無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)

黃建華 李堅(jiān)

摘? 要：采用無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行輸電線路巡檢可以顯著提高巡檢成效和質(zhì)量，成為構(gòu)筑能源互聯(lián)網(wǎng)的重要保障，而將專用RFID識(shí)讀設(shè)備搭載于適宜的無(wú)人機(jī)上，可以快速獲取目標(biāo)（如輸電線路及桿塔）的標(biāo)簽信息，進(jìn)而為缺陷數(shù)據(jù)等分析工作的開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支撐。文章研究并設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)專用的RFID識(shí)讀設(shè)備，介紹了該設(shè)備的工作流程、具體設(shè)計(jì)，實(shí)際使用證明，該設(shè)備可以較好地完成工作要求。

關(guān)鍵詞：RFID識(shí)讀設(shè)備;無(wú)人機(jī);雙級(jí)化抗風(fēng)阻天線;鋰電池

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(guò)程中存在的安全隱患、突發(fā)事件及限制因素，人工巡檢仍然是不少地區(qū)輸電線路巡檢的主要方式，即沿著輸電線路走廊派專業(yè)的巡檢人員駕車或徒步，采用親自登塔或雙眼觀測(cè)的方式來(lái)進(jìn)行巡檢。在實(shí)際操作中，人工巡檢存在著系列難以克服的缺點(diǎn)，如工作效率低、工作強(qiáng)度大且環(huán)境惡劣等，輸電線路巡檢工作逐漸由人工密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變（表1為輸電線路人工巡檢和無(wú)人機(jī)巡檢的對(duì)比），而無(wú)人機(jī)的迅猛發(fā)展正好為輸電線路巡檢提供了新思路。從經(jīng)濟(jì)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(fèi)2～3個(gè)工作日，而且在巡檢過(guò)程中可能因蛇蟲(chóng)侵?jǐn)_等影響巡檢效率;無(wú)人機(jī)巡檢只需要投入1名巡檢人員，耗費(fèi)約1小時(shí)即可完成，并且在巡檢過(guò)程中不容易受各種未知因素的影響而拖延巡檢效率?，F(xiàn)階段國(guó)網(wǎng)投入使用的各類無(wú)人機(jī)已經(jīng)超過(guò)2 000架，對(duì)于人工巡檢中較難發(fā)現(xiàn)的輸電線路隱患已經(jīng)有了很好的解決方案，未來(lái)人工巡檢必然會(huì)轉(zhuǎn)變到人機(jī)協(xié)同，并最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化巡檢，到時(shí)巡檢人員只需要在后臺(tái)匯總并分析無(wú)人機(jī)傳回來(lái)的各類巡檢數(shù)據(jù)即可，徹底實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢模式的變革。

RFID識(shí)讀設(shè)備是輸電線路無(wú)人機(jī)智能巡檢的重要組成部分，但現(xiàn)階段便攜式RFID識(shí)讀設(shè)備主要以傳統(tǒng)的手持機(jī)為主，它集成了手持機(jī)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(hù)結(jié)構(gòu)和嚴(yán)密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐，使其重量大、成本高、體積大的缺陷極為突出，嚴(yán)重制約了其在輸電線路無(wú)人機(jī)智能巡檢中的應(yīng)用，故輕量化、小型化、低成本化及智能化將成為無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的未來(lái)發(fā)展方向。如表1所示。

1? 無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的工作流程

無(wú)人機(jī)RFID巡檢首先由智芯提出，前期主要是針對(duì)無(wú)人機(jī)RFID巡檢應(yīng)用中的配電雙向電子標(biāo)簽的驗(yàn)證。但在驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)起飛后對(duì)射頻干擾極其嚴(yán)重，同時(shí)無(wú)人機(jī)巡檢存在市場(chǎng)應(yīng)用需求，因此本企業(yè)開(kāi)始了無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的設(shè)計(jì)。

該產(chǎn)品研發(fā)總共分為6個(gè)階段，包含初期的驗(yàn)證配電雙向電子標(biāo)識(shí)無(wú)人機(jī)識(shí)讀而進(jìn)行的設(shè)備研發(fā)，后智芯提出正式研發(fā)無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備而正式前后產(chǎn)開(kāi)了5代產(chǎn)品的研發(fā)，其中包含采用不同無(wú)人機(jī)機(jī)型和不同識(shí)讀模塊及識(shí)讀天線的深度研發(fā)工作。

一套完整的無(wú)人機(jī)RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、識(shí)讀設(shè)備和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等三個(gè)部分構(gòu)成，工作時(shí)，當(dāng)電子標(biāo)簽接收到識(shí)讀設(shè)備發(fā)來(lái)的無(wú)線射頻電波并轉(zhuǎn)化為工作電能，啟動(dòng)內(nèi)部芯片的電路工作后發(fā)射出自身存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)，識(shí)讀設(shè)備接收到這些信息數(shù)據(jù)后進(jìn)行解碼、轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。作為無(wú)人機(jī)RFID系統(tǒng)的重要組成部分，本文中無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的工作流程如圖1所示。

