無人機專用RFID識讀設備的研究與設計

黃建華 李堅

摘? 要：采用無人機技術來進行輸電線路巡檢可以顯著提高巡檢成效和質量，成為構筑能源互聯網的重要保障，而將專用RFID識讀設備搭載于適宜的無人機上，可以快速獲取目標（如輸電線路及桿塔）的標簽信息，進而為缺陷數據等分析工作的開展提供數據支撐。文章研究并設計了無人機專用的RFID識讀設備，介紹了該設備的工作流程、具體設計，實際使用證明，該設備可以較好地完成工作要求。

關鍵詞：RFID識讀設備;無人機;雙級化抗風阻天線;鋰電池

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0170-03

Research and Design of RFID Reading Equipment for UAV

HUANG Jianhua， LI Jian

（Beijing RXG Technology Co.， Ltd. Beijing? 100097， China）

Abstract： Using UAV technology for transmission line inspection can significantly improve the inspection effect and quality， and become an important guarantee for building energy Internet. Carrying special RFID reading equipment on a suitable UAV can quickly obtain the label information of targets （such as transmission lines and towers）， and then provide data support for the development of defect data and other analysis work. This paper studies and designs RFID reading equipment for UAV， and introduces the working process and specific design of the equipment. The actual use shows that the equipment can better meet the work requirements.

Keywords： RFID reading equipment; UAV; dual-stage wind resistance antenna; lithium battery

0? 引? 言

考慮到輸電線路巡檢過程中存在的安全隱患、突發事件及限制因素，人工巡檢仍然是不少地區輸電線路巡檢的主要方式，即沿著輸電線路走廊派專業的巡檢人員駕車或徒步，采用親自登塔或雙眼觀測的方式來進行巡檢。在實際操作中，人工巡檢存在著系列難以克服的缺點，如工作效率低、工作強度大且環境惡劣等，輸電線路巡檢工作逐漸由人工密集型向技術密集型轉變（表1為輸電線路人工巡檢和無人機巡檢的對比），而無人機的迅猛發展正好為輸電線路巡檢提供了新思路。從經濟效益方面而言，以某典型的10 km輸電線路為例，人工巡檢需要投入3～4人耗費2～3個工作日，而且在巡檢過程中可能因蛇蟲侵擾等影響巡檢效率;無人機巡檢只需要投入1名巡檢人員，耗費約1小時即可完成，并且在巡檢過程中不容易受各種未知因素的影響而拖延巡檢效率。現階段國網投入使用的各類無人機已經超過2 000架，對于人工巡檢中較難發現的輸電線路隱患已經有了很好的解決方案，未來人工巡檢必然會轉變到人機協同，并最終實現全自動化巡檢，到時巡檢人員只需要在后臺匯總并分析無人機傳回來的各類巡檢數據即可，徹底實現輸電線路巡檢模式的變革。

RFID識讀設備是輸電線路無人機智能巡檢的重要組成部分，但現階段便攜式RFID識讀設備主要以傳統的手持機為主，它集成了手持機的處理器、顯示屏、大容量電池和RFID部分的超高頻模塊、天線等，再加上外層緩沖防護結構和嚴密的內部結構支撐，使其重量大、成本高、體積大的缺陷極為突出，嚴重制約了其在輸電線路無人機智能巡檢中的應用，故輕量化、小型化、低成本化及智能化將成為無人機專用RFID識讀設備的未來發展方向。如表1所示。

1? 無人機專用RFID識讀設備的工作流程

無人機RFID巡檢首先由智芯提出，前期主要是針對無人機RFID巡檢應用中的配電雙向電子標簽的驗證。但在驗證過程中發現無人機起飛后對射頻干擾極其嚴重，同時無人機巡檢存在市場應用需求，因此本企業開始了無人機專用RFID識讀設備的設計。

該產品研發總共分為6個階段，包含初期的驗證配電雙向電子標識無人機識讀而進行的設備研發，后智芯提出正式研發無人機專用RFID識讀設備而正式前后產開了5代產品的研發，其中包含采用不同無人機機型和不同識讀模塊及識讀天線的深度研發工作。

一套完整的無人機RFID系統由電子標簽、識讀設備和數據管理系統等三個部分構成，工作時，當電子標簽接收到識讀設備發來的無線射頻電波并轉化為工作電能，啟動內部芯片的電路工作后發射出自身存儲的信息數據，識讀設備接收到這些信息數據后進行解碼、轉換并導入到數據管理系統中。作為無人機RFID系統的重要組成部分，本文中無人機專用RFID識讀設備的工作流程如圖1所示。

具體而言，無人機專用RFID識讀設備的工作流程大致包含如下三個部分：

（1）準備工作。無人機通電啟動后，RFID識讀設備隨機通電啟動;

（2）無人機起飛。無人機通過無人機控制器操作飛行至指定飛行區，操作人員通過無人機控制器配件控制模塊來控制識讀設備天線舵機，讓天線指向識讀標簽，隨后識讀設備讀取電子標簽信息，并將識讀信息通過無線傳輸至地面接收端，由地面接收端系統顯示;

（3）無人機返航。電子標簽識讀完畢后，識讀設備天線歸位，無人機返航，待無人機安全降落至地面后，操作人員關閉無人機和識讀設備的電源。

2? 無人機專用RFID識讀設備的具體設計

2.1? 無人機專用RFID識讀設備的架構

如圖2所示，無人機專用RFID識讀設備整體上由機載及地面接收兩個部分構成：

（1）機載部分。機載部分包含雙極化抗風阻天線、天線舵機（可水平、垂直控制天線方向）、射頻識讀主控、射頻識讀模塊、鋰電池、無線傳輸控制器、無線傳輸天線等幾個部分;

