雷天豐， 黃 勇， 趙亞東， 李 驍

(西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都 610039)

0 引 言

目前應用于鐵塔形變的自動監測系統一般采用的方法是全球定位系統(global positioning system,GPS)定位技術、傳感器檢測技術、高分辨率合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)衛星監測等系統，但這些方法都存在精度不高，算法復雜，或者是定位時間較長等缺點[1～4]。現有的另一種用于定位的為射頻識別(radio frequency identification,RFID)定位技術[5～7]，其一般是使用無源標簽用于室內的定位，而在室外的應用還比較匱乏，因此,在本文采用RFID的有源標簽在室外完成定位，同時使用相位差技術使得精度得到進一步的提高，更加實時準確地計算出鐵塔關鍵部分的坐標，保證形變量的監測更加準確高效。

1 形變監測系統組成與原理

1.1 系統工作原理

在RFID定位系統中，最簡單的組成包括標簽、讀寫器、天線三部分。為了保證系統具有更加穩定和高效的處理能力，在本文系統設計中，將讀寫器換成了軟件定義無線電(software defined radio,SDR)系統。在整個系統中，有源標簽不斷發射信號，接收天線接收信號后送入軟件無線電平臺，在經過了一系列的處理后，最終將有效信息送到計算機進行最后的定位運算以及形變的監測。

同時為了提高定位的精度，引入了GPS中的載波相位差分概念，通過求解信號到達兩個接收天線的相位差求距離差，再利用距離差公式求得信號發射點坐標，完成定位操作。為了避免在GPS中存在的整周相位模糊情況，導致運算量加大以及求解算法復雜，兩根接收天線在擺放時需要保證相位差在一個整周期內，即兩者的距離差應該在一個發射信號波長內。

1.2 軟件無線電平臺

本文設計選擇的是成都定為公司設計生產的U3主板，其上有兩塊現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片，同時配套了FMC102AD/DA轉換板和CPCI射頻板，并且支持UDP協議，能夠將數據傳輸給計算機進行繼續處理等操作。接收天線將接收信號送入CPCI射頻板卡后，會被處理成70 MHz中頻信號輸出，再將其經過FMC102板卡進行A/D采樣后送入U3主板進行數據處理。由于采樣后數據速率較高不利于數據的傳輸，因此對數據進行了混頻與抽取濾波處理，將得到的IQ信號通過UDP端口傳輸給PC端進行繼續處理。由于送回的信號為IQ正交信號，求解相位時可直接使用IQ信號比值求反正切得到[8]。如圖1所示為整個形變監測設計的結構。

圖1 形變監測結構

1.3 定位對象的坐標求解

圖2為單個發射點和所有接收天線的信號接收示意。

圖2 信號發射接收示意

在圖2中，P點為信號發射點，坐標未知，A，B，C，D分別為分布在Y軸上的4根接收天線，其坐標已知，設其坐標分別為(0，a，0),(0，b，0),(0，c，0),(0，d，0)。 4根天線在接收到信號后，可以在兩兩之間找到3組獨立的信號到達相位差，求得對應的距離差。設P點到AB，BC，CD之間的距離差分別為dab,dbc,dcd，則根據得到的距離差與距離差公式可得式(1)，求解該方程組即可解得P點坐標

(1)

2 形變監測系統設計與結果分析

本文選擇需要監測的鐵塔為貓頭塔，其高度約為42 m，根據查閱的資料[9]得到其最大位移點在頂端左右兩邊的地線懸掛點，且會達到幾十厘米，因此將兩個發射標簽安放在此處，在地面的一條直線上均勻擺放4根接收天線。發射標簽射頻芯片選擇CC1101，其為工作在低于1 GHz頻段的無線數傳芯片，最大輸出功率可達+10 dBm。選擇鐵塔塔基中心為坐標原點，輸電線方向為y軸的方向，垂直輸電線的方向為x軸方向，為了減小輸電線路對信號接收的影響，選擇xoy平面上∠xoy的平分線為天線的放置直線。其總體示意如圖3所示。

圖3 鐵塔形變監測示意

P和M為兩個發射標簽，采用分時發送的方式發射信號，信號發射頻率為915 MHz，每個標簽的發射間隔為200 ms，每個標簽發送信號時間約為84 ms，信號采用GFSK調制模式，數據速率為4 kbps，兩個標簽發送時序如圖4。

圖4 標簽信號發送時序

接收天線接收信號后送入軟件無線電平臺進行降頻降速處理，最后將得到的采樣率為1 MHz的IQ信號通過UDP協議端口傳輸給PC端進行繼續處理，通過計算相位差得到相鄰接收天線之間的距離差，再根據式(1)求得發射標簽的坐標。但由于在計算過程中會存在各種誤差以及信號在空中傳輸時受各種噪聲的影響，會導致式(1)出現無解的情況，因此在求解過程中采用了數值解法，使用了最優化算法中的Levenberg-Marquardt算法，其同時具備了梯度法和牛頓法的優點，從而能夠保證更快更準地得到式(1)的解。在整個系統的設計完成后，對其進行了監測模擬，隨意移動2個發射標簽得到了實際的10組坐標，再通過計算得到解算出來的10組坐標，得到的結果如圖5所示，設兩個標簽的各個測試點分別為P1～P11，M1～M11，計算出的2個標簽分別到4根接收天線之間的距離差如表1所示。

圖5 2個標簽實際與計算坐標

圖5中實線連接的點表示的是在鐵塔形變過程中發射標簽實際的坐標與計算得到的坐標。圖6分別為兩個標簽在x,y,z軸3個方向的誤差，可以看出，兩個標簽在x軸方向的誤差為-3.89～2.99 cm,-3.78～3.06 cm；在y軸方向的誤差為-5.09～4.62 cm,-5.26～5.32 cm；在z軸方向的誤差在-4.13～4.49 cm,-5.1～4.35 cm。根據測得的數據可得誤差均在5～6 cm范圍內，能夠反映出鐵塔的形變量，保證整個系統的正常工作。

表1 2個標簽到天線的計算距離差 cm

圖6 2個標簽在各軸方向測量誤差

3 結束語

本文將RFID監測系統應用于電力鐵塔的形變系統之中，對整個系統的原理及組成進行了簡單的介紹，同時對系統中數據的處理方式及算法進行了簡單的敘述，從中可以看出,與傳統的采用GPS或者傳感器技術的系統相比，本文方法在數據處理及算法上會更簡單，精度也會進一步提高。通過對整個系統監測數據的處理與分析后，表明設計的系統可以對電力鐵塔的形變量進行監測，滿足形變監測數據的精度要求。