基于RFID和Wi—Fi標簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法

褚磊+劉超

摘 要

本文設計了一種電纜溝道安全巡視及故障定位算法，該算法將無源UHF超高頻RFID電子標簽定位算法和有源Wi-Fi標簽定位算法相結合，實現了“巡檢人員工作安全監控管理”和“線路故障問題自動定位上報管理”，并針對無源UHF超高頻RFID電子標簽和有源Wi-Fi電子標簽的讀寫沖突干擾問題，在原有的算法中引入了讀寫抗干擾策略，并對算法進行了仿真分析，證明了本文算法比較于原有的算法能更好解決電子標簽在實際應用環境中，因受到各種干擾而使得誤碼率增大、識別速度變慢、識別距離減小的問題，保證了電纜溝道安全管理工作的高效運作，具有行業推廣和示范效益。

【關鍵詞】電纜溝道 Wi-Fi標簽 FRID電子標簽

1 引言

電纜溝是發電廠、變電站中必不可少的基礎設施，主要用來放置電纜。目前電纜溝巡檢存在諸多問題：巡檢方式建立于GPS及GPS平臺，由于受到環境限制，信號覆蓋率低下、實用性不高、不利于推廣；部分巡檢平臺人工干預較多，且不能提供故障位置的可視化信息，一旦巡檢人員發生安全事故，其他工作人員無法在第一時間對事故點進行自動精確定位。

利用無線局域網和RFID射頻標簽實現定位和設備識別的算法相關研究在國內外的公開報道比較多，但是將有源Wi-Fi標簽與無線局域網結合用于巡檢人員的實時定位、將無源UHF超高頻RFID電子標簽用于電纜溝道故障的實時定位，并將二種算法結合定向化應用在電纜溝道安全巡視和故障定位中的相關的創新開發，還未見公開報道。

鑒于此，本文設計了一種電纜溝道安全巡視和故障定位算法，該算法可對無源UHF超高頻RFID電子標簽及有源Wi-Fi標簽進行定位，可實現漏檢人員的信息識別、采集、記錄、跟蹤及實時定位管理和資產故障的尋址追溯管理，解決了目前電力行業電纜溝道巡檢過程中的存在的主要問題，保證了電力工作人員的工作安全、提高企業生產運營管理效率并降低企業運營成本。

2 基于RFID和Wi-Fi標簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法

2.1 定位部署方案

無源UHF超高頻RFID電子標簽，應用時主要埋在需要定位的管線附件，每一根電纜上環貼的標示器都要由唯一的電纜溝道總標示器管理；有源Wi-Fi定位標簽作為無線數據采集模塊佩戴在人員身上或者安裝在貴重物品上，通過無線局域網環境對有源Wi-Fi定位標簽的信號強度、電子標簽的坐標進行信息配置。因此需要提前進行預處理，假定電纜溝道的長寬高分別為 L（m）、W（m）、H（m），則部署方案如表1所示。其中，標簽或采集點的個數計算向下取整。

2.2 信號強度分級與三球交匯計算

在定位環境的部署情況的基礎上，需要對PDA信號強度進行校準，使得PDA發射信號強度呈線性增加，同時需要根據PDA讀取電子標簽的不同信號強度劃分不同的信號強度等級，劃分信號強度等級要求PDA支持接收信號強度檢測（RSSI）。信號強度分級方法可以估計閱讀器到目標標簽的估計距離，假定有N個PDA移動測量點，那么PDA到目標標簽的估計距離集M如下：

M={L1，L2… LN}， N 為PDA移動測量點的個數。從估計距離集M中選取3個距離進行三球交匯的計算可以得到目標標簽的一組估計坐標。“三球交匯”的計算公式可以表述如下：

（1）

其中（xi，yi，zi）為PDA的坐標，（x0，y0，z0）是未知的目標標簽坐標，“三球交匯”的模型如圖1所示。

“三球交匯”俯視圖如圖2所示，三球交點最多存在兩個可行解，根據實際目標標簽只能存在于六面體模型上平面之下，可以排除一個不可能解。根據PDA移動測量點的個數N，每三個PDA移動測量點有且僅有一個“三球交匯”計算的可行坐標估計，那么N個PDA移動測量點存在C3N中不同的組合，也就是目標標簽估計坐標集 R 最多包含C3N個不同的可行解。

