码标签信息并执行相应的操作，具有读写速度快、准确率高、体积小等优点。因此，需要设计一种传输速度快、可靠性高、传输距离远的用于井下的基于射频技术的井下智能控制系统。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，以实现油井的无线智能控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于射频识别技术的油井无线智能控制系统的唤醒方法，包含如下步骤：

其中所述油井无线智能控制系统包括射频识别控制系统、无源唤醒标签、休眠唤醒控制系统和射频标签，所述休眠唤醒控制系统和射频识别控制系统均为阅读器；

1)将线连接在一起的射频识别控制系统和无源唤醒标签随工具下入井下指定位置；

2)将封装成球状的休眠唤醒控制系统从井口投入，唤醒无源唤醒标签；

3)无源唤醒标签被唤醒后，发送信号给射频识别控制系统使其进入工作状态；

4)从井口投入携带控制指令的射频标签，与井下的射频识别控制系统进行通信，射频识别控制系统执行命令；

5)命令完成后，从井口投入携带休眠命令的射频标签100，使射频识别控制系统200进入休眠状态。

进一步的，在步骤3)中，还包括无源唤醒标签被唤醒后，对休眠唤醒控制系统传输的控制信号进行解码，若解码信息为对此射频识别控制系统的唤醒命令，则向与之连接的射频识别控制系统中的微处理器发送脉冲信号，微处理器检测上升沿信号，从休眠状态转为工作状态。

本发明创造的另一目的在于提出一种基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，技术方案如下：

基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，包括射频标签、射频识别控制系统、井下测量控制系统、无源唤醒标签、休眠唤醒控制系统和电源管理系统，

所述射频标签和射频识别控制系统之间可进行双向的无线通信，电源管理系统为射频识别控制系统和井下测量控制系统供电；所述无源唤醒标签与射频识别控制系统信号线连接，休眠唤醒控制系统为阅读器且可与无源唤醒标签进行无线通讯。

进一步的，所述射频识别控制系统包括微处理器、天线频率驱动电路、LC耦合天线、包络检波电路、信号分离电路、保护电路和滤波放大电路，所述微处理器、天线频率驱动电路和LC耦合天线依次连接实现信号发射处理，所述LC耦合天线、包络检波电路、信号分离电路、保护电路、滤波放大电路和微处理器依次连接实现信号接收处理，所述微处理器上还连接有存储电路，所述微处理器连接井下测量控制系统和无源唤醒标签。

进一步的，所述天线频率驱动电路采用准互补输出级频率驱动电路。

进一步的，所述LC耦合天线包括由第一天线线圈ANT1和第一电容C1构成串联谐振电路，第一天线线圈ANT1的输入端连接天线频率驱动电路的输出端。

进一步的，所述包络检波电路包括第六电阻R6、第一二极管D1、第七电阻R7、第二电容C2，所述第六电阻R6的第一端连接LC耦合天线的一端，第六电阻R6的第二端连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端接地，第二电容C2的第一端连接第七电阻R7的第一端，第二电容C2的第二端连接第七电阻R7的第二端。。

进一步的，所述信号分离电路包括第三电容C3、第四电容C4、第八电阻R8，第三电容C3的第一端连接包络检波电路的输出端，第三电容C3的第二端连接第八电阻R8的第一端，第八电阻R8的第二端接地，第四电容C4的第一端连接第三电容C3的第二端，第四电容C4的第二端接地；若射频标签发射的调制信号的频率为w，则信号分离电路的第三电容C3和第八电阻R8之间满足如下公式：

1/(w×C3)<<R8(1)。

进一步的，所述保护电路包括反向并联在一起的第二二极管D2、第三二极管D3。

进一步的，所述滤波放大电路包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1为双通道低功耗运算放大器，其第一通道设计为电压跟随器结构，其第二通道设计为差分运算放大器结构，用于对第一通道输出的信号进行放大。

相对于现有技术，本发明方法和系统具有以下优势：

(1)通过将射频识别技术应用于石油钻井过程中的智能控制中，实现了地面与井底之间的无线数据传输，具有传输速度快、距离远、稳定性好的优点，解决了有线数据传输的局限性及现有油井用无线数据传输方式的缺陷。

(2)本发明利用休眠唤醒控制系统400实现射频识别控制系统200的休眠/唤醒功能，两系统具有相同的电路结构，无需额外设计休眠唤醒电路，且在休眠唤醒的同时还可以进行控制指令的传输，可实现多个井下射频识别控制系统200的休眠唤醒操作。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述基于射频识别技术的油井无线智能控制系统的原理框图；

