基于RFID 技术的测井用放射源及源库监控系统的设计

江 月

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163453)

0 引 言

在油田开发的过程中，放射性测井方法一直占据着非常重要的地位。大庆油田放射源主要是测试技术服务分公司和测井公司使用的测井用放射源，分为密闭型及非密封型两类，包括诱发式中子源(241Am -Be)、示踪流量测井用同位素微球(133I、131Ba)、连续示踪相关测井用液体同位素(131Ba)、三相流测井用放射源(109Gd)、水泥环密度测井用放射源(137Cs)以及其他刻度试验用放射源(137Cs 或60Co)等。大庆油田幅员辽阔，放射源使用广泛，随着当前环保、健康、安全等方面的要求不断提高，放射源的管理难度越来越大。因此，亟需针对放射源和放射性源库开展实时监控，防止放射源在保存、运输或使用过程中丢失或遗漏等事故的发生。

本文介绍了一种放射源和放射源库监控系统，可实现放射性剂量监控、放射性监控目标跟踪定位、放射性源库实时监控等功能。

1 跟踪定位技术原理

1.1 RFID 射频技术

RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

射频识别(RFID)系统主要由电子标签(Tag 或Transponder)、RFID 读写器(Reader Interrogator)、天线(Antenna)三部分构成，工作原理如图1 所示。

电子标签一般由芯片以及耦合元器件组成，芯片上有EEP2ROM 用来储存识别码或其他数据，标签内含有内置天线，主要功能是完成与读写器的通信。电子标签采用主动标签，主动发出射频信号方式。标签中芯片的能量由电子标签所附的电池提供，工作频段在微波(2.45 GHz/5.8 GHz)［1］。

RFID 读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。

图1 RFID 射频技术原理

天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。RFID 的通信距离(监控范围)受RFID 芯片频段、天线的收发能力、读写器的性能、磁场和周边环境的干扰等因素的影响，一般来说，无源标签的通信距离在10 m 左右，有源标签的通信距离最大可达100 m。

1.2 GPS/GSM 无线定位通信技术

GPS(Global Positioning System)即全球卫星定位系统，GSM(Global System for Mobile Communication)即全球移动通信系统。利用GSM 短消息进行远程无线通信，具有通信成本低，不受通信线路及地区限制、保密性高、可靠性高、抗干扰能力强等特点，且使用方便、灵活，通讯快捷，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。

2 放射源及源库监控系统设计

2.1 系统硬件设计

本文介绍的放射源及放射性源库监控系统主要是基于RFID 与GPS/GSM 技术来设计的，通过RFID 射频识别技术及GSM 技术实现对放射源目标进行非接触式信息采集处理。当放射源出现未经授权的非法移动，离开RFID 监控系统的监控范围时，监控系统将报警并通过监控中心的信息系统及时通知值班人员和监管部门，附着在放射源上的电子标签自动启动实时监测、跟踪功能，并通过定位系统对放射源进行定位，实现放射源管理目标的自动化监控管理。系统工作模式图如图2 所示。

图2 放射源及放射性源库监控系统工作模式图

系统剂量监控模块采用RSM900C -II/A 辐射剂量监控器，该装置可对X、Gamma 外照射空气吸收剂量率进行测量并在出现异常状况时实时报警，提醒工作人员放射源或射线装置已处于工作或泄漏状态。RSM900C-II/A 辐射剂量监控器采用单片机作为数据处理单元，通过标准串行通讯接口、433 MHz 无线传输方式与计算机连接传输数据。该装置可存储12 个月的历史记录，设有报警功能，报警阈值可任意设置，当剂量率超过设定阈值时监控器将向系统发送报警信息［2］。

系统采用的电子标签是nRF2401 单片射频收发芯片［3］，该芯片工作于2.4 GHz ～2.5 GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该芯片能耗非常低，以-5 dBm 的功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接收时工作电流只有18 mA，具有集成化、多工作模式、节能设计方便等优点。

该系统的RFID 读写器由目前该领域比较成熟的STC89E516 MCU、EM4095 读写芯片(工作频段100 ～150 Hz)及配套电路构成［4］，系统通过标准串行通讯接口与RFID 读写器连接，读取电子标签内部的编码信息，实现对监控对象的实时监控。

