RFID技術在地下設施可視化管理中的應用

摘要：為了解決用于標識管線信息的電子標簽埋地后現(xiàn)場尋找困難這一問題，本文提出了一種地上地下兩級定位方案。首先通過地上高精度差分GPS與圖像采集相結合的方案進行初步定位，然后通過探測模塊陣列循環(huán)掃描的方式獲取埋地電子標簽在水平方向的精確位置，并采用機器學習算法精確獲得電子標簽在垂直方向的精確埋深。為了降低元器件參數漂移對探測模塊性能造成的影響，設計自動補償校準電路，確保探測儀始終處于穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)。此外，為了擴展應用范圍，本文所述探測儀還引入多協(xié)議無線通信模塊及AI視頻分析功能，進一步豐富了探測儀的功能。

關鍵詞：RFID；差分GPS；自動補償校準；探測儀

一、射頻識別技術概述

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），是自動識別技術的一種，通過無線方式進行非接觸雙向數據通信，對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的。隨著射頻識別技術的發(fā)展，越來越多的行業(yè)引入RFID。其中，基于RFID的地下管線標識定位是智慧城市典型應用之一。完整的RFID系統(tǒng)由讀寫器（Reader）、電子標簽（Tag）和數據管理系統(tǒng)三部分組成。

根據工作頻率的不同，電子標簽可分為低頻（LF）標簽、高頻（HF）標簽、超高頻（UHF）標簽以及微波標簽。低頻標簽和高頻標簽一般是基于電磁耦合的工作原理，而超高頻標簽以及微波標簽一般基于電磁波反向散射原理。用于標識埋地管線等地下設施關鍵信息的電子標簽通常采用埋地安裝方式。為了降低土壤等含水量比較高的介質對電子標簽識讀距離的影響，本文采用基于電感耦合的低頻RFID方案。然而，隨著埋設深度的增加，在實際應用中還會面臨許多其他問題，主要包括現(xiàn)場不容易尋找到前期埋設電子標簽，以及無法準確定位電子標簽的埋設位置和埋設深度等，這些問題為埋地電子標簽工程應用和推廣帶來了很多挑戰(zhàn)。

二、多維搜索方法助力快速精準定位

（一）平面快速定位方案設計

為了解決電子標簽埋地安裝以后現(xiàn)場尋找困難這一實際工程應用問題，本文提出一種地上與地下相結合的兩級搜索定位的方法。首先，電子標簽安裝時記錄地上精確位置信息與場景輔助信息，即探測儀采用“高精度雙頻GPS差分定位+現(xiàn)場圖像采集”的方式對電子標簽安裝位置進行初步定位，如果在空曠的野外，雙頻GPS差分定位模塊可以獲取足夠的定位精度；如果在遮擋較嚴重的城市街區(qū)，通過探測儀前后兩個高清攝像頭獲取安裝點的圖像和視頻數據，并結合地圖街景大數據對安裝點的經緯度坐標進一步修正，從而實現(xiàn)較高的定位精度。

通過上述方法將電子標簽安裝位置鎖定在一個較小的范圍內，然后通過探測儀在該區(qū)域內進行搜尋探測，最終確定電子標簽的精確安裝位置和埋設深度。探測儀采用一主多從的探測模塊陣列化布局方案，如圖1所示，共有6個獨立通道，每個通道都有1套獨立的射頻收發(fā)模塊，支持并行工作。通過上文提到的差分GPS與視頻AI輔助修正的方法鎖定電子標簽安裝時記錄的位置，先進行現(xiàn)場搜尋探測，此時使用最大的主天線進行大范圍搜尋。當探測儀搜索到電子標簽以后，再依次分別使用1～5號子天線進行定位探測，進一步確定標簽的方位，并在顯示屏上給予提示；用戶按照探測儀屏幕顯示的規(guī)劃路線進行巡檢，探測儀會記錄巡檢軌跡上的信號能量曲線，同時探測儀使用內置的解析模型實時計算電子標簽的可能位置，當軟件模型計算出探測儀當前位置無限接近于真實位置時就會發(fā)出告警提示聲音。

（二）自動校準功能設計

本文所述的探測儀包含6個獨立的諧振單元，只有諧振電路元器件參數保持恒定不變，諧振電路才能穩(wěn)定保持在最佳諧振狀態(tài)。然而，元器件參數隨著溫度和時間變化不可避免地會發(fā)生一定的漂移，下面以諧振單元中天線的電感值作為變量進行簡單的舉例分析。在Pspice仿真軟件中搭建仿真電路如圖2所示。

