无人机专用RFID识读设备的研究与设计

黄建华 李坚

摘  要：采用无人机技术来进行输电线路巡检可以显著提高巡检成效和质量，成为构筑能源互联网的重要保障，而将专用RFID识读设备搭载于适宜的无人机上，可以快速获取目标（如输电线路及杆塔）的标签信息，进而为缺陷数据等分析工作的开展提供数据支撑。文章研究并设计了无人机专用的RFID识读设备，介绍了该设备的工作流程、具体设计，实际使用证明，该设备可以较好地完成工作要求。

关键词：RFID识读设备;无人机;双级化抗风阻天线;锂电池

中图分类号：TN929.5       文献标识码：A文章编号：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

考虑到输电线路巡检过程中存在的安全隐患、突发事件及限制因素，人工巡检仍然是不少地区输电线路巡检的主要方式，即沿着输电线路走廊派专业的巡检人员驾车或徒步，采用亲自登塔或双眼观测的方式来进行巡检。在实际操作中，人工巡检存在着系列难以克服的缺点，如工作效率低、工作强度大且环境恶劣等，输电线路巡检工作逐渐由人工密集型向技术密集型转变（表1为输电线路人工巡检和无人机巡检的对比），而无人机的迅猛发展正好为输电线路巡检提供了新思路。从经济效益方面而言，以某典型的10 km输电线路为例，人工巡检需要投入3～4人耗费2～3个工作日，而且在巡检过程中可能因蛇虫侵扰等影响巡检效率;无人机巡检只需要投入1名巡检人员，耗费约1小时即可完成，并且在巡检过程中不容易受各种未知因素的影响而拖延巡检效率。现阶段国网投入使用的各类无人机已经超过2 000架，对于人工巡检中较难发现的输电线路隐患已经有了很好的解决方案，未来人工巡检必然会转变到人机协同，并最终实现全自动化巡检，到时巡检人员只需要在后台汇总并分析无人机传回来的各类巡检数据即可，彻底实现输电线路巡检模式的变革。

RFID识读设备是输电线路无人机智能巡检的重要组成部分，但现阶段便携式RFID识读设备主要以传统的手持机为主，它集成了手持机的处理器、显示屏、大容量电池和RFID部分的超高频模块、天线等，再加上外层缓冲防护结构和严密的内部结构支撑，使其重量大、成本高、体积大的缺陷极为突出，严重制约了其在输电线路无人机智能巡检中的应用，故轻量化、小型化、低成本化及智能化将成为无人机专用RFID识读设备的未来发展方向。如表1所示。

1  无人机专用RFID识读设备的工作流程

無人机RFID巡检首先由智芯提出，前期主要是针对无人机RFID巡检应用中的配电双向电子标签的验证。但在验证过程中发现无人机起飞后对射频干扰极其严重，同时无人机巡检存在市场应用需求，因此本企业开始了无人机专用RFID识读设备的设计。

该产品研发总共分为6个阶段，包含初期的验证配电双向电子标识无人机识读而进行的设备研发，后智芯提出正式研发无人机专用RFID识读设备而正式前后产开了5代产品的研发，其中包含采用不同无人机机型和不同识读模块及识读天线的深度研发工作。

一套完整的无人机RFID系统由电子标签、识读设备和数据管理系统等三个部分构成，工作时，当电子标签接收到识读设备发来的无线射频电波并转化为工作电能，启动内部芯片的电路工作后发射出自身存储的信息数据，识读设备接收到这些信息数据后进行解码、转换并导入到数据管理系统中。作为无人机RFID系统的重要组成部分，本文中无人机专用RFID识读设备的工作流程如图1所示。

具体而言，无人机专用RFID识读设备的工作流程大致包含如下三个部分：

（1）准备工作。无人机通电启动后，RFID识读设备随机通电启动;

（2）无人机起飞。无人机通过无人机控制器操作飞行至指定飞行区，操作人员通过无人机控制器配件控制模块来控制识读设备天线舵机，让天线指向识读标签，随后识读设备读取电子标签信息，并将识读信息通过无线传输至地面接收端，由地面接收端系统显示;

（3）无人机返航。电子标签识读完毕后，识读设备天线归位，无人机返航，待无人机安全降落至地面后，操作人员关闭无人机和识读设备的电源。

2  无人机专用RFID识读设备的具体设计

2.1  无人机专用RFID识读设备的架构

如图2所示，无人机专用RFID识读设备整体上由机载及地面接收两个部分构成：

（1）机载部分。机载部分包含双极化抗风阻天线、天线舵机（可水平、垂直控制天线方向）、射频识读主控、射频识读模块、锂电池、无线传输控制器、无线传输天线等几个部分;

（2）地面接收部分。地面接收部分包含地面数传模块和数据接收模块等两个模块。

2.2  无人机专用RFID识读设备的主要参数

2.2.1  识读模塊

无人机专用RFID识读模块的结构如图3所示，该模块的主要参数如下：射频通道基于Impinj R2000;最大支持功率33 dBm，支持可调节;接收灵敏度≤-80;协议支持：支持ISO 18000-6C/EPC G1G2、GB/T29768-2013（可拓展支持）协议;优化识别算法，提供最高识别效率;高速轮询双极化天线，每个天线最短轮询时间约25 ms;可单独配置个天线的轮询时间;软硬件自主知识产权;支持无线通讯传输识读数据;防护等级IP65;重量2.45 kg。

