新型雙芯片射頻識(shí)別地下電纜定位電子標(biāo)簽的研制

徐友剛，周 青，張紅燕，陳亞杰

(國(guó)網(wǎng)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(wǎng)的命脈，是現(xiàn)代化城市高效率、高質(zhì)量運(yùn)作的重要保障之一。近年來(lái)，因城市建設(shè)、道路擴(kuò)寬工程量增加，大量挖機(jī)施工導(dǎo)致電纜外破事故頻發(fā)?，F(xiàn)有技術(shù)電纜定位檢測(cè)依托金屬探測(cè)器與圖紙結(jié)合方法，由于受城市地層地基鋼筋、管網(wǎng)影響，金屬探測(cè)器難以準(zhǔn)確探測(cè)，導(dǎo)致電纜實(shí)際位置定位不準(zhǔn)，外破事故頻發(fā)的痛點(diǎn)難以根治，極大影響了電纜供電可靠性[1-4]?，F(xiàn)在的射頻電子標(biāo)簽技術(shù)已經(jīng)具備了無(wú)源探測(cè)電纜位置的能力，然而現(xiàn)有技術(shù)只能標(biāo)記大概位置，無(wú)法精確描述具體電纜信息，另外對(duì)于電纜故障征兆或故障后的定位也不具備預(yù)警或檢測(cè)能力，需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。

1 地下電纜精準(zhǔn)定位的意義

目前，大部分地下管網(wǎng)采用了直埋方式。對(duì)于故障地下管網(wǎng)的找尋方法大多采取地面標(biāo)識(shí)物識(shí)別或應(yīng)用其他定位儀器查找，在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中時(shí)常存在以下幾個(gè)問(wèn)題致使因無(wú)法確定電纜路徑進(jìn)而使故障排除工作陷入僵局。

(1)地面標(biāo)識(shí)物缺失。由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，市政建設(shè)、房屋建筑、道路、綠化及各種管線建設(shè)對(duì)地理環(huán)境引起諸多變化，導(dǎo)致原有管線的地上標(biāo)識(shí)物已經(jīng)缺失，無(wú)法再利用當(dāng)初的標(biāo)識(shí)物或圖紙相關(guān)參照物進(jìn)行對(duì)照找尋管線路徑。

(2)電纜定位誤差較大。傳統(tǒng)地下管線探測(cè)設(shè)備易受到金屬物、強(qiáng)電場(chǎng)等環(huán)境影響，另外信號(hào)接入條件不同造成的檢測(cè)誤差較大，雖然動(dòng)用各種儀器查找，但效果皆不理想。

2 射頻識(shí)別技術(shù)電子標(biāo)簽原理

2.1 射頻識(shí)別技術(shù)無(wú)線傳輸原理

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，簡(jiǎn)稱RFID)技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)[5-7]。

RFID的基本工作原理為：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。一套完整的 RFID 系統(tǒng), 是由閱讀器 (Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也即所謂的應(yīng)答器(Transponder)、天線、中間件(Middleware)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)5個(gè)部分所組成。RFID通信原理如圖1所示[5-7]。

利用 RFID技術(shù)研制的地下電子信息標(biāo)識(shí)器可以有效地應(yīng)用于地下管網(wǎng)的日常維護(hù)管理工作之中。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，預(yù)先在地下管網(wǎng)埋設(shè)的過(guò)程中安放地下電子標(biāo)識(shí)器，在日后的維護(hù)工作中，就能以非開(kāi)挖的方式輕松地找到該電纜的相關(guān)信息，并且標(biāo)識(shí)器探測(cè)識(shí)讀設(shè)備利用的是 RFID 識(shí)讀技術(shù)，根據(jù)標(biāo)識(shí)器反映的信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)精準(zhǔn)定位和查找地下管網(wǎng)，從而有效克服了傳統(tǒng)探測(cè)設(shè)備受天氣、金屬、地質(zhì)等條件影響的局限性。

從電子標(biāo)簽到讀寫(xiě)器之間的通信及能量感應(yīng)方式來(lái)看，RFID系統(tǒng)一般可以分成兩類，即電感耦合系統(tǒng)和電磁反向散射耦合系統(tǒng)。電感耦合通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，一般適合于中、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)。電磁反向散射耦合，即雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律，一般適合于超高頻、高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。電子標(biāo)簽進(jìn)入天線磁場(chǎng)后，若接收到讀寫(xiě)器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(無(wú)源標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(有源標(biāo)簽)，讀寫(xiě)器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2.2 現(xiàn)有RFID系統(tǒng)位置定位局限性

目前射頻電子標(biāo)簽技術(shù)已經(jīng)具備了無(wú)源探測(cè)電纜位置的功能，然而現(xiàn)有技術(shù)只能標(biāo)記大概位置，無(wú)法精確描述具體電纜信息，另外對(duì)于電纜故障征兆或故障后的定位，也不具備預(yù)警或檢測(cè)能力，需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。