图2为本发明实施例所述射频识别控制系统的电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，包括射频标签100、射频识别控制系统200、井下测量控制系统500、无源唤醒标签300、休眠唤醒控制系统400和电源管理系统600，所述射频标签100和射频识别控制系统200之间进行双向的无线通信，射频识别控制系统200发送指令给井下测量控制系统500对被控对象进行控制操作，电源管理系统600为射频识别控制系统和井下测量控制系统供电；所述无源唤醒标签300与射频识别控制系统200信号线连接，休眠唤醒控制系统400为阅读器且可与无源唤醒标签300进行无线通讯。

所述射频标签100选用无源标签，包括无源标签电路1001和标签天线1002，射频标签100携带编码信息，用于与射频识别控制系统200进行数据通信；

所述射频识别控制系统200包括微处理器2001、天线频率驱动电路2002、LC耦合天线2003、包络检波电路2004、信号分离电路2005、保护电路2006、滤波放大电路2007和存储电路2008，

微处理器2001用于产生调制信号，输出连接天线频率驱动电路2002，天线频率驱动电路2002用于对调制信号进行功率放大，输出连接LC耦合天线2003，LC耦合天线2003将放大后的信号进行发射，同时监听LC耦合天线2003识别区域内的射频标签100的信息，输出连接包络检波电路2004，包络检波电路2004对LC耦合天线2003接收到的射频标签100信息进行包络检波，输出连接信号分离电路2005，信号分离电路2005用于将射频标签100的信息从载波中分离出来，输出连接保护电路2006，保护电路2006用于对信号限幅，输出连接滤波放大电路2007，滤波放大电路2007将整形后的信号输出至微处理器2001中，微处理器2001对信号进行解码操作，并将解码后的信息送入存储电路2008中进行存储。

所述无源唤醒标签300包括无源唤醒标签电路3001和无源唤醒标签天线3002，无源唤醒标签电路3001通过无源唤醒标签天线3002接收休眠唤醒控制系统400提供的能量和输出的信号，无源唤醒标签电路3001的输出与射频识别控制系统200中的微处理器2001连接。本发明实施例的无源唤醒标签300的内部结构与射频标签100相同。

所述休眠唤醒控制系统400与射频识别控制系统200电路结构相同，封装成球状结构。

所述井下测量控制系统500用于实现工具状态、井下环境、地层参数等信息的测量及工具状态控制，与所述的射频识别控制电路200中的微处理器2001连接；

所述电源管理系统600用于为射频识别控制系统200和井下测量控制系统500提供所需的稳定直流电能。

本实施例的微处理器2001选用STM32系列单片机芯片。

所述天线频率驱动电路2002设计为准互补输出型频率驱动电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一功率器件T1、第二功率器件T2、第三功率器件T3，其中所述第一功率器件T1为NPN-NPN同极型达林顿三极管，所述第二功率器件T2为PNP-NPN异极型达林顿三极管；

所述第一电阻R1的第一端连接所述微处理器2001的调制信号输出端，第一电阻R1的第二端连接第二电阻R2的第一端、第四电阻R4的第一端、第三功率器件T3的基极；所述第二电阻R2的第二端连接第三电阻R3的第一端、第一功率器件T1的基极、第三功率器件T3的集电极，第三电阻R3的第二端连接所述的电源管理系统600输出的3.3V正输出端；第四电阻R4的第二端连接第五电阻R5的第一端、第二功率器件T2的基极、第三功率器件T3的发射极，第五电阻R5的第二端连接接地端；所述第一功率器件T1的发射极连接第二功率器件T2的集电极，第一功率器件T1集电极连接电源管理系统600的3.3V正输出端，第二功率器件T2的发射极接地。

所述LC耦合天线2003，包括第一天线线圈ANT1和第一电容C1，第一天线线圈ANT1的第一端连接第一功率器件T1的发射极，第一天线线圈ANT1的第二端通过第一电容C1接地。第一天线线圈ANT1与第一电容C1构成串联谐振电路，谐振频率为125kHz，谐振电路使天线上获得最大的电流，从而产生最大的磁通量，获得更大的读卡距离。

所述包络检波电路2004，包括第六电阻R6、第一二极管D1、第七电阻R7、第二电容C2，第六电阻R6的第一端连接第一电容C1的第一端，第六电阻R6的第二端连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端连接接地端，第二电容C2的第一端连接第七电阻R7的第一端，第二电容C2的第二端连接第七电阻R7的第二端。

所述信号分离电路2005，包括第三电容C3、第四电容C4、第八电阻R8，第三电容C3的第一端连接第二电容C2的第一端，第三电容C3的第二端连接第八电阻R8的第一端，第八电阻R8的第二端连接接地端，第四电容C4的第一端连接第三电容C3的第二端，第四电容C4的第二端连接接地端。其中若射频标签100发射的调制信号的频率为w，则信号分离电路2005要求第三电容C3和第八电阻R8之间满足：