具體而言，無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的工作流程大致包含如下三個(gè)部分：

（1）準(zhǔn)備工作。無(wú)人機(jī)通電啟動(dòng)后，RFID識(shí)讀設(shè)備隨機(jī)通電啟動(dòng);

（2）無(wú)人機(jī)起飛。無(wú)人機(jī)通過(guò)無(wú)人機(jī)控制器操作飛行至指定飛行區(qū)，操作人員通過(guò)無(wú)人機(jī)控制器配件控制模塊來(lái)控制識(shí)讀設(shè)備天線舵機(jī)，讓天線指向識(shí)讀標(biāo)簽，隨后識(shí)讀設(shè)備讀取電子標(biāo)簽信息，并將識(shí)讀信息通過(guò)無(wú)線傳輸至地面接收端，由地面接收端系統(tǒng)顯示;

（3）無(wú)人機(jī)返航。電子標(biāo)簽識(shí)讀完畢后，識(shí)讀設(shè)備天線歸位，無(wú)人機(jī)返航，待無(wú)人機(jī)安全降落至地面后，操作人員關(guān)閉無(wú)人機(jī)和識(shí)讀設(shè)備的電源。

2? 無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的具體設(shè)計(jì)

2.1? 無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的架構(gòu)

如圖2所示，無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備整體上由機(jī)載及地面接收兩個(gè)部分構(gòu)成：

（1）機(jī)載部分。機(jī)載部分包含雙極化抗風(fēng)阻天線、天線舵機(jī)（可水平、垂直控制天線方向）、射頻識(shí)讀主控、射頻識(shí)讀模塊、鋰電池、無(wú)線傳輸控制器、無(wú)線傳輸天線等幾個(gè)部分;

（2）地面接收部分。地面接收部分包含地面數(shù)傳模塊和數(shù)據(jù)接收模塊等兩個(gè)模塊。

2.2? 無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的主要參數(shù)

2.2.1? 識(shí)讀模塊

無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該模塊的主要參數(shù)如下：射頻通道基于Impinj R2000;最大支持功率33 dBm，支持可調(diào)節(jié);接收靈敏度≤-80;協(xié)議支持：支持ISO 18000-6C/EPC G1G2、GB/T29768-2013（可拓展支持）協(xié)議;優(yōu)化識(shí)別算法，提供最高識(shí)別效率;高速輪詢雙極化天線，每個(gè)天線最短輪詢時(shí)間約25 ms;可單獨(dú)配置個(gè)天線的輪詢時(shí)間;軟硬件自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);支持無(wú)線通訊傳輸識(shí)讀數(shù)據(jù);防護(hù)等級(jí)IP65;重量2.45 kg。

2.2.2? 雙極化抗風(fēng)阻天線

雙極化抗風(fēng)阻天線的結(jié)構(gòu)如圖4所示，該部分的主要參數(shù)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(hù)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(fēng)強(qiáng)度為60 m/s，重量為0.25 kg。

2.3? 無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的改進(jìn)

2.3.1? 第一代基于中航金城無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備研發(fā)

基于中航金城無(wú)人機(jī)研發(fā)的專用RFID識(shí)讀設(shè)備，優(yōu)化識(shí)讀模塊及八木天線，研究如何實(shí)現(xiàn)降低無(wú)人機(jī)起飛后的電磁干擾，最終該版本無(wú)法滿足應(yīng)用性能需求。

該階段使用設(shè)備：中航金城電動(dòng)無(wú)人機(jī);八木天線，增益8 dBi;基于R2000研發(fā)的識(shí)讀模塊（帶濾波器），最大支持功率33 dBm，測(cè)試使用功率33 dBm。

2.3.2? 第二代基于中航金城無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備研發(fā)

基于中航金城無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備的二代產(chǎn)品，其中主要優(yōu)化了八木天線，使用陣列4八木，提高天線增益，從而中和無(wú)人機(jī)的干擾，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景識(shí)讀距離需求，在測(cè)試中，無(wú)人機(jī)小角度（水平夾角45°）識(shí)讀配電標(biāo)簽可達(dá)18 m，大角度（水平夾角60°）識(shí)讀配電標(biāo)簽可達(dá)15 m。

該階段使用設(shè)備：中航金城電動(dòng)無(wú)人機(jī);四陣列八木天線，增益14 dBi;基于R2000研發(fā)的識(shí)讀模塊（帶濾波器），最大支持功率33 dBm，測(cè)試使用功率33 dBm。

2.3.3? 第三代基于蜂巢無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備研發(fā)（趨向產(chǎn)品化）

