RFID技術(shù)在地下設(shè)施可視化管理中的應(yīng)用

摘要：為了解決用于標(biāo)識管線信息的電子標(biāo)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(jié)合的方案進(jìn)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(biāo)簽在水平方向的精確位置，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法精確獲得電子標(biāo)簽在垂直方向的精確埋深。為了降低元器件參數(shù)漂移對探測模塊性能造成的影響，設(shè)計自動補(bǔ)償校準(zhǔn)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(kuò)展應(yīng)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(jìn)一步豐富了探測儀的功能。

關(guān)鍵詞：RFID；差分GPS；自動補(bǔ)償校準(zhǔn)；探測儀

一、射頻識別技術(shù)概述

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），是自動識別技術(shù)的一種，通過無線方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對記錄媒體（電子標(biāo)簽或射頻卡）進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到識別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的。隨著射頻識別技術(shù)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(biāo)識定位是智慧城市典型應(yīng)用之一。完整的RFID系統(tǒng)由讀寫器（Reader）、電子標(biāo)簽（Tag）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成。

根據(jù)工作頻率的不同，電子標(biāo)簽可分為低頻（LF）標(biāo)簽、高頻（HF）標(biāo)簽、超高頻（UHF）標(biāo)簽以及微波標(biāo)簽。低頻標(biāo)簽和高頻標(biāo)簽一般是基于電磁耦合的工作原理，而超高頻標(biāo)簽以及微波標(biāo)簽一般基于電磁波反向散射原理。用于標(biāo)識埋地管線等地下設(shè)施關(guān)鍵信息的電子標(biāo)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(zhì)對電子標(biāo)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(shè)深度的增加，在實際應(yīng)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(shè)電子標(biāo)簽，以及無法準(zhǔn)確定位電子標(biāo)簽的埋設(shè)位置和埋設(shè)深度等，這些問題為埋地電子標(biāo)簽工程應(yīng)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(zhǔn)定位

（一）平面快速定位方案設(shè)計

為了解決電子標(biāo)簽埋地安裝以后現(xiàn)場尋找困難這一實際工程應(yīng)用問題，本文提出一種地上與地下相結(jié)合的兩級搜索定位的方法。首先，電子標(biāo)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(biāo)簽安裝位置進(jìn)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(yán)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(diǎn)的圖像和視頻數(shù)據(jù)，并結(jié)合地圖街景大數(shù)據(jù)對安裝點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)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(biāo)簽安裝位置鎖定在一個較小的范圍內(nèi)，然后通過探測儀在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜尋探測，最終確定電子標(biāo)簽的精確安裝位置和埋設(shè)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(dú)立通道，每個通道都有1套獨(dú)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(biāo)簽安裝時記錄的位置，先進(jìn)行現(xiàn)場搜尋探測，此時使用最大的主天線進(jìn)行大范圍搜尋。當(dāng)探測儀搜索到電子標(biāo)簽以后，再依次分別使用1～5號子天線進(jìn)行定位探測，進(jìn)一步確定標(biāo)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(jìn)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(nèi)置的解析模型實時計算電子標(biāo)簽的可能位置，當(dāng)軟件模型計算出探測儀當(dāng)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(zhǔn)功能設(shè)計

本文所述的探測儀包含6個獨(dú)立的諧振單元，只有諧振電路元器件參數(shù)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(shù)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(jìn)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(shè)諧振單元的其他器件參數(shù)固定不變，理論計算以及仿真數(shù)據(jù)表明，當(dāng)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(dá)到140V。當(dāng)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(dāng)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(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)的匹配電容參數(shù)發(fā)生變化時，天線線圈兩端的諧振電壓也會有相應(yīng)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(dú)立的諧振單元均設(shè)計了自動校準(zhǔn)功能，通過點(diǎn)擊探測儀主菜單“一鍵校準(zhǔn)”按鈕即可實現(xiàn)各個諧振單元參數(shù)校準(zhǔn)功能，確保諧振單元處于最佳匹配狀態(tài)。啟動“一鍵校準(zhǔn)”功能時，探測儀各個諧振單元會在預(yù)設(shè)頻段范圍內(nèi)進(jìn)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(dāng)前的最佳諧振頻率，然后根據(jù)該諧振頻率與目標(biāo)頻率之間的差換算出元器件參數(shù)漂移量，最后通過數(shù)字開關(guān)切換可調(diào)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的檔位，使諧振頻率重新恢復(fù)到目標(biāo)區(qū)間，進(jìn)而實現(xiàn)諧振頻率校準(zhǔn)的功能。該功能可以很好地解決了因元器件參數(shù)漂移導(dǎo)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(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)操作完成后，相關(guān)配置存入探測儀主板存儲器，確保斷電后配置參數(shù)不丟失。