2.3 最小二乘法平面擬合

本文使用最小二乘法平面擬合減小目標標簽估計坐標的誤差。不相關模型變量t1，t2，t3…tq，可組成如下最小二乘法的線性函數形式：y（t1，t2，t3…tq；b1，b2，b3…bq）=b0+b1t1+…bqtq

其中（xi，yi，zi）為可行估計目標坐標集R中的離散點按照x坐標排序后的中間1/3部分的可行解。如圖3所示是對可行目標估計坐標集使用最小二乘法平面擬合的效果圖。

2.4 基于RFID和Wi-Fi標簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法

2.4.1 無源UHF超高頻RFID電子標簽定位算法

無源UHF超高頻RFID電子標簽的識別在實際應用環境中，會受到各種干擾的影響，使得誤碼率增大、識別速度變慢、識別距離減小，因此針對RFID讀寫沖突干擾問題，在算法中加入讀寫抗干擾策略。

無源UHF超高頻RFID電子標簽定位算法的步驟如下：

第一步，在電纜溝內部署無源UHF超高頻RFID電子標簽，記錄手持式帶有UHF讀頭的PDA到無源UHF超高頻RFID電子標簽的信號強度、電子標簽的坐標以及配置信息等預處理操作。

第二步，在傳送信號之前，PDA必須偵聽信道內是否有其它讀寫器的信號，如果信道空閑，將讀取標簽；如果信道忙，將隨機選擇一段退避時間，再繼續讀取。PDA根據讀取目標標簽的信號強度劃分兩個關鍵的信號強度等級最大和最小信號強度等級，根據最大和最小信號強度等級之間的電子標簽集估計PDA到目標標簽之間的估計距離。

第三步，使用基于標簽與PDA接收距離的“三球交匯”公式（式1）計算目標標簽的估計坐標。

最后，使用最小二乘法平面擬合得到目標標簽的估計坐標。

2.4.2 有源Wi-Fi標簽定位算法

由于在有源Wi-Fi標簽具有能量，發射信號范圍呈球形，因此加入了對有源標簽發射信號球在無線局域網信號采集點上下平面的截面圓心和圓半徑的計算。具體步驟如下：

第一步，將有源Wi-Fi定位標簽作為無線數據采集模塊佩戴在人員身上或者安裝在貴重物品上，通過無線局域網環境對有源Wi-Fi定位標簽的信號強度、電子標簽的坐標以及配置信息等預處理操作。

第二步，對于無線局域網環境內的每個Wi-Fi定位標簽讀寫器，在0-maxTime Slot范圍內隨機選擇一個時隙進行通信，如果發生沖突，則隨機選擇另一個時隙并通知鄰近的讀寫器；如果相鄰讀寫器內有同樣的時隙，則該讀寫器重新選擇一個新的時隙，讀寫器同時跟蹤當前的時隙。根據讀取目標標簽的信號強度劃分兩個關鍵的信號強度等級最大和最小信號強度等級，根據最大和最小信號強度等級之間的電子標簽集估計無線局域網內標簽采集點到目標標簽之間的估計距離。

第三步，在無線局域網環境中的標簽采集點的信號從小到大逐漸增加的過程中會讀取裝配標簽的人員和物品的有源電子標簽，也就是信號球與信號球相交。使用基于標簽與無線局域網內標簽采集點接收距離的“三球交匯”公式（式1）對有源標簽發射信號球在電纜溝道模型的上下平面的截面圓心和圓半徑進行計算，并計算目標標簽的估計坐標。

最后，使用最小二乘法平面擬合得到目標標簽的估計坐標。

2.4.3 算法流程圖

基于RFID和Wi-Fi標簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，由無源UHF超高頻RFID電子標簽定位算法和有源Wi-Fi標簽定位算法組成。無源UHF超高頻RFID電子標簽定位算法用于電纜溝道故障資產的實時定位，有源Wi-Fi標簽定位算法用于電纜漏檢人員的實時定位。算法流程圖如圖4所示。

