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無線射頻識別技術(shù)在地下管線標(biāo)識和定位中的應(yīng)用

新聞時間:2020-09-28 文章來源: 文章作者:ztcjjt

引言

地下管線檢測和識別在管網(wǎng)傳輸中起到越來越重要的作用。隨著科技的發(fā)展,越來越多的非金屬管線用于通信、給排水、燃氣等領(lǐng)域。而由于非金屬管線不導(dǎo)電也不導(dǎo)磁,使得查找和定位工作難以順利開展。

無線射頻識別技術(shù)是一種通信技術(shù),通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù),無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸[1]。無線射頻識別技術(shù)一般應(yīng)用于圖書管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、食品(藥品)安全追溯等等。

無線射頻設(shè)別技術(shù)分為有源和無源兩種。近幾年來,由于無線無源射頻識別技術(shù)的非接觸性和無源特點,無線射頻識別技術(shù)也應(yīng)用于地下管線標(biāo)識和定位中。該技術(shù)可穿透地面水泥、覆土等,閱讀器可以直接與地下管線定位的信號識別器進行問詢和應(yīng)答,完成地下管線的定位和識別。在電力、通信、煤氣和供水等地下管線的定位和數(shù)字化管理中得到了一定的應(yīng)用。

本文對無線射頻設(shè)別技術(shù)地下管線分析,介紹了無線射頻技術(shù)在地下管線的系統(tǒng)方案,分析了其優(yōu)缺點,并對無線射頻識別技術(shù)在地下管線的應(yīng)用提出了展望。

1 系統(tǒng)方案

無線射頻識別系統(tǒng)一般由閱讀器、應(yīng)答器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成[2]。應(yīng)答器一般由標(biāo)簽組成,每個標(biāo)簽由芯片、射頻前端與存儲器組成,具有唯一的電子編碼,憑借扎帶或其他輔助工具附著在地下管線或者直接敷設(shè)在地下管線上方。閱讀器控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)送讀取信號,并接受標(biāo)簽的應(yīng)答,對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進行解碼,將對象標(biāo)識信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。應(yīng)用層軟件系統(tǒng)則把收集到的數(shù)據(jù)做進一步處理,為管線用戶定位、設(shè)備管理所用,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

閱讀器和應(yīng)答器通過感應(yīng)電流進行激活。閱讀器通過內(nèi)部線圈發(fā)送一定頻率的射頻信號,當(dāng)標(biāo)簽進入線圈的工作區(qū)域內(nèi)時,標(biāo)簽內(nèi)部電路產(chǎn)生感應(yīng)電流,此時標(biāo)簽被激活,其自身編碼信息通過內(nèi)置電路發(fā)射出去,然后閱讀器進行接收。

 

圖1 系統(tǒng)方案

2 射頻模式供電機理

射頻識別系統(tǒng)機理接近于變壓器機理,閱讀器的作用相當(dāng)于主線圈,應(yīng)答器相當(dāng)于次線圈。閱讀器和應(yīng)答器有磁性,并且互相作用[3]。能從閱讀器到應(yīng)答器傳輸?shù)哪芰恐饕Q于:

· 應(yīng)答器的天線如何更好的調(diào)諧接近于閱讀器的讀取頻率

· 應(yīng)答器和讀寫器之間的距離

· 閱讀器天線尺寸和應(yīng)答器電路板內(nèi)置天線

· 讀取功率

· 應(yīng)答器天線對于閱讀器天線的定位

 

圖2 射頻模式供電機理

無線射頻識別供電機理如圖2所示,當(dāng)應(yīng)答器位于閱讀器的電磁感應(yīng)區(qū)域時,大量的磁力線通過應(yīng)答器和閱讀器天線。能量大小取決于閱讀器產(chǎn)生多少磁力線通過應(yīng)答器的天線,這直接影響到讀取范圍。

· 最好兩個天線面對面平行

· 當(dāng)兩個天線互相垂直時,讀取范圍為0

· 不同的定位方向會導(dǎo)致不同的讀取范圍

3 射頻閱讀器和識別器設(shè)計

無源射頻識別器不裝有電池,在閱讀器的讀出范圍之外時,識別器處于不工作狀態(tài)。當(dāng)位于閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時,識別器從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取工作所需電源。介于這種工作特點,無源射頻識別器非常適用于地下管線的標(biāo)識和定位。