1/(w×C3)<<R8(1)。

所述保护电路2006，包括第二二极管D2、第三二极管D3，第二二极管D2的第一端连接第四电容C4的第一端，第二二极管D2的第二端连接接地端，第三二极管D3的第一端连接接地端，第三二极管D3的第二端连接第二二极管D2的第一端。第二二极管D1的第一端为正极端，第二端为负极端，第三二极管D1的第一端为正极端，第二端为负极端。保护电路2006用于对信号分离电路2005输出的信号进行限幅，将信号幅度控制在[-VD3，+VD2]之间，VD2和VD3分别为第二二极管D2和第三二极管D3的导通电压。

所述滤波放大电路2007，包括第一运算放大器U1、第五电容C5、第就电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11，第五电容C5的第一端连接第一运算放大器U1的第一引脚，第五电容C5的第二端连接第一运算放大器U1的第六引脚，第九电阻R9的第一端连接第一运算放大器U1的第六引脚，第九电阻R9的第二端连接第十电阻R10的第二端，第十电阻R10的第一端连接第一运算放大器U1的第五引脚，第十电阻R10的第二端连接第十一电阻的第二端，第十一电阻R11的第一端连接第一运算放大器U1的第七引脚，第十一电阻R11的第二端连接所述的电源管理系统3.3V正输出端，第一运算放大器U1的第三引脚为输入端，连接所述的保护电路中第二二极管D2的第一端，第一运算放大器U1的第四引脚连接接地端，第一运算放大器U1的第八引脚连接所述的电源管理系统600 3.3V正输出端。

第一运算放大器U1选用LM358双通道低功耗运算放大器，其第一引脚1OUT为第一通道输出引脚，第二引脚1IN-为第一通道负输入引脚，第三引脚1IN+为第一通道正输入引脚，第四引脚GND为接地引脚，第五引脚2IN+为第二通道正输入引脚，第六引脚2IN-为第二通道负输入引脚，第七引脚2OUT为第二通道输出引脚，为第一运算放大器U1的输出端，与所述的微处理器2001连接，第八引脚VCC为电源引脚，3.3V电压供电。

第一运算放大器U1的第一通道设计为电压跟随器结构，起隔离和滤波作用，第一运算放大器U1的第二通道设计为差分运算放大器结构，用于对第一通道输出的信号进行放大。

本系统的唤醒方法包含如下步骤：

1.射频识别控制系统200和无源唤醒标签300随工具下入井下指定位置，射频识别控制系统200处于低功耗休眠状态；

2.需要射频识别控制系统200工作时，将封装成球状的休眠唤醒控制系统400从井口投入，当无源唤醒标签300处于休眠唤醒控制系统400的可识别范围时，休眠唤醒控制系统400向无源唤醒标签300提供能量并传输控制信号，无源唤醒标签300被唤醒；

3.无源唤醒标签300被唤醒后，对休眠唤醒控制系统400传输的控制信号进行解码，若解码信息为对此射频识别控制系统200的唤醒命令，则向与之连接的射频识别控制系统200中的微处理器2001发送脉冲信号，微处理器2001检测上升沿信号，从休眠状态转为工作状态；其中这里的控制信号主要是考虑到井下有多个射频识别控制系统时，可事先对无源唤醒标签300进行编号，当解码的唤醒命令与该标签编号匹配时，则唤醒与该标签连接的射频识别系统；

4.从井口投入携带控制指令的射频标签100，与井下的射频识别控制系统200进行通信，射频识别控制系统200根据射频标签100传递的信息，控制井下测量控制系统500完成指定的操作；

5.命令完成后，从井口投入携带休眠命令的射频标签100，射频识别控制系统200检测到该射频标签100后，进入休眠状态。

所述射频识别控制系统200中的微处理器2001实时输出编码信号，经天线频率驱动电路2002进行功率放大后，由LC耦合天线发射到井下介质中，当地面操作人员对井下测量控制单元300有动作要求时，从井口投入携带编码信息的射频标签100，当射频标签100经过射频识别控制系统200中的LC耦合天线2003的识别区域时，由射频识别控制系统200捕获射频标签100中的信息，经包络检波电路2004进行包络检波、信号分离电路2005进行射频标签100携带信息与载波分离、保护电路2006的限幅保护及滤波放大电路2007的信号调理后，送入微处理器2001中进行解码，并将解码信息传递给井下测量控制单元300完成相应的动作；同时，井下测量控制单元300上传的数据、状态信息也通过射频识别控制系统200中的微处理器2001编码后传递给射频标签100，当射频标签100随钻井液返排至地面后，由地面设备进行数据解码，获取井下工具的工作状况，具有传输速度快、可靠性高、传输距离远的优点。

