基于RFID標(biāo)簽分頻發(fā)射的鐵塔形變監(jiān)測設(shè)計*

趙亞東，黃勇，雷天豐，李驍

(西華大學(xué) 電氣與電氣信息學(xué)院， 成都 610039)

0 引 言

關(guān)于鐵塔安全運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，國內(nèi)外都有大量的研究[1-2]。主要表現(xiàn)在這幾個方面，一是遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；二是通過對鐵塔進(jìn)行衛(wèi)星成像，然后跟參考圖像進(jìn)行比對[3]；還有就是利用放置在塔架上的傾角傳感器來判定鐵塔的運(yùn)行狀態(tài)[4]。本設(shè)計有別于以上的研究方法，通過對鐵塔一些節(jié)點上安裝的RFID標(biāo)簽進(jìn)行定位得到測算空間坐標(biāo)，然后跟標(biāo)簽在安全狀態(tài)下的空間坐標(biāo)進(jìn)行比對，進(jìn)而判斷鐵塔的運(yùn)行狀態(tài)。

1 設(shè)計原理

本設(shè)計是以220 kV貓頭型輸電鐵塔作為研究對象，該鐵塔最易形變的受力點是在塔頭連接兩避雷線的位置，我們在這2個位置安裝RFID標(biāo)簽同時發(fā)射不同頻率的超高頻信號，地面有4個排列成線的接收點接收2個標(biāo)簽發(fā)來的射頻信號。形變監(jiān)測示意圖如圖1所示。

因為同一頻率信號到4個接收點的相位是不一樣的，所以我們利用同一頻率信號到不同接收點之間的載波相位差[5]分別得到這4個接收點到不同標(biāo)簽的3個距離差。已知接收點的坐標(biāo)，根據(jù)距離公式可以分別列出3個獨立方程求出這2個標(biāo)簽的坐標(biāo)。射頻標(biāo)簽和信號接收機(jī)如圖2所示。

圖1 形變監(jiān)測示意圖

圖2 射頻標(biāo)簽和信號接收機(jī)

該設(shè)計包括信號收發(fā)單元設(shè)計，數(shù)據(jù)以UDP協(xié)議打包傳輸至計算機(jī)，PC端數(shù)據(jù)處理計算這三大部分。

2 發(fā)射和接收單元設(shè)計

為了區(qū)分不同標(biāo)簽發(fā)來的信號和兼顧高壓電磁環(huán)境對無線電信號干擾的要求[6]，1、2號標(biāo)簽發(fā)射頻率分別采用915 MHz和915.2 MHz。接收機(jī)通過CPCI203射頻板卡將2個標(biāo)簽發(fā)來的信號轉(zhuǎn)換成70 MHz、70.2 MHz中頻信號，而后通過FMC102進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再送到集成有FPGA的U3硬件平臺進(jìn)行混頻[7]，降頻到100 kHz、100.2 kHz然后分成IQ信號；為了數(shù)據(jù)能通過網(wǎng)線完整傳輸?shù)絇C端，我們進(jìn)行了抽取濾波[8]，將采樣率降至1 MS/s。

3 PC端處理單元設(shè)計

3.1 信號分頻和距離差測算

4個接收點的IQ信號都混有915 MHz和915.2 MHz信號，我們利用基于漢明窗低通濾波和切比雪夫高通濾波分出8路IQ信號。將這些IQ信號進(jìn)行希爾伯特變換，會得到8個不同的相位角度φm,i(1≤m≤4,i=1,2)，m為接收點序號，i為標(biāo)簽序號。相位角差公式為：

(1)

式中θmn,i是i號標(biāo)簽信號在m號接收點和n號接收點相位角度差。已知i號標(biāo)簽信號載波波長λi。根據(jù)公式：

Dmn,i=λi×θmn,i/2π,(1≤m≤3;n=m+1;i=1,2)

(2)

可以得到6個獨立的距離差值Dmn,i。

3.2 標(biāo)簽坐標(biāo)解算

根據(jù)公式:

(1≤m≤3;n=m+1;i=1,2)

(3)

