黃建華 李堅(jiān)

摘? 要：采用無人機(jī)技術(shù)來進(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識讀設(shè)備搭載于適宜的無人機(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)等分析工作的開展提供數(shù)據(jù)支撐。文章研究并設(shè)計(jì)了無人機(jī)專用的RFID識讀設(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識讀設(shè)備;無人機(jī);雙級化抗風(fēng)阻天線;鋰電池

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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的方式來進(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人機(jī)巡檢的對比），而無人機(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，而且在巡檢過程中可能因蛇蟲侵?jǐn)_等影響巡檢效率;無人機(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)階段國網(wǎng)投入使用的各類無人機(jī)已經(jīng)超過2 000架，對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，未來人工巡檢必然會轉(zhuǎn)變到人機(jī)協(xié)同，并最終實(shí)現(xiàn)全自動化巡檢，到時(shí)巡檢人員只需要在后臺匯總并分析無人機(jī)傳回來的各類巡檢數(shù)據(jù)即可，徹底實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢模式的變革。

RFID識讀設(shè)備是輸電線路無人機(jī)智能巡檢的重要組成部分，但現(xiàn)階段便攜式RFID識讀設(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人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備的未來發(fā)展方向。如表1所示。

1? 無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備的工作流程

無人機(jī)RFID巡檢首先由智芯提出，前期主要是針對無人機(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)證過程中發(fā)現(xiàn)無人機(jī)起飛后對射頻干擾極其嚴(yán)重，同時(shí)無人機(jī)巡檢存在市場應(yīng)用需求，因此本企業(yè)開始了無人機(jī)專用RFID識讀設(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)識無人機(jī)識讀而進(jìn)行的設(shè)備研發(fā)，后智芯提出正式研發(fā)無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備而正式前后產(chǎn)開了5代產(chǎn)品的研發(fā)，其中包含采用不同無人機(jī)機(jī)型和不同識讀模塊及識讀天線的深度研發(fā)工作。

一套完整的無人機(jī)RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、識讀設(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)簽接收到識讀設(shè)備發(fā)來的無線射頻電波并轉(zhuǎn)化為工作電能，啟動內(nèi)部芯片的電路工作后發(fā)射出自身存儲的信息數(shù)據(jù)，識讀設(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。作為無人機(jī)RFID系統(tǒng)的重要組成部分，本文中無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備的工作流程如圖1所示。

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

（1）準(zhǔn)備工作。無人機(jī)通電啟動后，RFID識讀設(shè)備隨機(jī)通電啟動;

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

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

2? 無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備的具體設(shè)計(jì)

2.1? 無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備的架構(gòu)

如圖2所示，無人機(jī)專用RFID識讀設(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）、射頻識讀主控、射頻識讀模塊、鋰電池、無線傳輸控制器、無線傳輸天線等幾個(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? 無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備的主要參數(shù)

2.2.1? 識讀模塊

無人機(jī)專用RFID識讀模塊的結(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)化識別算法，提供最高識別效率;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;軟硬件自主知識產(chǎn)權(quán);支持無線通訊傳輸識讀數(shù)據(jù);防護(hù)等級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? 無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備的改進(jìn)

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

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

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

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

基于中航金城無人機(jī)專用RFID識讀設(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，從而中和無人機(jī)的干擾，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場景識讀距離需求，在測試中，無人機(jī)小角度（水平夾角45°）識讀配電標(biāo)簽可達(dá)18 m，大角度（水平夾角60°）識讀配電標(biāo)簽可達(dá)15 m。

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

2.3.3? 第三代基于蜂巢無人機(jī)專用RFID識讀設(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)品基于蜂巢無人機(jī)進(jìn)行開發(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)行一定的中和無人機(jī)的干擾，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場景識讀距離需求，在測試中，無人機(jī)小角度（水平夾角45°）識讀配電標(biāo)簽可達(dá)20 m，大角度（水平夾角60°）識讀配電標(biāo)簽可達(dá)18 m。

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

2.3.4? 第四代基于大疆M600無人機(jī)專用RFID識讀設(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無人機(jī)進(jìn)行開發(fā)，優(yōu)化無人機(jī)專用RFID識讀模塊大小及重量，同時(shí)縮小天線長度，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)用場景識讀距離需求，在測試中，無人機(jī)小角度（水平夾角45°）識讀配電標(biāo)簽可達(dá)19 m，大角度（水平夾角60°）識讀配電標(biāo)簽可達(dá)17 m。本代產(chǎn)品縮小識讀設(shè)備體積和天線長度，提高了電磁兼容性，降低無人機(jī)對識讀模塊的干擾。

該階段使用設(shè)備：大疆M600電動無人機(jī);雙極化同軸交叉八木天線，增益11 dBi;基于R2000研發(fā)的識讀模塊，最大支持功率33 dBm，測試使用功率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及兼容其他品牌無人機(jī)專用RFID識讀設(shè)備研發(fā)

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

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)采集裝置開始友好地應(yīng)用到無人機(jī)輸電線路巡檢中，巡檢完畢后，無人機(jī)上攜帶的專用RFID識讀設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)傳輸?shù)较嚓P(guān)管理部門，管理者可通過后臺查看相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而展開相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、處理和匯總工作。

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作者簡介：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。