在前幾代產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，本代產(chǎn)品基于蜂巢無(wú)人機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，增加天線舵機(jī)，并整體集成化，內(nèi)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(jìn)行一定的中和無(wú)人機(jī)的干擾，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景識(shí)讀距離需求，在測(cè)試中，無(wú)人機(jī)小角度（水平夾角45°）識(shí)讀配電標(biāo)簽可達(dá)20 m，大角度（水平夾角60°）識(shí)讀配電標(biāo)簽可達(dá)18 m。

該階段使用設(shè)備：蜂巢（品牌）電動(dòng)無(wú)人機(jī);八木天線，增益15 dBm;一體化基于R2000研發(fā)的識(shí)讀模塊，最大支持功率33 dBm，測(cè)試使用功率30 dBm，內(nèi)置電源及電磁屏蔽系統(tǒng);天線舵機(jī)系統(tǒng);無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)。

2.3.4? 第四代基于大疆M600無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備研發(fā)

在上代產(chǎn)品的成果下，本代產(chǎn)品基于大疆M600無(wú)人機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，優(yōu)化無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀模塊大小及重量，同時(shí)縮小天線長(zhǎng)度，并將單八木天線優(yōu)化為雙極化同軸交叉八木天線，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景識(shí)讀距離需求，在測(cè)試中，無(wú)人機(jī)小角度（水平夾角45°）識(shí)讀配電標(biāo)簽可達(dá)19 m，大角度（水平夾角60°）識(shí)讀配電標(biāo)簽可達(dá)17 m。本代產(chǎn)品縮小識(shí)讀設(shè)備體積和天線長(zhǎng)度，提高了電磁兼容性，降低無(wú)人機(jī)對(duì)識(shí)讀模塊的干擾。

該階段使用設(shè)備：大疆M600電動(dòng)無(wú)人機(jī);雙極化同軸交叉八木天線，增益11 dBi;基于R2000研發(fā)的識(shí)讀模塊，最大支持功率33 dBm，測(cè)試使用功率30 dBm，內(nèi)置電源及電磁屏蔽系統(tǒng);天線舵機(jī)系統(tǒng);無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)。

2.3.5? 第五代基于大疆M300及兼容其他品牌無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備研發(fā)

根據(jù)各網(wǎng)省的實(shí)際無(wú)人機(jī)使用情況，要求制作體積和重量更小的無(wú)人機(jī)RFID識(shí)讀設(shè)備，可適配大多數(shù)品牌的無(wú)人機(jī)，因此未來(lái)將從如下方面著手來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)專用RFID識(shí)讀設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化：識(shí)讀設(shè)備小型化，可安裝與大疆M300大小機(jī)型上;識(shí)讀設(shè)備可與無(wú)人機(jī)攝像頭兼容，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接;識(shí)讀設(shè)備性能滿足應(yīng)用需求;識(shí)讀設(shè)備天線舵機(jī)可上下方向可調(diào)整;識(shí)讀設(shè)備識(shí)讀數(shù)據(jù)通訊可與無(wú)人機(jī)對(duì)接，同時(shí)具有獨(dú)立性，可獨(dú)立與地面系統(tǒng)對(duì)接;識(shí)讀設(shè)備具備完善的標(biāo)準(zhǔn)接口，可滿足應(yīng)用場(chǎng)景的二次開(kāi)發(fā)和對(duì)接。

3? 結(jié)? 論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，RFID技術(shù)聯(lián)合智能化數(shù)據(jù)采集裝置開(kāi)始友好地應(yīng)用到無(wú)人機(jī)輸電線路巡檢中，巡檢完畢后，無(wú)人機(jī)上攜帶的專用RFID識(shí)讀設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)傳輸?shù)较嚓P(guān)管理部門，管理者可通過(guò)后臺(tái)查看相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而展開(kāi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、處理和匯總工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邵瑰瑋，劉壯，付晶，談家英，陳怡，周立瑋.架空輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)研究進(jìn)展 [J].高電壓技術(shù)，2020，46（1）：14-22.

[2] 李君海，張苗苗，熊道洋.基于實(shí)時(shí)信息傳輸技術(shù)的無(wú)人機(jī)巡檢管控平臺(tái) [J].測(cè)繪與空間地理信息，2020，43（6）：165-167+171.

[3] 蘇豐，陸志浩，毛穎科，吳劍敏，夏云永.基于RFID技術(shù)的變電站運(yùn)行巡檢管理系統(tǒng) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2020，28（3）：129-132+137.

[4] 王茜，凌偉星.射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用 [J].經(jīng)營(yíng)與管理，2010（3）：46-47.

[5] 楊大鵬，張丕狀，姚金杰.基于RFID無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2020，39（5）：55-60.

[6] 高晶，郭志帥.基于RFID技術(shù)的四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2021，29（8）：114-118+124.

作者簡(jiǎn)介：黃建華（1968.11—），男，漢族，江西高安人，工程師，同濟(jì)大學(xué)本科，研究方向：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)RFID、RFID+、RFID與傳感器相結(jié)合在大行業(yè)的深化應(yīng)用。