3 基于RFID定位中間件和Wi-Fi標簽定位系統的設計與實現

3.1 總體設計

基于RFID定位中間件和Wi-Fi標簽定位系統基于本文設計的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，由安全巡視系統和故障定位系統組成。系統結構圖如圖5所示。

由圖5可知，安全巡視系統由有源Wi-Fi定位標簽、無線通訊環境及定位運算服務器系統組成，可對巡檢人員實現安全、實時、準確定位的管理。故障定位系統由無源UHF超高頻RFID電子標簽、手持式帶有UHF讀頭的PDA、無線通訊環境、RFID定位中間件及應定位運算服務器系統組成，可實現隧道內電力線路故障的實時定位和記錄問題。

3.2 Web視圖實現

Web視圖配置界面設置了用戶對定位環境部署的配置信息，基本的配置信息包括信號強度等級、PDA移動采集點個數、標簽密度、六面體模型長寬高，如圖6所示。已知標簽信息的查詢頁面如圖7所示。

配置界面的實現，使用html+Css+JavaScript進行前端頁面布局，Java后臺實現配置信息的文件寫入，整個項目在tomcat服務器上運行。界面整體使用frame框架實現，frame包括frameset標簽、frame標簽、iframe標簽，整個頁面布局分為頭部圖片、左邊操作菜單和右邊的顯示頁面部分。

已知標簽頁面可以動態的添加、刪除、修改已知標簽信息，包括已知標簽的EPC碼、坐標、PDA的名稱以及移動采集點的ID。

4 仿真結果

本文對基于RFID和Wi-Fi標簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法進行了性能仿真。算法的標簽密度四個不同的密度等級的仿真分析如下：

信號強度等級為1級對應于劃分12個信號強度級別對應的誤差數據文件tag_density_error_1.txt包含的數據內容如表2所示。

信號強度等級為2級對應于劃分15個信號強度等級對應的誤差數據文件tag_density_error_2.txt包含的數據內容如表3所示。

信號強度等級為3級對應于劃分18個信號強度等級對應的誤差數據文件tag_density_error_3.txt包含的數據內容如表4所示。

信號強度等級為4級對應于劃分24個信號強度等級對應的誤差數據文件tag_density_error_4.txt包含的數據內容如表5所示。

當PDA測量點個數、已知標簽密度為定值時，隨著信號強度等級密度的增加，定位系統的精度提升，但是當已知標簽密度較小，信號強度等級密度較大時，會出現由于已知標簽信息過少，無法得到定位結果的情況，需要在已知標簽密度和信號強度等級之間進行適當的平衡。因此在實際的定位部署中，需要選擇合適的已知標簽密度以及信號強度等級密度。

信號強度等級誤差的仿真對比結果如圖8所示。圖中帶方塊的折線為本發明所設計的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，帶圓點折線為不加入抗干擾策略下的算法性能，帶三角的折線為未做任何改進的原始算法性能。從圖中可以看出當信號強度等級（K）劃分更多的信號強度等級，所有算法定位的誤差都會逐漸減小，本發明所設計的算法具有最優的誤差性能。

5 結論

本文設計了基于RFID和Wi-Fi標簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，算法包括無源UHF超高頻RFID電子標簽定位算法和有源Wi-Fi標簽定位算法。文章首先闡述了研究背后及國內外的研究現狀，隨后介紹了本文算法所運用的定位部署方案、信號強度等級劃分、三球交匯模型及最小二乘擬合技術，設計了基于RFID和Wi-Fi標簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法。在第三章對基于算法及定位中間件的系統進行了設計、配置與實現，在最后一章對算法進行仿真和分析，證明了本文算法比較于原有算法的優越性，能更好解決電子標簽在實際應用環境中，因受到各種干擾而使得誤碼率增大、識別速度變慢、識別距離減小的問題。

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