射頻閱讀器和識別器的核心在于RFID芯片。通常RFID芯片供電電壓1.8V-5.5V,帶有4K、16K或64K的E2PROM,通過片內(nèi)串行總線I2C或者射頻進行數(shù)據(jù)傳輸。圖2為RFID芯片ST25的識別器電路原理圖。射頻識別芯片通過SCL和SDA和主控制器芯片完成通訊??刂破髟俸蜕衔粰C完成信息交換傳輸。

一般控制器由單片機、ARM等設(shè)計。目前很多單片機和ARM核心芯片已經(jīng)帶有GPS功能,通過GPS模塊可以便捷的完成GPS定位,便于日后識別器的定位。這類單片機和ARM芯片通常帶有豐富的網(wǎng)絡(luò)通訊功能,如GPRS、WIFI、紅外、藍牙等等。通過這些模塊可以遠程完成和通過設(shè)備管理系統(tǒng)的通訊。

識別芯片帶有內(nèi)置E2PROM,可以將應(yīng)答器關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息進行存儲,比如管徑、經(jīng)緯度、埋深、維修記錄等等。

 

 

4 優(yōu)缺點

目前用于管道探測技術(shù)主要有管線定位儀、探地雷達和射頻標(biāo)識器。他們具有如下優(yōu)缺點。

管線定位儀適用于金屬管道,但不適用于非金屬管道,并且在管道中插入非金屬定位探頭需要安排停運。新設(shè)施施工過程中非常容易損壞非金屬管道里的示蹤線。

探地雷達適用于各種土壤,但其校準(zhǔn)效果取決于覆蓋土層類型,因為覆土材質(zhì)會影響超聲波速度。對于體積較小的目標(biāo)物體不適合,并且探測目標(biāo)區(qū)域不能有復(fù)雜的地下管網(wǎng)。

射頻標(biāo)識器在土壤適用范圍、管材使用范圍比管線定位儀和探地雷達有著先天性的優(yōu)點。它定位精度高,適用于各種土壤類型,適合所有管材、所有管線的管徑,可以記錄管線的各種特征,如閥門、三通、拐彎等。射頻標(biāo)識器工作時不需要管線停運,即可直接讀出管線類型和維護信息,并且可以連續(xù)工作達五十年以上。

射頻標(biāo)識器也缺點,需要在管道施工前或者管道維修時進行敷設(shè),并且對敷設(shè)有一定的要求。

5 施工注意事項

(1)施工要求

標(biāo)識器應(yīng)與管線及設(shè)施同步安裝。在管線的特征點(分支點、接頭、拐彎、三通等)敷設(shè)射頻識別器,用來標(biāo)記和定位地下管線。針對不同的管線,選擇不同的頻率。地下管線單一(如長輸管道)時,可以采取大間距敷設(shè)(如50米間距)。當(dāng)?shù)叵鹿芫€復(fù)雜時,應(yīng)采取小間距敷設(shè)(如30米間距)。

(2)現(xiàn)階段埋深最大為2.2米。

(3)考慮到日后地面會有填高或者削低的可能,敷設(shè)時建議將標(biāo)識器埋深約在0.8-1.2米之間。

(4)標(biāo)識器應(yīng)置于管線正上方。如現(xiàn)場條件制約,無法置于正上方時,可在管線上方其他可放置的位置敷設(shè)。但必須在標(biāo)識器中記錄該位置偏離信息。

(5)盡量選擇有地面明顯參照物旁敷設(shè)標(biāo)識器。

(6)對于有故障加以維修的管線處,維修時應(yīng)同步敷設(shè)標(biāo)識器。

(7)標(biāo)識器中存儲信息應(yīng)包括小類管線設(shè)施代碼且代碼不能重復(fù)。

6 小結(jié)

隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快,地下管線定位和標(biāo)識技術(shù)在電力、通信、供排水中起到越來越重要的作用。近幾年來,無線射頻技術(shù)在地下管線領(lǐng)域也得到了長足的發(fā)展,隨著無線通訊距離的增加,在地下管線領(lǐng)域無線射頻技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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