式中xi,yi,zi為i號標(biāo)簽坐標(biāo)，xm,ym,zm為m號接收點的坐標(biāo)，xn,yn,zn為n號接收點的坐標(biāo)，Dmn,i為m號和n號接收點到i號標(biāo)簽兩個距離的差值。由于距離差測算有一定的誤差，并且方程組(3)是多元非線性方程，直接求解很難。對此我們采用改進(jìn)后的高斯-牛頓迭代法[9]進(jìn)行迭代求解，迭代初值我們選取發(fā)射標(biāo)簽初始坐標(biāo)。

4 系統(tǒng)測試

4.1 鐵塔形變分析和待測點選擇

本設(shè)計測試的輸電鐵塔以220 kV貓頭型鐵塔為例[1]。在極限負(fù)載的情況下，塔頭連接兩避雷線的位置位移最大，當(dāng)其大于等于整個塔高的1/90[10]時，鐵塔就處于不安全的狀態(tài)，隨時面臨倒塌的危險。由此我們以這個極限數(shù)據(jù)為參考，對塔頭兩連接避雷線較近的位置進(jìn)行了測試實驗。為了最大程度地消除鐵塔角鋼結(jié)構(gòu)和輸電線路對信號的干擾，我們在鐵塔占地外圍選擇原點坐標(biāo)和擺放信號接收點，同時為了消除相位模糊，接收點的擺放應(yīng)滿足它們到標(biāo)簽的最大距離差小于載波波長。由此確定4個接收點坐標(biāo)依次是(0，270，0)，(0，180，0)，(0，90，0)，(0，0，0)，兩個標(biāo)簽坐標(biāo)分別為(200，700，4 825)，(1 550，700，4 825)。

4.2 測試結(jié)果與分析

測試分成兩個部分，一是監(jiān)測點沒有位移的情況；二是監(jiān)測點在以初始坐標(biāo)為球心，50 cm為球半徑的球體內(nèi)移動模擬其發(fā)生位移的情況。第一種情況我們測得標(biāo)簽在不同接收點的相位角。如表1所示。

表1 不同頻率標(biāo)簽在不同接收點相位角

根據(jù)相位角，進(jìn)一步得到信號在不同接收點之間相位差和距離差。如表2、表3所示。

表2 信號在不同接收點之間的相位差

表3 不同接收點到標(biāo)簽的距離差

通過迭代算法算出1、2號標(biāo)簽計算坐標(biāo)然后跟初始坐標(biāo)進(jìn)行對比，如表4所示。

表4 不同頻率標(biāo)簽原始坐標(biāo)和計算坐標(biāo)

我們又做了多次第二種情況的實驗，得到標(biāo)簽原始坐標(biāo)和測算坐標(biāo)對比圖，如圖3所示。

根據(jù)公式：

(i=1,2)

(4)

可以得到測算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)的距離誤差Derror,i，如圖4所示。

圖3 兩個標(biāo)簽原始坐標(biāo)和測算坐標(biāo)對比圖

圖4 測算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)的距離誤差圖

第一種情況經(jīng)多次實驗表明，兩標(biāo)簽計算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)距離誤差都在1.61 cm到2.674 cm范圍內(nèi)；第二種情況兩標(biāo)簽計算坐標(biāo)和原始坐標(biāo)距離誤差分別在1.414 cm到4.12 cm和1.414 cm到4.69 cm范圍內(nèi)，方差分別是0.693和0.725。以塔頂極限位移53.6 cm為參考，測算誤差在可控范圍內(nèi)，波動較小，一旦測出位移超過50 cm就應(yīng)該立即通知檢修部門進(jìn)行現(xiàn)場查看維修。根據(jù)測試結(jié)果表明，該設(shè)計完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

基于射頻標(biāo)簽的鐵塔形變監(jiān)測是以信號接收頻帶寬的射頻板卡，高精度A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA微處理器為核心部件，與高可靠性的超高頻無線射頻模塊相結(jié)合，通過PC數(shù)據(jù)處理端實時分析計算，能夠?qū)旊婅F塔某些受力點的三維坐標(biāo)進(jìn)行實時記錄和監(jiān)測。系統(tǒng)功能豐富，布置靈活，可拓展性強(qiáng)，測試結(jié)果表明該套設(shè)備具備高可靠性和高精度性能。由于方案具有較強(qiáng)通用性，可推廣應(yīng)用于各類鐵塔和其他工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)測中。