基于RFID標(biāo)簽分頻發(fā)射的鐵塔形變監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)*

趙亞東，黃勇，雷天豐，李驍

(西華大學(xué) 電氣與電氣信息學(xué)院， 成都 610039)

0 引 言

關(guān)于鐵塔安全運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，國內(nèi)外都有大量的研究[1-2]。主要表現(xiàn)在這幾個(gè)方面，一是遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；二是通過對(duì)鐵塔進(jìn)行衛(wèi)星成像，然后跟參考圖像進(jìn)行比對(duì)[3]；還有就是利用放置在塔架上的傾角傳感器來判定鐵塔的運(yùn)行狀態(tài)[4]。本設(shè)計(jì)有別于以上的研究方法，通過對(duì)鐵塔一些節(jié)點(diǎn)上安裝的RFID標(biāo)簽進(jìn)行定位得到測(cè)算空間坐標(biāo)，然后跟標(biāo)簽在安全狀態(tài)下的空間坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而判斷鐵塔的運(yùn)行狀態(tài)。

1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)是以220 kV貓頭型輸電鐵塔作為研究對(duì)象，該鐵塔最易形變的受力點(diǎn)是在塔頭連接兩避雷線的位置，我們?cè)谶@2個(gè)位置安裝RFID標(biāo)簽同時(shí)發(fā)射不同頻率的超高頻信號(hào)，地面有4個(gè)排列成線的接收點(diǎn)接收2個(gè)標(biāo)簽發(fā)來的射頻信號(hào)。形變監(jiān)測(cè)示意圖如圖1所示。

因?yàn)橥活l率信號(hào)到4個(gè)接收點(diǎn)的相位是不一樣的，所以我們利用同一頻率信號(hào)到不同接收點(diǎn)之間的載波相位差[5]分別得到這4個(gè)接收點(diǎn)到不同標(biāo)簽的3個(gè)距離差。已知接收點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)距離公式可以分別列出3個(gè)獨(dú)立方程求出這2個(gè)標(biāo)簽的坐標(biāo)。射頻標(biāo)簽和信號(hào)接收機(jī)如圖2所示。

圖1 形變監(jiān)測(cè)示意圖

圖2 射頻標(biāo)簽和信號(hào)接收機(jī)

該設(shè)計(jì)包括信號(hào)收發(fā)單元設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)以UDP協(xié)議打包傳輸至計(jì)算機(jī)，PC端數(shù)據(jù)處理計(jì)算這三大部分。

2 發(fā)射和接收單元設(shè)計(jì)

為了區(qū)分不同標(biāo)簽發(fā)來的信號(hào)和兼顧高壓電磁環(huán)境對(duì)無線電信號(hào)干擾的要求[6]，1、2號(hào)標(biāo)簽發(fā)射頻率分別采用915 MHz和915.2 MHz。接收機(jī)通過CPCI203射頻板卡將2個(gè)標(biāo)簽發(fā)來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成70 MHz、70.2 MHz中頻信號(hào)，而后通過FMC102進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再送到集成有FPGA的U3硬件平臺(tái)進(jìn)行混頻[7]，降頻到100 kHz、100.2 kHz然后分成IQ信號(hào)；為了數(shù)據(jù)能通過網(wǎng)線完整傳輸?shù)絇C端，我們進(jìn)行了抽取濾波[8]，將采樣率降至1 MS/s。

3 PC端處理單元設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)分頻和距離差測(cè)算

4個(gè)接收點(diǎn)的IQ信號(hào)都混有915 MHz和915.2 MHz信號(hào)，我們利用基于漢明窗低通濾波和切比雪夫高通濾波分出8路IQ信號(hào)。將這些IQ信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換，會(huì)得到8個(gè)不同的相位角度φm,i(1≤m≤4,i=1,2)，m為接收點(diǎn)序號(hào)，i為標(biāo)簽序號(hào)。相位角差公式為：

(1)

式中θmn,i是i號(hào)標(biāo)簽信號(hào)在m號(hào)接收點(diǎn)和n號(hào)接收點(diǎn)相位角度差。已知i號(hào)標(biāo)簽信號(hào)載波波長λi。根據(jù)公式：

Dmn,i=λi×θmn,i/2π,(1≤m≤3;n=m+1;i=1,2)

(2)

可以得到6個(gè)獨(dú)立的距離差值Dmn,i。

3.2 標(biāo)簽坐標(biāo)解算

根據(jù)公式:

(1≤m≤3;n=m+1;i=1,2)

(3)