2.2.2  双极化抗风阻天线

双极化抗风阻天线的结构如图4所示，该部分的主要参数如下：频率范围为902～928 MHz，极化方式为双极化+90°，增益为11 dBi/11.3 dBi，垂直角度为52°，水平角度为55°，驻波比为<1.5，前后比为≥12 dB，特性阻抗为50 Ω，最大输入功率为50 w，防雷保护为直流接地，接口形式为SMA头×2，天线尺寸为617×195×195 mm，工作温度为-40 ºC/+60 ºC，支撑杆直径为φ30～φ60 mm，抗风强度为60 m/s，重量为0.25 kg。

2.3  无人机专用RFID识读设备的改进

2.3.1  第一代基于中航金城无人机专用RFID识读设备研发

基于中航金城无人机研发的专用RFID识读设备，优化识读模块及八木天线，研究如何实现降低无人机起飞后的电磁干扰，最终该版本无法满足应用性能需求。

该阶段使用设备：中航金城电动无人机;八木天线，增益8 dBi;基于R2000研发的识读模块（带滤波器），最大支持功率33 dBm，测试使用功率33 dBm。

2.3.2  第二代基于中航金城无人机专用RFID识读设备研发

基于中航金城无人机专用RFID识读设备的二代产品，其中主要优化了八木天线，使用阵列4八木，提高天线增益，从而中和无人机的干扰，最终实现应用场景识读距离需求，在测试中，无人机小角度（水平夹角45°）识读配电标签可达18 m，大角度（水平夹角60°）识读配电标签可达15 m。

该阶段使用设备：中航金城电动无人机;四阵列八木天线，增益14 dBi;基于R2000研发的识读模块（带滤波器），最大支持功率33 dBm，测试使用功率33 dBm。

2.3.3  第三代基于蜂巢无人机专用RFID识读设备研发（趋向产品化）

在前几代产品的研发过程中积累了一定的经验和教训，本代产品基于蜂巢无人机进行开发，增加天线舵机，并整体集成化，内置电池，将四阵列八木天线改为单八木天线，天线增益选择大增益，进行一定的中和无人机的干扰，最终实现应用场景识读距离需求，在测试中，无人机小角度（水平夹角45°）识读配电标签可达20 m，大角度（水平夹角60°）识读配电标签可达18 m。

该阶段使用设备：蜂巢（品牌）电动无人机;八木天线，增益15 dBm;一体化基于R2000研发的识读模块，最大支持功率33 dBm，测试使用功率30 dBm，内置电源及电磁屏蔽系统;天线舵机系统;无线数据传输通讯系统。

2.3.4  第四代基于大疆M600无人机专用RFID识读设备研发

在上代产品的成果下，本代产品基于大疆M600无人机进行开发，优化无人机专用RFID识读模块大小及重量，同时缩小天线长度，并将单八木天线优化为双极化同轴交叉八木天线，最终实现应用场景识读距离需求，在测试中，无人机小角度（水平夹角45°）识读配电标签可达19 m，大角度（水平夹角60°）识读配电标签可达17 m。本代产品缩小识读设备体积和天线长度，提高了电磁兼容性，降低无人机对识读模块的干扰。

该阶段使用设备：大疆M600电动无人机;双极化同轴交叉八木天线，增益11 dBi;基于R2000研发的识读模块，最大支持功率33 dBm，测试使用功率30 dBm，内置电源及电磁屏蔽系统;天线舵机系统;无线数据传输通讯系统。

2.3.5  第五代基于大疆M300及兼容其他品牌无人机专用RFID识读设备研发

根据各网省的实际无人机使用情况，要求制作体积和重量更小的无人机RFID识读设备，可适配大多数品牌的无人机，因此未来将从如下方面着手来对无人机专用RFID识读设备进行优化：识读设备小型化，可安装与大疆M300大小机型上;识读设备可与无人机摄像头兼容，并实现数据对接;识读设备性能满足应用需求;识读设备天线舵机可上下方向可调整;识读设备识读数据通讯可与无人机对接，同时具有独立性，可独立与地面系统对接;识读设备具备完善的标准接口，可满足应用场景的二次开发和对接。

3  结  论

随着计算机技术与物联网技术的不断发展与完善，RFID技术联合智能化数据采集装置开始友好地应用到无人机输电线路巡检中，巡检完毕后，无人机上携带的专用RFID识读设备将采集到的数据通过无线通信技术传输到相关管理部门，管理者可通过后台查看相应数据，从而展开相应的数据分析、处理和汇总工作。

参考文献：

[1] 邵瑰玮，刘壮，付晶，谈家英，陈怡，周立玮.架空输电线路无人机巡检技术研究进展 [J].高电压技术，2020，46（1）：14-22.

[2] 李君海，张苗苗，熊道洋.基于实时信息传输技术的无人机巡检管控平台 [J].测绘与空间地理信息，2020，43（6）：165-167+171.

[3] 苏丰，陆志浩，毛颖科，吴剑敏，夏云永.基于RFID技术的变电站运行巡检管理系统 [J].电子设计工程，2020，28（3）：129-132+137.

[4] 王茜，凌伟星.射频识别技术在国内外的应用 [J].经营与管理，2010（3）：46-47.

[5] 杨大鹏，张丕状，姚金杰.基于RFID无人机数据综合管理系统设计 [J].国外电子测量技术，2020，39（5）：55-60.

[6] 高晶，郭志帅.基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统设计 [J].计算机测量与控制，2021，29（8）：114-118+124.

作者简介：黄建华（1968.11—），男，汉族，江西高安人，工程师，同济大学本科，研究方向：工业物联网RFID、RFID+、RFID与传感器相结合在大行业的深化应用。