在定位及通讯设计过程中，本系统通过接口切入与油田GPS 定位系统进行了对接，在电子标签通过大庆油田GPS 系统实现对监控对象的定位及通信功能。

2.2 RFID 编码规则

RFID 技术在应用时，需要按照既定规则对放射源进行数据编码，国家环境保护总局文件环发［2004］118 号定义了放射源的编码规则［5］，本系统按照该文件的规则进行放射源编码，方法是将RFID 芯片的64 个字节中的每8 个字节设为一个编码单位，不同编码单位代表不同含义。

第1 -2 个编码为放射源来源，国内生产的放射源，来源为两位数字表示的生产单位代码;国外生产的，来源为两位字母表示的生产国家代码。第3 -4 个编码单位为出厂时间，用生产年份的后2 位数字表示。如2013年出厂的放射源，则填写13。第5 -6 个编码单位为放射源的核素代码。第7 -8 个编码单位为放射源序列号。

按照上述编码规则对全部放射源及放射性监控对象进行编码，写入RFID 芯片及系统数据库，系统运行时，即可对放射性监控对象进行定向扫描。

2.3 人机交互界面设计

系统包括源库剂量监控、射频识别、GPS 定位、视频监控等模块，不同权限用户登陆后可以按照用户安全级别进行相关允许操作，包括修改系统设置、监控对象移动授权等。系统允许管理员根据需要进行剂量监控扫描时间、预警剂量上限、射频识别设备启停时间、射频识别扫描时间等系统设置以及监控对象信息录入、数据库导出等操作。

DQJY 放射源及源库监控系统软件工作流程图如图3 所示。射频识别设备启动后，系统开始对数据库中的监控对象发出要求，监控对象附着的电子标签将按照通讯协议将自身唯一的RFID 编码反馈给系统，系统接收数据后对反馈信号进行判断，若比较数据信息一致，如监控对象在合法距离范围内则对电子标签应答;若比较信息不一致，系统判断监控对象出现异常情况，预警模块将启动，相关预警信息将发出，并通过GPS 定位模块对监控对象进行定位。

3 放射源及源库监控系统测试

系统测试过程采用的监控对象为同位素释放器2个，铅制密闭刻度源储存罐2 个，电子标签放置位置分别在同位素释放器表面和铅制放射源储存罐内部。测试结果如表1 所示。

图3 DQJY 放射源及源库监控系统软件工作流程图

测试结果显示，本系统可以准确识别放射性监控对象的非法移动，并在源库放射性剂量出现超出阈值的异常变化(增大或减小)时发出警报提示监控人员。

4 结论

针对油田生产实际需求，基于辐射剂量监控技术、RFID 设计技术和GPS 定位技术开发出了放射源及源库监控系统，该系统允许监控对象有10 m/s 的移动速度，识别距离可达50 m，可同时识别100 个监控对象，数据库的信息存储量为5 000 条，电子标签的电池使用时间为3 年。

表1 放射源及放射性源库监控系统测试结果

系统测试结果显示，当放射源出现非法移动并超出监控范围时，该系统可以定向识别并实时显示放射源所在位置，定位精度小于5 m。

该系统可对放射性监控对象的非法移动进行跟踪定位，辅助放射性源库视频监控系统，能够有效防止放射性监控对象的失窃和遗失等情况的出现。

［1］张丽英，王宪伟，庄乾章，等. 基于RFID、GSM 技术的放射源防盗示踪系统的设计［J］.微计算机信息，2010，26(7 -2)，187 -189.

［2］北京万维盈创科技发展公司.RSM900C-II/A 辐射剂量监控器产品手册［Z］.2011(资料)

［3］刘 涛，张丽英，张斌达.基于GPS/GSM 的放射源跟踪定位系统设计［J］. 机电产品开发与创新，2009，22(6):166-168.

［4］EM Micro-Electronic-Marin SA. EM4095/EM4100 datasheet.2002 (资料)

［5］ 颜拥军，周剑良.基于RFID 的放射源跟踪管理系统设计［J］.核电子学与探测技术，2008，28(4):687 -690.