式中xi,yi,zi為i號(hào)標(biāo)簽坐標(biāo)，xm,ym,zm為m號(hào)接收點(diǎn)的坐標(biāo)，xn,yn,zn為n號(hào)接收點(diǎn)的坐標(biāo)，Dmn,i為m號(hào)和n號(hào)接收點(diǎn)到i號(hào)標(biāo)簽兩個(gè)距離的差值。由于距離差測(cè)算有一定的誤差，并且方程組(3)是多元非線性方程，直接求解很難。對(duì)此我們采用改進(jìn)后的高斯-牛頓迭代法[9]進(jìn)行迭代求解，迭代初值我們選取發(fā)射標(biāo)簽初始坐標(biāo)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 鐵塔形變分析和待測(cè)點(diǎn)選擇

本設(shè)計(jì)測(cè)試的輸電鐵塔以220 kV貓頭型鐵塔為例[1]。在極限負(fù)載的情況下，塔頭連接兩避雷線的位置位移最大，當(dāng)其大于等于整個(gè)塔高的1/90[10]時(shí)，鐵塔就處于不安全的狀態(tài)，隨時(shí)面臨倒塌的危險(xiǎn)。由此我們以這個(gè)極限數(shù)據(jù)為參考，對(duì)塔頭兩連接避雷線較近的位置進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。為了最大程度地消除鐵塔角鋼結(jié)構(gòu)和輸電線路對(duì)信號(hào)的干擾，我們?cè)阼F塔占地外圍選擇原點(diǎn)坐標(biāo)和擺放信號(hào)接收點(diǎn)，同時(shí)為了消除相位模糊，接收點(diǎn)的擺放應(yīng)滿足它們到標(biāo)簽的最大距離差小于載波波長。由此確定4個(gè)接收點(diǎn)坐標(biāo)依次是(0，270，0)，(0，180，0)，(0，90，0)，(0，0，0)，兩個(gè)標(biāo)簽坐標(biāo)分別為(200，700，4 825)，(1 550，700，4 825)。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試分成兩個(gè)部分，一是監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒有位移的情況；二是監(jiān)測(cè)點(diǎn)在以初始坐標(biāo)為球心，50 cm為球半徑的球體內(nèi)移動(dòng)模擬其發(fā)生位移的情況。第一種情況我們測(cè)得標(biāo)簽在不同接收點(diǎn)的相位角。如表1所示。

表1 不同頻率標(biāo)簽在不同接收點(diǎn)相位角

根據(jù)相位角，進(jìn)一步得到信號(hào)在不同接收點(diǎn)之間相位差和距離差。如表2、表3所示。

表2 信號(hào)在不同接收點(diǎn)之間的相位差

表3 不同接收點(diǎn)到標(biāo)簽的距離差

通過迭代算法算出1、2號(hào)標(biāo)簽計(jì)算坐標(biāo)然后跟初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 不同頻率標(biāo)簽原始坐標(biāo)和計(jì)算坐標(biāo)

我們又做了多次第二種情況的實(shí)驗(yàn)，得到標(biāo)簽原始坐標(biāo)和測(cè)算坐標(biāo)對(duì)比圖，如圖3所示。

根據(jù)公式：

(i=1,2)

(4)

可以得到測(cè)算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)的距離誤差Derror,i，如圖4所示。

圖3 兩個(gè)標(biāo)簽原始坐標(biāo)和測(cè)算坐標(biāo)對(duì)比圖

圖4 測(cè)算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)的距離誤差圖

第一種情況經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，兩標(biāo)簽計(jì)算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)距離誤差都在1.61 cm到2.674 cm范圍內(nèi)；第二種情況兩標(biāo)簽計(jì)算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)距離誤差分別在1.414 cm到4.12 cm和1.414 cm到4.69 cm范圍內(nèi)，方差分別是0.693和0.725。以塔頂極限位移53.6 cm為參考，測(cè)算誤差在可控范圍內(nèi)，波動(dòng)較小，一旦測(cè)出位移超過50 cm就應(yīng)該立即通知檢修部門進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看維修。根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

基于射頻標(biāo)簽的鐵塔形變監(jiān)測(cè)是以信號(hào)接收頻帶寬的射頻板卡，高精度A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA微處理器為核心部件，與高可靠性的超高頻無線射頻模塊相結(jié)合，通過PC數(shù)據(jù)處理端實(shí)時(shí)分析計(jì)算，能夠?qū)旊婅F塔某些受力點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)功能豐富，布置靈活，可拓展性強(qiáng)，測(cè)試結(jié)果表明該套設(shè)備具備高可靠性和高精度性能。由于方案具有較強(qiáng)通用性，可推廣應(yīng)用于各類鐵塔和其他工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中。