基于RFID的管廊巡检定位系统

郝海星李振海孙建鹏

摘要：近些年，管廊建设如火如荼，针对管廊的巡检方式也越来越多，其中综合挂轨式的管廊巡检机器人方案的优点比较突出，在经济型等方面也越来越符合管廊的发展方向。本文主要介绍一种基于RFID技术的管廊选件机器人地下定位的方案。

一．引言

近年来，随着城市建设的不断发展，我国针对加大推进地下综合管廊的建设计划频频提上日程。截止2016年底，全国已有147个城市，28个县开工建设地下综合管廊达2005公里，而已建成的地下综合管廊长度已达75.41公里。为了保证地下综合管廊的正常运行，智能巡检测控系统便是其中的核心环节。

管廊建于地下，环境复杂，照明条件十分不足，因此需要采取一定的方式来实时确定巡检机器当前所处的位置。传统的定位技术包括红外线定位技术，GPS定位技术和Wi-Fi定位技术，红外线定位技术目前发展，只能用于短距离的传播，同时很容易被其他光纤进行干扰，因此具备一定的限制性和局限性，容易受到非视距、多经效应的影响，GPS定位技术虽然目前已经被广泛应用，起原理是利用卫星，对用户的数据进行测定和记录，覆盖范围较广，但是GOS地面的定位信号很弱，无法很好穿透地面建筑物，所以多数情况下都只局限于室外测量工作。WIFI定位技术成本相对低廉，但是不管是在室外或是室内会安静，信号覆盖半径都仅仅在90mm趋于之内，同时会对其他信号造成很强的干扰，造成其他信号数据失真。

二．RFID介绍

射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID），是一种利用射频信号自动识别目标信号对象并获取相关信息的技术。RFID技术利用射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标对象并获取相关数据。RFID标签具有体积小、可存储数据、可重复利用等诸多特点。

RFID具备利用无线信号进行特定目标识别，读写相关数据的功能，因其具备的飞机出性、经济性、技术成熟性、定位精度高、非接等优点，当前全世界已经将其广泛的应用在定位系统中，并将基于RFID技术的定位系统应用到快递、医疗等多个行业中，因此对基于RFID技术的定位系统开展研究，对于我国定位系统的研究、发展有着重要意义。

以RFID为核心的定位技术，不仅解决了以上提到的定位技术所具有的问题，还具备这高精度、对环境要求低，经济性高的特点。

三．RFID工作原理

RFID系统由以下几部分组成：①电子标签，由芯片和标签天线组成，通过电感偶合或电磁反向散射原理与读写器进行通信。②读写器，是读/写标签信息的设备，作为数据采集的终端，读写器还需要与中间件进行数据交换。③天线，是为标签和读写器提供射频信号空间传播的设备。④中间件，是连接RFID设备和企业应用程序的纽带，也是RFID应用系统的核心。

RFID系统的工作原理如下：阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEP-ROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。

标准的电子标签分为四个部分：

1.RESERVED区，主要存储killpasswords和accesspasswords。

1.1killpasswords

killpasswords存储在保留内存00h至1Fh的32位数值，MSB优先。默认（未编程）值应为零。询问机应一次性使用标签的killpasswords销毁标签，使其保持沉默。如果标签的killpasswords为零，则标签不应执行销毁操作。不执行killpasswords的标签仍然可以起作用，尽管其零值化的killpasswords被永久读锁定和写锁定。

1.2accesspasswords

accesspasswords存储在保留内存20h至3Fh的32位数值，MSB优先。默认（未编程）值应为零。

accesspasswords非零的标签应要求询问机在转为保护状态之前发出该口令。不执行accesspasswords的标签仍然可以起作用，尽管其零值化的accesspasswords被永久读锁定和写锁定。

2.UII区

UII区，包括CRC-16地址从（00h到0Fh），PC地址（10h到1Fh），和一个UII的起始地址，从20h开始的一个区域。它们的起始位为高。

3.TID存储区

TID存储区从00h至07h的包含了ISO/IEC15963类别识别项值E0或者E2之一。TID存储区从07h以上的存储单元的定义注册管理部门将根据为类别识别定义。最少，将包含询问器充足的辨认信息。TID也许标记了厂商的细节数据。

4.USER存储区

提供给用户存储自己的数据内容。

四．RFID定位系统原理

基于RFID的定位系统的基本原理是利用带信号增益天线的RFID标签阅读器读取电子标签。

首先发送命令时RFID电子标签阅读器进入自动读取标签的模式，此时如果在有效范围内有电子标签存在，就会产生感应电流，同时激活电子标签，电子标签会利用内置射频天线，将电子标签自身的编码发送出去，阅读器接收到表亲信号后，阅读器对信号进行阅读、解码，再将有效信息想主机系统传送，主机系统对有效信息进行处理，依据逻辑运算识别，对该标签的身份进行识别，同时做出相应的处理，最终对阅读器发出控制信号，让其完成信号中指示的读写操作。

根据RFID阅读器的导电子标签返回的值，能够根据一定的算法判断出阅读器目前所处的具体位置，从而达到定位功能。

五．管廊巡检定位系统

管廊建成后，每隔一段距离在管廊两边的墙壁上贴上不同的RFID电子标签，当管廊巡检机器人在管廊里进行巡检工作时，装载巡检机器人上面的阅读器会不停的阅读附近的电子标签，所以当巡检机器人运行到不同的位置时，它读到的电子标签的数值是不同的，将这些电子标签的值用一定的算法进行封装后，当巡检机器人读到标签是就能将返回的值通过一定的公式解算成目前所处的位置。因此就完成了定位的功能。

结束语

本设计用相对低廉的成本完成了对管廊内部巡检装置的精确定位功能，同时这种定位方法所受干扰较小，能在各种环境中正常运行，并且反应灵敏十分适合在管廊这种复杂多变的环境中使用。

参考文献：

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