假設諧振單元的其他器件參數固定不變，理論計算以及仿真數據表明，當天線線圈L3電感值為173uH時，諧振效果最佳，天線線圈ANT1端電壓最大值可以達到140V。當天線線圈L3電感值減少到170uH時，諧振效果明顯變差，電路穩(wěn)定以后天線線圈ANT1端電壓最大值降到50V以下。當天線線圈L3電感值增加到176uH時，諧振效果也明顯變差，電路穩(wěn)定以后天線線圈ANT1端電壓最大值降到約60V。類似地，當諧振網絡的匹配電容參數發(fā)生變化時，天線線圈兩端的諧振電壓也會有相應的衰減，這里不再做具體分析。

為了解決上述問題，本文所述探測儀為6個獨立的諧振單元均設計了自動校準功能，通過點擊探測儀主菜單“一鍵校準”按鈕即可實現(xiàn)各個諧振單元參數校準功能，確保諧振單元處于最佳匹配狀態(tài)。啟動“一鍵校準”功能時，探測儀各個諧振單元會在預設頻段范圍內進行循環(huán)掃頻，通過采集線圈諧振電壓幅值判斷該諧振單元當前的最佳諧振頻率，然后根據該諧振頻率與目標頻率之間的差換算出元器件參數漂移量，最后通過數字開關切換可調補償網絡的檔位，使諧振頻率重新恢復到目標區(qū)間，進而實現(xiàn)諧振頻率校準的功能。該功能可以很好地解決了因元器件參數漂移導致探測性能下降的問題。為了避免相互影響，探測儀各個諧振單元分時進行校準，校準操作完成后，相關配置存入探測儀主板存儲器，確保斷電后配置參數不丟失。

（三）標簽埋深精確測量

為了獲取被電子標簽標記對象的準確位置，以及地下空間是否發(fā)生明顯沉降等信息，本文所述探測儀開發(fā)了電子標簽埋設深度精確測量的功能。由于電子標識埋設在不同地方，電子標簽周圍的介質特性有差異，對電磁場的衰減也會有差異，對精確測量電子標簽埋深形成較大挑戰(zhàn)。所述探測儀采用機器學習的方法，將事先訓練好的模型導入所述探測儀，探測儀在現(xiàn)場未安裝電子標簽的區(qū)域進行探測作為環(huán)境參數，再根據機器學習方法計算出電子標簽的準確埋深。該方法適用于各種復雜環(huán)境，不管是安裝環(huán)境溫度或者濕度發(fā)生怎樣變化，只需要先在電子標簽埋設地附近采集空白區(qū)（即未安裝電子標簽的區(qū)域）環(huán)境介質參數即可。

為了提升探測儀的有效探測距離，本文所述探測儀通過卡爾曼濾波、小波變換等小信號分析處理手段，提取信號特征量，從接收到的微弱的失真信號中獲取目標信號信息，并與標準信號進行匹配，從而可以實現(xiàn)從微弱信號中準確還原出真實信號，進而大大提升探測儀的抗干擾性能和有效識讀距離。

三、功能拓展應用舉例

（一）多協(xié)議助力一機多用

為了拓展探測儀的功能以及應用范圍，本文所述探測儀設計了藍牙、Lora、ZigBee等無線通信功能，并且支持多種物聯(lián)網通信協(xié)議，通過藍牙、Lora、ZigBee等無線通信模塊喚醒現(xiàn)場安裝的物聯(lián)網設備，用戶無需知道設備的具體安裝位置，只需通過探測儀顯示屏就可以實時查看周邊物聯(lián)網設備的狀態(tài)、數據以及歷史數。因此，所述探測儀可用于戶外安裝物聯(lián)網設備的巡檢、現(xiàn)場維護以及歷史數據查看，真正實現(xiàn)一機多用，下文簡稱為多功能探測儀。此外，所述探測儀還配備2個高清廣角攝像頭，同時搭載5G通信模組，可以實時將現(xiàn)場作業(yè)視頻上傳到后臺服務器，通過云端的AI平臺對作業(yè)現(xiàn)場進行風險提示和安全監(jiān)管。

