基于RFID标签分频发射的铁塔形变监测设计*

赵亚东，黄勇，雷天丰，李骁

(西华大学 电气与电气信息学院， 成都 610039)

0 引 言

关于铁塔安全运行状态的监测，国内外都有大量的研究[1-2]。主要表现在这几个方面，一是远程视频监控；二是通过对铁塔进行卫星成像，然后跟参考图像进行比对[3]；还有就是利用放置在塔架上的倾角传感器来判定铁塔的运行状态[4]。本设计有别于以上的研究方法，通过对铁塔一些节点上安装的RFID标签进行定位得到测算空间坐标，然后跟标签在安全状态下的空间坐标进行比对，进而判断铁塔的运行状态。

1 设计原理

本设计是以220 kV猫头型输电铁塔作为研究对象，该铁塔最易形变的受力点是在塔头连接两避雷线的位置，我们在这2个位置安装RFID标签同时发射不同频率的超高频信号，地面有4个排列成线的接收点接收2个标签发来的射频信号。形变监测示意图如图1所示。

因为同一频率信号到4个接收点的相位是不一样的，所以我们利用同一频率信号到不同接收点之间的载波相位差[5]分别得到这4个接收点到不同标签的3个距离差。已知接收点的坐标，根据距离公式可以分别列出3个独立方程求出这2个标签的坐标。射频标签和信号接收机如图2所示。

图1 形变监测示意图

图2 射频标签和信号接收机

该设计包括信号收发单元设计，数据以UDP协议打包传输至计算机，PC端数据处理计算这三大部分。

2 发射和接收单元设计

为了区分不同标签发来的信号和兼顾高压电磁环境对无线电信号干扰的要求[6]，1、2号标签发射频率分别采用915 MHz和915.2 MHz。接收机通过CPCI203射频板卡将2个标签发来的信号转换成70 MHz、70.2 MHz中频信号，而后通过FMC102进行模数转换，再送到集成有FPGA的U3硬件平台进行混频[7]，降频到100 kHz、100.2 kHz然后分成IQ信号；为了数据能通过网线完整传输到PC端，我们进行了抽取滤波[8]，将采样率降至1 MS/s。

3 PC端处理单元设计

3.1 信号分频和距离差测算

4个接收点的IQ信号都混有915 MHz和915.2 MHz信号，我们利用基于汉明窗低通滤波和切比雪夫高通滤波分出8路IQ信号。将这些IQ信号进行希尔伯特变换，会得到8个不同的相位角度φm,i(1≤m≤4,i=1,2)，m为接收点序号，i为标签序号。相位角差公式为：

(1)

式中θmn,i是i号标签信号在m号接收点和n号接收点相位角度差。已知i号标签信号载波波长λi。根据公式：

Dmn,i=λi×θmn,i/2π,(1≤m≤3;n=m+1;i=1,2)

(2)

可以得到6个独立的距离差值Dmn,i。

3.2 标签坐标解算

根据公式:

(1≤m≤3;n=m+1;i=1,2)

(3)

式中xi,yi,zi为i号标签坐标，xm,ym,zm为m号接收点的坐标，xn,yn,zn为n号接收点的坐标，Dmn,i为m号和n号接收点到i号标签两个距离的差值。由于距离差测算有一定的误差，并且方程组(3)是多元非线性方程，直接求解很难。对此我们采用改进后的高斯-牛顿迭代法[9]进行迭代求解，迭代初值我们选取发射标签初始坐标。

4 系统测试

4.1 铁塔形变分析和待测点选择

本设计测试的输电铁塔以220 kV猫头型铁塔为例[1]。在极限负载的情况下，塔头连接两避雷线的位置位移最大，当其大于等于整个塔高的1/90[10]时，铁塔就处于不安全的状态，随时面临倒塌的危险。由此我们以这个极限数据为参考，对塔头两连接避雷线较近的位置进行了测试实验。为了最大程度地消除铁塔角钢结构和输电线路对信号的干扰，我们在铁塔占地外围选择原点坐标和摆放信号接收点，同时为了消除相位模糊，接收点的摆放应满足它们到标签的最大距离差小于载波波长。由此确定4个接收点坐标依次是(0，270，0)，(0，180，0)，(0，90，0)，(0，0，0)，两个标签坐标分别为(200，700，4 825)，(1 550，700，4 825)。

4.2 测试结果与分析

测试分成两个部分，一是监测点没有位移的情况；二是监测点在以初始坐标为球心，50 cm为球半径的球体内移动模拟其发生位移的情况。第一种情况我们测得标签在不同接收点的相位角。如表1所示。

表1 不同频率标签在不同接收点相位角

根据相位角，进一步得到信号在不同接收点之间相位差和距离差。如表2、表3所示。

表2 信号在不同接收点之间的相位差

表3 不同接收点到标签的距离差

通过迭代算法算出1、2号标签计算坐标然后跟初始坐标进行对比，如表4所示。

表4 不同频率标签原始坐标和计算坐标

我们又做了多次第二种情况的实验，得到标签原始坐标和测算坐标对比图，如图3所示。

根据公式：

(i=1,2)

(4)

可以得到测算坐标和原始坐标的距离误差Derror,i，如图4所示。

图3 两个标签原始坐标和测算坐标对比图

图4 测算坐标和原始坐标的距离误差图

第一种情况经多次实验表明，两标签计算坐标和原始坐标距离误差都在1.61 cm到2.674 cm范围内；第二种情况两标签计算坐标和原始坐标距离误差分别在1.414 cm到4.12 cm和1.414 cm到4.69 cm范围内，方差分别是0.693和0.725。以塔顶极限位移53.6 cm为参考，测算误差在可控范围内，波动较小，一旦测出位移超过50 cm就应该立即通知检修部门进行现场查看维修。根据测试结果表明，该设计完全达到预期目标。

5 结束语

基于射频标签的铁塔形变监测是以信号接收频带宽的射频板卡，高精度A/D转换器和FPGA微处理器为核心部件，与高可靠性的超高频无线射频模块相结合，通过PC数据处理端实时分析计算，能够对输电铁塔某些受力点的三维坐标进行实时记录和监测。系统功能丰富，布置灵活，可拓展性强，测试结果表明该套设备具备高可靠性和高精度性能。由于方案具有较强通用性，可推广应用于各类铁塔和其他工业现场的实时监测中。