新型雙芯片射頻識別地下電纜定位電子標簽的研制

徐友剛，周 青，張紅燕，陳亞杰

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

地下電纜的安全是城市電網的命脈，是現代化城市高效率、高質量運作的重要保障之一。近年來，因城市建設、道路擴寬工程量增加，大量挖機施工導致電纜外破事故頻發。現有技術電纜定位檢測依托金屬探測器與圖紙結合方法，由于受城市地層地基鋼筋、管網影響，金屬探測器難以準確探測，導致電纜實際位置定位不準，外破事故頻發的痛點難以根治，極大影響了電纜供電可靠性[1-4]。現在的射頻電子標簽技術已經具備了無源探測電纜位置的能力，然而現有技術只能標記大概位置，無法精確描述具體電纜信息，另外對于電纜故障征兆或故障后的定位也不具備預警或檢測能力，需要進一步研究改進。

1 地下電纜精準定位的意義

目前，大部分地下管網采用了直埋方式。對于故障地下管網的找尋方法大多采取地面標識物識別或應用其他定位儀器查找，在實際的運用過程中時常存在以下幾個問題致使因無法確定電纜路徑進而使故障排除工作陷入僵局。

(1)地面標識物缺失。由于地區經濟的飛速發展，市政建設、房屋建筑、道路、綠化及各種管線建設對地理環境引起諸多變化，導致原有管線的地上標識物已經缺失，無法再利用當初的標識物或圖紙相關參照物進行對照找尋管線路徑。

(2)電纜定位誤差較大。傳統地下管線探測設備易受到金屬物、強電場等環境影響，另外信號接入條件不同造成的檢測誤差較大，雖然動用各種儀器查找，但效果皆不理想。

2 射頻識別技術電子標簽原理

2.1 射頻識別技術無線傳輸原理

射頻識別(Radio Frequency Identification，簡稱RFID)技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[5-7]。

RFID的基本工作原理為：標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息(無源標簽或被動標簽)，或者主動發送某一頻率的信號(有源標簽或主動標簽)；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。一套完整的 RFID 系統, 是由閱讀器 (Reader)與電子標簽(TAG)也即所謂的應答器(Transponder)、天線、中間件(Middleware)及應用軟件系統5個部分所組成。RFID通信原理如圖1所示[5-7]。

利用 RFID技術研制的地下電子信息標識器可以有效地應用于地下管網的日常維護管理工作之中。根據設計要求，預先在地下管網埋設的過程中安放地下電子標識器，在日后的維護工作中，就能以非開挖的方式輕松地找到該電纜的相關信息，并且標識器探測識讀設備利用的是 RFID 識讀技術，根據標識器反映的信號強弱來精準定位和查找地下管網，從而有效克服了傳統探測設備受天氣、金屬、地質等條件影響的局限性。

從電子標簽到讀寫器之間的通信及能量感應方式來看，RFID系統一般可以分成兩類，即電感耦合系統和電磁反向散射耦合系統。電感耦合通過空間高頻交變磁場實現耦合，依據的是電磁感應定律，一般適合于中、低頻工作的近距離RFID系統。電磁反向散射耦合，即雷達原理模型，發射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律，一般適合于超高頻、高頻、微波工作的遠距離RFID系統。電子標簽進入天線磁場后，若接收到讀寫器發出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息(無源標簽)，或者主動發送某一頻率的信號(有源標簽)，讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。

2.2 現有RFID系統位置定位局限性

目前射頻電子標簽技術已經具備了無源探測電纜位置的功能，然而現有技術只能標記大概位置，無法精確描述具體電纜信息，另外對于電纜故障征兆或故障后的定位，也不具備預警或檢測能力，需要進一步研究改進。

3 新型雙芯片RFID電纜定位芯片設計方案

該方案的電路結構由射頻電子標簽1、雙向反射器2 、射頻電子標簽3、底面反射器4、柔性導電墊5、穩壓二極管D1、溫度開關S1、溫度開關S2、穩壓二極管D2構成，射頻電子標簽1、射頻電子標簽3為頻率相同的射頻電子標簽，分別設置與于向反射器2的焦點位置，雙向反射器2設置于底面反射器4的中間位置，底面反射器4為矩形平面結構，由金屬材料構成，其反面粘貼柔性導電墊5。射頻電子標簽1的一個發射電極與底面反射器4電連接，另一個發射電極與穩壓二極管D1正向串聯后，與底面反射器4電連接，射頻電子標簽1的兩個發射電極之間接有溫度開關S1；射頻電子標簽3的一個發射電極與底面反射器4電連接，另一個發射電極與穩壓二極管D2反向串聯后，與底面反射器4電連接，射頻電子標簽3的兩個發射電極之間接有溫度開關S2 ，溫度開關S1與溫度開關S2為常開型。新型RFID芯片結構和芯片電路結構分別如圖2和圖3所示。

現有技術借助射頻電子標簽定位時，由于電子標簽型號的全向特性，一個電子標簽的信號在數十米范圍內均能探測到，這就失去了精確定位電纜位置的能力，而金屬探測器更是難以識別金屬物品形態。本方案通過雙向反射器，采用獨特的信號反射加強技術，并且整合兩個相同的電子標簽分別向兩邊傳輸信號，使得整個電子標簽系統的信號覆蓋面呈現長條矩形，能夠更好地覆蓋地下電纜，從而使得地下電纜的位置識別更加精準，將地面的探測誤差減少到0.5 m以內，同時也實現了幾十米長電纜的全覆蓋定位檢測。現有技術由于射頻信號全向發射且信號幅值小，需要每隔數米就放置一個定位標簽，本方案利用柔性導電墊與射頻電子標簽天線電極連接，再利用導電墊與電纜屏蔽層的耦合作用，就巧妙地使電纜屏蔽層成為信號地線，從而使信號傳輸距離大幅延長，使得無源的電子標簽也能實現沿著電纜幾十米的感應距離，同時也進一步提升了定位精度。

此外，利用穩壓二極管的設置，一旦電纜發生故障，接地電流流過導電墊，工頻電流會通過二極管擦除電子標簽內的存儲信息，這樣故障后只要沿著電纜用手持讀寫器探測，一段電纜收不到電子標簽的信號，就精確地顯示出了故障點位置，如果電纜是直流電纜，則還能通過電子標簽中的哪一個信息擦除來判斷故障電流來向，進一步精確判斷故障位置。穩壓二極管的電壓鉗制作用，可使一般的接地電流不流過電子標簽，具有防止外部故障誤損壞電子標簽的功能。還可進一步利用熱敏溫度開關接通/斷開無源電子標簽的射頻天線，實現超溫報警，一旦電纜溫度越限，只要人工定期沿著電纜用手持讀寫器探測，一段電纜收不到電子標簽的信號，就精確地顯示出了發熱點位置，而射頻電子標簽的價格僅為現有技術無線溫度傳感器的幾百分之一，體現出極好的實用性，使配網電纜的溫度監控成為可能。

4 結語

本文提出的技術方案，實現了RFID芯片功能的擴展，即通過雙芯片信號定向反射，使地面形成長條形的信號覆蓋區域，從而使電纜地面定位檢測精度提升，不可通過輔助元件的加入，使之具備故障定位、超溫報警等輔助功能，具有較好的實用性。