（2）地面接收部分。地面接收部分包含地面數傳模塊和數據接收模塊等兩個模塊。

2.2? 無人機專用RFID識讀設備的主要參數

2.2.1? 識讀模塊

無人機專用RFID識讀模塊的結構如圖3所示，該模塊的主要參數如下：射頻通道基于Impinj R2000;最大支持功率33 dBm，支持可調節;接收靈敏度≤-80;協議支持：支持ISO 18000-6C/EPC G1G2、GB/T29768-2013（可拓展支持）協議;優化識別算法，提供最高識別效率;高速輪詢雙極化天線，每個天線最短輪詢時間約25 ms;可單獨配置個天線的輪詢時間;軟硬件自主知識產權;支持無線通訊傳輸識讀數據;防護等級IP65;重量2.45 kg。

2.2.2? 雙極化抗風阻天線

雙極化抗風阻天線的結構如圖4所示，該部分的主要參數如下：頻率范圍為902～928 MHz，極化方式為雙極化+90°，增益為11 dBi/11.3 dBi，垂直角度為52°，水平角度為55°，駐波比為<1.5，前后比為≥12 dB，特性阻抗為50 Ω，最大輸入功率為50 w，防雷保護為直流接地，接口形式為SMA頭×2，天線尺寸為617×195×195 mm，工作溫度為-40 oC/+60 oC，支撐桿直徑為φ30～φ60 mm，抗風強度為60 m/s，重量為0.25 kg。

2.3? 無人機專用RFID識讀設備的改進

2.3.1? 第一代基于中航金城無人機專用RFID識讀設備研發

基于中航金城無人機研發的專用RFID識讀設備，優化識讀模塊及八木天線，研究如何實現降低無人機起飛后的電磁干擾，最終該版本無法滿足應用性能需求。

該階段使用設備：中航金城電動無人機;八木天線，增益8 dBi;基于R2000研發的識讀模塊（帶濾波器），最大支持功率33 dBm，測試使用功率33 dBm。

2.3.2? 第二代基于中航金城無人機專用RFID識讀設備研發

基于中航金城無人機專用RFID識讀設備的二代產品，其中主要優化了八木天線，使用陣列4八木，提高天線增益，從而中和無人機的干擾，最終實現應用場景識讀距離需求，在測試中，無人機小角度（水平夾角45°）識讀配電標簽可達18 m，大角度（水平夾角60°）識讀配電標簽可達15 m。

該階段使用設備：中航金城電動無人機;四陣列八木天線，增益14 dBi;基于R2000研發的識讀模塊（帶濾波器），最大支持功率33 dBm，測試使用功率33 dBm。

2.3.3? 第三代基于蜂巢無人機專用RFID識讀設備研發（趨向產品化）

在前幾代產品的研發過程中積累了一定的經驗和教訓，本代產品基于蜂巢無人機進行開發，增加天線舵機，并整體集成化，內置電池，將四陣列八木天線改為單八木天線，天線增益選擇大增益，進行一定的中和無人機的干擾，最終實現應用場景識讀距離需求，在測試中，無人機小角度（水平夾角45°）識讀配電標簽可達20 m，大角度（水平夾角60°）識讀配電標簽可達18 m。

該階段使用設備：蜂巢（品牌）電動無人機;八木天線，增益15 dBm;一體化基于R2000研發的識讀模塊，最大支持功率33 dBm，測試使用功率30 dBm，內置電源及電磁屏蔽系統;天線舵機系統;無線數據傳輸通訊系統。

2.3.4? 第四代基于大疆M600無人機專用RFID識讀設備研發

在上代產品的成果下，本代產品基于大疆M600無人機進行開發，優化無人機專用RFID識讀模塊大小及重量，同時縮小天線長度，并將單八木天線優化為雙極化同軸交叉八木天線，最終實現應用場景識讀距離需求，在測試中，無人機小角度（水平夾角45°）識讀配電標簽可達19 m，大角度（水平夾角60°）識讀配電標簽可達17 m。本代產品縮小識讀設備體積和天線長度，提高了電磁兼容性，降低無人機對識讀模塊的干擾。

該階段使用設備：大疆M600電動無人機;雙極化同軸交叉八木天線，增益11 dBi;基于R2000研發的識讀模塊，最大支持功率33 dBm，測試使用功率30 dBm，內置電源及電磁屏蔽系統;天線舵機系統;無線數據傳輸通訊系統。

2.3.5? 第五代基于大疆M300及兼容其他品牌無人機專用RFID識讀設備研發

根據各網省的實際無人機使用情況，要求制作體積和重量更小的無人機RFID識讀設備，可適配大多數品牌的無人機，因此未來將從如下方面著手來對無人機專用RFID識讀設備進行優化：識讀設備小型化，可安裝與大疆M300大小機型上;識讀設備可與無人機攝像頭兼容，并實現數據對接;識讀設備性能滿足應用需求;識讀設備天線舵機可上下方向可調整;識讀設備識讀數據通訊可與無人機對接，同時具有獨立性，可獨立與地面系統對接;識讀設備具備完善的標準接口，可滿足應用場景的二次開發和對接。

3? 結? 論

隨著計算機技術與物聯網技術的不斷發展與完善，RFID技術聯合智能化數據采集裝置開始友好地應用到無人機輸電線路巡檢中，巡檢完畢后，無人機上攜帶的專用RFID識讀設備將采集到的數據通過無線通信技術傳輸到相關管理部門，管理者可通過后臺查看相應數據，從而展開相應的數據分析、處理和匯總工作。

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作者簡介：黃建華（1968.11—），男，漢族，江西高安人，工程師，同濟大學本科，研究方向：工業物聯網RFID、RFID+、RFID與傳感器相結合在大行業的深化應用。