（三）標(biāo)簽埋深精確測量

為了獲取被電子標(biāo)簽標(biāo)記對象的準(zhǔn)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(biāo)簽埋設(shè)深度精確測量的功能。由于電子標(biāo)識埋設(shè)在不同地方，電子標(biāo)簽周圍的介質(zhì)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(biāo)簽埋深形成較大挑戰(zhàn)。所述探測儀采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，將事先訓(xùn)練好的模型導(dǎo)入所述探測儀，探測儀在現(xiàn)場未安裝電子標(biāo)簽的區(qū)域進(jìn)行探測作為環(huán)境參數(shù)，再根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)方法計算出電子標(biāo)簽的準(zhǔn)確埋深。該方法適用于各種復(fù)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(biāo)簽埋設(shè)地附近采集空白區(qū)（即未安裝電子標(biāo)簽的區(qū)域）環(huán)境介質(zhì)參數(shù)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(biāo)信號信息，并與標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行匹配，從而可以實現(xiàn)從微弱信號中準(zhǔn)確還原出真實信號，進(jìn)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(yīng)用舉例

（一）多協(xié)議助力一機(jī)多用

為了拓展探測儀的功能以及應(yīng)用范圍，本文所述探測儀設(shè)計了藍(lán)牙、Lora、ZigBee等無線通信功能，并且支持多種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，通過藍(lán)牙、Lora、ZigBee等無線通信模塊喚醒現(xiàn)場安裝的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，用戶無需知道設(shè)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(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)、數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)。因此，所述探測儀可用于戶外安裝物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的巡檢、現(xiàn)場維護(hù)以及歷史數(shù)據(jù)查看，真正實現(xiàn)一機(jī)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(wù)器，通過云端的AI平臺對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行風(fēng)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(jié)構(gòu)如圖3所示，每臺探測儀由1個多核主控單元、1個藍(lán)牙通信模塊、1個聲光報警模塊（揚(yáng)聲器、指示燈以及相應(yīng)驅(qū)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(rèn)包含1主5從共計6個獨(dú)立的探測模塊）、1個數(shù)據(jù)存儲模塊（用于存儲數(shù)據(jù)、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(jī)械按鍵模塊、1個電源管理模塊和1個鋰電池組構(gòu)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(guān)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(shù)據(jù)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(yīng)用場景舉例

探測儀應(yīng)用App舉例說明1：開發(fā)一款電子標(biāo)簽巡檢App，電子標(biāo)簽在現(xiàn)場首次安裝時，將設(shè)備經(jīng)緯度坐標(biāo)、電子標(biāo)簽ID號、標(biāo)識對象（管線）等信息做綁定并上報到云端服務(wù)器，后期用戶使用探測儀探測到該電子標(biāo)簽ID號，即可從云端服務(wù)器調(diào)取相應(yīng)關(guān)聯(lián)信息。此外，在電子標(biāo)簽巡檢App上增加巡檢工單派發(fā)功能模塊，通過后臺服務(wù)器將巡檢任務(wù)下發(fā)到指定的探測儀，并可以實時查看工單完成進(jìn)度。打開電子標(biāo)簽巡檢App進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)簽探測時，App根據(jù)搜集到的各通道探測數(shù)據(jù)和能量信息，結(jié)合定制開發(fā)的定位分析算法，對電子標(biāo)識器可能埋設(shè)的方向進(jìn)行預(yù)測，并在探測儀上給出語音和動畫導(dǎo)航提示。當(dāng)探測儀移動到電子標(biāo)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(dāng)前已成功鎖定電子標(biāo)簽的安裝位置。

探測儀應(yīng)用App舉例說明2：開發(fā)一款物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備檢修App，在檢修現(xiàn)場打開App，選擇需要的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備類型以及協(xié)議類型，然后勾選設(shè)備故障診斷功能，App會自動打開對應(yīng)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(jù)現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，結(jié)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(yīng)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(yīng)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(cè)攝像頭進(jìn)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(jìn)行分析，對視頻里的危險作業(yè)區(qū)域進(jìn)行劃定，無關(guān)人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)域進(jìn)行語音提醒，現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)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(wù)器，便于進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督與指導(dǎo)。

探測儀每次開機(jī)時都會對各個功能模塊進(jìn)行自檢，同時對RFID探測模塊陣列執(zhí)行校準(zhǔn)操作，確保設(shè)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(wù)器，便于指揮中心做統(tǒng)一調(diào)度管理。

四、結(jié)語

綜上所述，本文從工程應(yīng)用實際問題出發(fā)，將RFID技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提供了一種用于地下設(shè)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(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于電子標(biāo)簽定位領(lǐng)域，通過該方法可以快速獲取埋地電子標(biāo)簽的精確位置，為產(chǎn)品推廣和工程應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，本文所述的多功能探測儀采用模塊化設(shè)計架構(gòu)，是一個擴(kuò)展性很強(qiáng)的嵌入式平臺，結(jié)合不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用需求，可以通過選擇性搭載相應(yīng)的軟件和硬件模塊來豐富產(chǎn)品功能，為產(chǎn)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(xiàn)：

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

[2]邱華卿.RFID 智能標(biāo)簽的應(yīng)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(yīng)幀時隙防碰撞算法研究[J].電子學(xué)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(wǎng)設(shè)備與系統(tǒng)。