（二）系統(tǒng)組成

多功能探測儀電路系統(tǒng)結構如圖3所示，每臺探測儀由1個多核主控單元、1個藍牙通信模塊、1個聲光報警模塊（揚聲器、指示燈以及相應驅動電路）、1個液晶顯示模塊（支持觸屏）、RFID探測模塊陣列1組（默認包含1主5從共計6個獨立的探測模塊）、1個數據存儲模塊（用于存儲數據、圖像和視頻等信息）、1個5G通信模塊、2個高清攝像頭模組、1個高精度雙頻GPS定位模塊、1個Zigbee通信模塊、1個WIFI通信模塊、1個Lora通信模塊、1個機械按鍵模塊、1個電源管理模塊和1個鋰電池組構成。所述多功能探測儀主控單元支持Android、IOS以及HarmonyOS等主流操作系統(tǒng)，通過在所述多功能探測儀上安裝App軟件，可以實現(xiàn)對各個功能模塊的選擇性開啟和關閉，保證在滿足使用需求的前提下盡可能降低系統(tǒng)功耗。5G通信模塊作為多功能探測儀與云平臺的橋梁，為現(xiàn)場視頻、圖像、探測以及傳感器數據傳輸提供了一個重要通道，基于此平臺可以開發(fā)功能多樣的App以滿足實際工作需要。

（三）應用場景舉例

探測儀應用App舉例說明1：開發(fā)一款電子標簽巡檢App，電子標簽在現(xiàn)場首次安裝時，將設備經緯度坐標、電子標簽ID號、標識對象（管線）等信息做綁定并上報到云端服務器，后期用戶使用探測儀探測到該電子標簽ID號，即可從云端服務器調取相應關聯(lián)信息。此外，在電子標簽巡檢App上增加巡檢工單派發(fā)功能模塊，通過后臺服務器將巡檢任務下發(fā)到指定的探測儀，并可以實時查看工單完成進度。打開電子標簽巡檢App進行現(xiàn)場標簽探測時，App根據搜集到的各通道探測數據和能量信息，結合定制開發(fā)的定位分析算法，對電子標識器可能埋設的方向進行預測，并在探測儀上給出語音和動畫導航提示。當探測儀移動到電子標簽正上方時，App會及時發(fā)出語音和動畫提醒，告知工作人員當前已成功鎖定電子標簽的安裝位置。

探測儀應用App舉例說明2：開發(fā)一款物聯(lián)網設備檢修App，在檢修現(xiàn)場打開App，選擇需要的物聯(lián)網設備類型以及協(xié)議類型，然后勾選設備故障診斷功能，App會自動打開對應的通信模塊，按照用戶選擇的通信協(xié)議發(fā)送喚醒以及診斷控制命令，根據現(xiàn)場物聯(lián)網設備返回的數據，結合云端專家診斷系統(tǒng)給出故障原因以及處理措施提示。

探測儀應用App舉例說明3：開發(fā)一款作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)管App，現(xiàn)場作業(yè)時打開相應App，作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)管App會自動語音播報現(xiàn)場作業(yè)須知與安全提醒。與此同時，作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)管App會自動打開前后兩側攝像頭進行視頻拍攝，作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)管App基于人工智能算法實時對視頻進行分析，對視頻里的危險作業(yè)區(qū)域進行劃定，無關人員進入作業(yè)區(qū)域進行語音提醒，現(xiàn)場作業(yè)人員進行不規(guī)范操作時也會及時給予語音提醒，同時作業(yè)全過程會實時上傳到云端服務器，便于進行遠程監(jiān)督與指導。

探測儀每次開機時都會對各個功能模塊進行自檢，同時對RFID探測模塊陣列執(zhí)行校準操作，確保設備始終處于穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常則給予警告提示，同時將告警日志推送到后臺服務器，便于指揮中心做統(tǒng)一調度管理。

四、結語

綜上所述，本文從工程應用實際問題出發(fā)，將RFID技術與物聯(lián)網技術有機結合，提供了一種用于地下設施可視化管理的解決方案。本方案創(chuàng)新性地提出了一種地上地下兩級定位方法，并將機器學習算法應用于電子標簽定位領域，通過該方法可以快速獲取埋地電子標簽的精確位置，為產品推廣和工程應用奠定了堅實的基礎。此外，本文所述的多功能探測儀采用模塊化設計架構，是一個擴展性很強的嵌入式平臺，結合不同領域的具體應用需求，可以通過選擇性搭載相應的軟件和硬件模塊來豐富產品功能，為產品差異化打造以及后續(xù)的升級迭代提供了很多便利。

參考文獻：

[1]崔希國，袁韓安.基于RFID的煤礦設備巡檢系統(tǒng)設計[J].工礦自動化，2018，44（10）：77-80.

[2]邱華卿.RFID 智能標簽的應用及發(fā)展[J].印刷雜志，2018，（02）：9-12.

[3]張小紅，張留洋.無源RFID自適應幀時隙防碰撞算法研究[J].電子學報， 2016，44（09）：2211-2218.

作者簡介：姓名：馬玉林（1988），男，河南省信陽市人，碩士，高級工程師，研究方向為物聯(lián)網設備與系統(tǒng)。