雷天丰， 黄 勇， 赵亚东， 李 骁

(西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

0 引 言

目前应用于铁塔形变的自动监测系统一般采用的方法是全球定位系统(global positioning system,GPS)定位技术、传感器检测技术、高分辨率合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)卫星监测等系统，但这些方法都存在精度不高，算法复杂，或者是定位时间较长等缺点[1～4]。现有的另一种用于定位的为射频识别(radio frequency identification,RFID)定位技术[5～7]，其一般是使用无源标签用于室内的定位，而在室外的应用还比较匮乏，因此,在本文采用RFID的有源标签在室外完成定位，同时使用相位差技术使得精度得到进一步的提高，更加实时准确地计算出铁塔关键部分的坐标，保证形变量的监测更加准确高效。

1 形变监测系统组成与原理

1.1 系统工作原理

在RFID定位系统中，最简单的组成包括标签、读写器、天线三部分。为了保证系统具有更加稳定和高效的处理能力，在本文系统设计中，将读写器换成了软件定义无线电(software defined radio,SDR)系统。在整个系统中，有源标签不断发射信号，接收天线接收信号后送入软件无线电平台，在经过了一系列的处理后，最终将有效信息送到计算机进行最后的定位运算以及形变的监测。

同时为了提高定位的精度，引入了GPS中的载波相位差分概念，通过求解信号到达两个接收天线的相位差求距离差，再利用距离差公式求得信号发射点坐标，完成定位操作。为了避免在GPS中存在的整周相位模糊情况，导致运算量加大以及求解算法复杂，两根接收天线在摆放时需要保证相位差在一个整周期内，即两者的距离差应该在一个发射信号波长内。

1.2 软件无线电平台

本文设计选择的是成都定为公司设计生产的U3主板，其上有两块现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)芯片，同时配套了FMC102AD/DA转换板和CPCI射频板，并且支持UDP协议，能够将数据传输给计算机进行继续处理等操作。接收天线将接收信号送入CPCI射频板卡后，会被处理成70 MHz中频信号输出，再将其经过FMC102板卡进行A/D采样后送入U3主板进行数据处理。由于采样后数据速率较高不利于数据的传输，因此对数据进行了混频与抽取滤波处理，将得到的IQ信号通过UDP端口传输给PC端进行继续处理。由于送回的信号为IQ正交信号，求解相位时可直接使用IQ信号比值求反正切得到[8]。如图1所示为整个形变监测设计的结构。

图1 形变监测结构

1.3 定位对象的坐标求解

图2为单个发射点和所有接收天线的信号接收示意。

图2 信号发射接收示意

在图2中，P点为信号发射点，坐标未知，A，B，C，D分别为分布在Y轴上的4根接收天线，其坐标已知，设其坐标分别为(0，a，0),(0，b，0),(0，c，0),(0，d，0)。 4根天线在接收到信号后，可以在两两之间找到3组独立的信号到达相位差，求得对应的距离差。设P点到AB，BC，CD之间的距离差分别为dab,dbc,dcd，则根据得到的距离差与距离差公式可得式(1)，求解该方程组即可解得P点坐标

(1)

2 形变监测系统设计与结果分析

本文选择需要监测的铁塔为猫头塔，其高度约为42 m，根据查阅的资料[9]得到其最大位移点在顶端左右两边的地线悬挂点，且会达到几十厘米，因此将两个发射标签安放在此处，在地面的一条直线上均匀摆放4根接收天线。发射标签射频芯片选择CC1101，其为工作在低于1 GHz频段的无线数传芯片，最大输出功率可达+10 dBm。选择铁塔塔基中心为坐标原点，输电线方向为y轴的方向，垂直输电线的方向为x轴方向，为了减小输电线路对信号接收的影响，选择xoy平面上∠xoy的平分线为天线的放置直线。其总体示意如图3所示。

图3 铁塔形变监测示意

P和M为两个发射标签，采用分时发送的方式发射信号，信号发射频率为915 MHz，每个标签的发射间隔为200 ms，每个标签发送信号时间约为84 ms，信号采用GFSK调制模式，数据速率为4 kbps，两个标签发送时序如图4。

图4 标签信号发送时序

接收天线接收信号后送入软件无线电平台进行降频降速处理，最后将得到的采样率为1 MHz的IQ信号通过UDP协议端口传输给PC端进行继续处理，通过计算相位差得到相邻接收天线之间的距离差，再根据式(1)求得发射标签的坐标。但由于在计算过程中会存在各种误差以及信号在空中传输时受各种噪声的影响，会导致式(1)出现无解的情况，因此在求解过程中采用了数值解法，使用了最优化算法中的Levenberg-Marquardt算法，其同时具备了梯度法和牛顿法的优点，从而能够保证更快更准地得到式(1)的解。在整个系统的设计完成后，对其进行了监测模拟，随意移动2个发射标签得到了实际的10组坐标，再通过计算得到解算出来的10组坐标，得到的结果如图5所示，设两个标签的各个测试点分别为P1～P11，M1～M11，计算出的2个标签分别到4根接收天线之间的距离差如表1所示。

图5 2个标签实际与计算坐标

图5中实线连接的点表示的是在铁塔形变过程中发射标签实际的坐标与计算得到的坐标。图6分别为两个标签在x,y,z轴3个方向的误差，可以看出，两个标签在x轴方向的误差为-3.89～2.99 cm,-3.78～3.06 cm；在y轴方向的误差为-5.09～4.62 cm,-5.26～5.32 cm；在z轴方向的误差在-4.13～4.49 cm,-5.1～4.35 cm。根据测得的数据可得误差均在5～6 cm范围内，能够反映出铁塔的形变量，保证整个系统的正常工作。

表1 2个标签到天线的计算距离差 cm

图6 2个标签在各轴方向测量误差

3 结束语

本文将RFID监测系统应用于电力铁塔的形变系统之中，对整个系统的原理及组成进行了简单的介绍，同时对系统中数据的处理方式及算法进行了简单的叙述，从中可以看出,与传统的采用GPS或者传感器技术的系统相比，本文方法在数据处理及算法上会更简单，精度也会进一步提高。通过对整个系统监测数据的处理与分析后，表明设计的系统可以对电力铁塔的形变量进行监测，满足形变监测数据的精度要求。