本发明工具下入的时候，无源唤醒标签300是不带电的，也不消耗电能，仅射频识别控制系统200在低功耗休眠状态，当需要唤醒时，无源唤醒标签从投入的休眠唤醒控制系统400中获取所需的电能，也不会消耗井下电源管理系统600的能量。当射频识别控制系统200被唤醒后，从井口投入射频标签100时，射频标签100和无源唤醒标签300都是无源的，相当于无源唤醒标签300在此种状态下是不进行任何工作的，两者之间不会发生冲突，通信仅在射频标签100和射频识别控制系统200之间进行。

本发明是利用休眠唤醒控制系统400实现射频识别控制系统200的休眠/唤醒功能，两系统具有相同的电路结构，无需额外设计休眠唤醒电路，且在休眠唤醒的同时还可以进行控制指令的传输，可实现多个井下射频控制系统200的休眠唤醒操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于射频识别技术的油井无线智能控制系统的唤醒方法，其特征在于包含如下步骤：

其中所述油井无线智能控制系统包括射频识别控制系统、无源唤醒标签、休眠唤醒控制系统和射频标签，所述休眠唤醒控制系统和射频识别控制系统均为阅读器；

1)将线连接在一起的射频识别控制系统和无源唤醒标签随工具下入井下指定位置；

2)将封装成球状的休眠唤醒控制系统从井口投入，唤醒无源唤醒标签；

3)无源唤醒标签被唤醒后，发送信号给射频识别控制系统使其进入工作状态；

4)从井口投入携带控制指令的射频标签，与井下的射频识别控制系统进行通信，射频识别控制系统执行命令；

5)命令完成后，从井口投入携带休眠命令的射频标签100，使射频识别控制系统200进入休眠状态。

2.根据权利要求1所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统的唤醒方法，其特征在于：在步骤3)中，还包括无源唤醒标签被唤醒后，对休眠唤醒控制系统传输的控制信号进行解码，若解码信息为对此射频识别控制系统的唤醒命令，则向与之连接的射频识别控制系统中的微处理器发送脉冲信号，微处理器检测上升沿信号，从休眠状态转为工作状态。

3.基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：包括射频标签、射频识别控制系统、井下测量控制系统、无源唤醒标签、休眠唤醒控制系统和电源管理系统，

所述射频标签和射频识别控制系统之间可进行双向的无线通信，电源管理系统为射频识别控制系统和井下测量控制系统供电；所述无源唤醒标签与射频识别控制系统信号线连接，休眠唤醒控制系统为阅读器且可与无源唤醒标签进行无线通讯。

4.根据权利要求3所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：所述射频识别控制系统包括微处理器、天线频率驱动电路、LC耦合天线、包络检波电路、信号分离电路、保护电路和滤波放大电路，

所述微处理器、天线频率驱动电路和LC耦合天线依次连接实现信号发射处理，所述LC耦合天线、包络检波电路、信号分离电路、保护电路、滤波放大电路和微处理器依次连接实现信号接收处理，所述微处理器上还连接有存储电路，所述微处理器连接井下测量控制系统和无源唤醒标签。

5.根据权利要求4所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：所述天线频率驱动电路采用准互补输出级频率驱动电路。

6.根据权利要求4所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：所述LC耦合天线包括由第一天线线圈ANT1和第一电容C1构成串联谐振电路，第一天线线圈ANT1的输入端连接天线频率驱动电路的输出端。

7.根据权利要求4所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：所述包络检波电路包括第六电阻R6、第一二极管D1、第七电阻R7、第二电容C2，所述第六电阻R6的第一端连接LC耦合天线的一端，第六电阻R6的第二端连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端接地，第二电容C2的第一端连接第七电阻R7的第一端，第二电容C2的第二端连接第七电阻R7的第二端。

8.根据权利要求4所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：所述信号分离电路包括第三电容C3、第四电容C4、第八电阻R8，第三电容C3的第一端连接包络检波电路的输出端，第三电容C3的第二端连接第八电阻R8的第一端，第八电阻R8的第二端接地，第四电容C4的第一端连接第三电容C3的第二端，第四电容C4的第二端接地；若射频标签发射的调制信号的频率为w，则信号分离电路的第三电容C3和第八电阻R8之间满足如下公式：1/(w×C3)<<R8。

9.根据权利要求4所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：所述保护电路包括反向并联在一起的第二二极管D2、第三二极管D3。

10.根据权利要求4所述的基于射频识别技术的油井无线智能控制系统，其特征在于：所述滤波放大电路包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1为双通道低功耗运算放大器，其第一通道设计为电压跟随器结构，其第二通道设计为差分运算放大器结构，第二通道的输入端连接第一通道的输出端。