3 新型雙芯片RFID電纜定位芯片設(shè)計(jì)方案

該方案的電路結(jié)構(gòu)由射頻電子標(biāo)簽1、雙向反射器2 、射頻電子標(biāo)簽3、底面反射器4、柔性導(dǎo)電墊5、穩(wěn)壓二極管D1、溫度開(kāi)關(guān)S1、溫度開(kāi)關(guān)S2、穩(wěn)壓二極管D2構(gòu)成，射頻電子標(biāo)簽1、射頻電子標(biāo)簽3為頻率相同的射頻電子標(biāo)簽，分別設(shè)置與于向反射器2的焦點(diǎn)位置，雙向反射器2設(shè)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(jié)構(gòu)，由金屬材料構(gòu)成，其反面粘貼柔性導(dǎo)電墊5。射頻電子標(biāo)簽1的一個(gè)發(fā)射電極與底面反射器4電連接，另一個(gè)發(fā)射電極與穩(wěn)壓二極管D1正向串聯(lián)后，與底面反射器4電連接，射頻電子標(biāo)簽1的兩個(gè)發(fā)射電極之間接有溫度開(kāi)關(guān)S1；射頻電子標(biāo)簽3的一個(gè)發(fā)射電極與底面反射器4電連接，另一個(gè)發(fā)射電極與穩(wěn)壓二極管D2反向串聯(lián)后，與底面反射器4電連接，射頻電子標(biāo)簽3的兩個(gè)發(fā)射電極之間接有溫度開(kāi)關(guān)S2 ，溫度開(kāi)關(guān)S1與溫度開(kāi)關(guān)S2為常開(kāi)型。新型RFID芯片結(jié)構(gòu)和芯片電路結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

現(xiàn)有技術(shù)借助射頻電子標(biāo)簽定位時(shí)，由于電子標(biāo)簽型號(hào)的全向特性，一個(gè)電子標(biāo)簽的信號(hào)在數(shù)十米范圍內(nèi)均能探測(cè)到，這就失去了精確定位電纜位置的能力，而金屬探測(cè)器更是難以識(shí)別金屬物品形態(tài)。本方案通過(guò)雙向反射器，采用獨(dú)特的信號(hào)反射加強(qiáng)技術(shù)，并且整合兩個(gè)相同的電子標(biāo)簽分別向兩邊傳輸信號(hào)，使得整個(gè)電子標(biāo)簽系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋面呈現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)別更加精準(zhǔn)，將地面的探測(cè)誤差減少到0.5 m以內(nèi)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了幾十米長(zhǎng)電纜的全覆蓋定位檢測(cè)。現(xiàn)有技術(shù)由于射頻信號(hào)全向發(fā)射且信號(hào)幅值小，需要每隔數(shù)米就放置一個(gè)定位標(biāo)簽，本方案利用柔性導(dǎo)電墊與射頻電子標(biāo)簽天線電極連接，再利用導(dǎo)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(hào)地線，從而使信號(hào)傳輸距離大幅延長(zhǎng)，使得無(wú)源的電子標(biāo)簽也能實(shí)現(xiàn)沿著電纜幾十米的感應(yīng)距離，同時(shí)也進(jìn)一步提升了定位精度。

此外，利用穩(wěn)壓二極管的設(shè)置，一旦電纜發(fā)生故障，接地電流流過(guò)導(dǎo)電墊，工頻電流會(huì)通過(guò)二極管擦除電子標(biāo)簽內(nèi)的存儲(chǔ)信息，這樣故障后只要沿著電纜用手持讀寫(xiě)器探測(cè)，一段電纜收不到電子標(biāo)簽的信號(hào)，就精確地顯示出了故障點(diǎn)位置，如果電纜是直流電纜，則還能通過(guò)電子標(biāo)簽中的哪一個(gè)信息擦除來(lái)判斷故障電流來(lái)向，進(jìn)一步精確判斷故障位置。穩(wěn)壓二極管的電壓鉗制作用，可使一般的接地電流不流過(guò)電子標(biāo)簽，具有防止外部故障誤損壞電子標(biāo)簽的功能。還可進(jìn)一步利用熱敏溫度開(kāi)關(guān)接通/斷開(kāi)無(wú)源電子標(biāo)簽的射頻天線，實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警，一旦電纜溫度越限，只要人工定期沿著電纜用手持讀寫(xiě)器探測(cè)，一段電纜收不到電子標(biāo)簽的信號(hào)，就精確地顯示出了發(fā)熱點(diǎn)位置，而射頻電子標(biāo)簽的價(jià)格僅為現(xiàn)有技術(shù)無(wú)線溫度傳感器的幾百分之一，體現(xiàn)出極好的實(shí)用性，使配網(wǎng)電纜的溫度監(jiān)控成為可能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了RFID芯片功能的擴(kuò)展，即通過(guò)雙芯片信號(hào)定向反射，使地面形成長(zhǎng)條形的信號(hào)覆蓋區(qū)域，從而使電纜地面定位檢測(cè)精度提升，不可通過(guò)輔助元件的加入，使之具備故障定位、超溫報(bào)警等輔助功能，具有較好的實(shí)用性。