基于RFID和Wi—Fi標(biāo)簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法

褚磊+劉超

摘 要

本文設(shè)計(jì)了一種電纜溝道安全巡視及故障定位算法，該算法將無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽定位算法和有源Wi-Fi標(biāo)簽定位算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了“巡檢人員工作安全監(jiān)控管理”和“線路故障問(wèn)題自動(dòng)定位上報(bào)管理”，并針對(duì)無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽和有源Wi-Fi電子標(biāo)簽的讀寫(xiě)沖突干擾問(wèn)題，在原有的算法中引入了讀寫(xiě)抗干擾策略，并對(duì)算法進(jìn)行了仿真分析，證明了本文算法比較于原有的算法能更好解決電子標(biāo)簽在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，因受到各種干擾而使得誤碼率增大、識(shí)別速度變慢、識(shí)別距離減小的問(wèn)題，保證了電纜溝道安全管理工作的高效運(yùn)作，具有行業(yè)推廣和示范效益。

【關(guān)鍵詞】電纜溝道 Wi-Fi標(biāo)簽 FRID電子標(biāo)簽

1 引言

電纜溝是發(fā)電廠、變電站中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，主要用來(lái)放置電纜。目前電纜溝巡檢存在諸多問(wèn)題：巡檢方式建立于GPS及GPS平臺(tái)，由于受到環(huán)境限制，信號(hào)覆蓋率低下、實(shí)用性不高、不利于推廣；部分巡檢平臺(tái)人工干預(yù)較多，且不能提供故障位置的可視化信息，一旦巡檢人員發(fā)生安全事故，其他工作人員無(wú)法在第一時(shí)間對(duì)事故點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)精確定位。

利用無(wú)線局域網(wǎng)和RFID射頻標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)定位和設(shè)備識(shí)別的算法相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)外的公開(kāi)報(bào)道比較多，但是將有源Wi-Fi標(biāo)簽與無(wú)線局域網(wǎng)結(jié)合用于巡檢人員的實(shí)時(shí)定位、將無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽用于電纜溝道故障的實(shí)時(shí)定位，并將二種算法結(jié)合定向化應(yīng)用在電纜溝道安全巡視和故障定位中的相關(guān)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，還未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種電纜溝道安全巡視和故障定位算法，該算法可對(duì)無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽及有源Wi-Fi標(biāo)簽進(jìn)行定位，可實(shí)現(xiàn)漏檢人員的信息識(shí)別、采集、記錄、跟蹤及實(shí)時(shí)定位管理和資產(chǎn)故障的尋址追溯管理，解決了目前電力行業(yè)電纜溝道巡檢過(guò)程中的存在的主要問(wèn)題，保證了電力工作人員的工作安全、提高企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理效率并降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。

2 基于RFID和Wi-Fi標(biāo)簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法

2.1 定位部署方案

無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽，應(yīng)用時(shí)主要埋在需要定位的管線附件，每一根電纜上環(huán)貼的標(biāo)示器都要由唯一的電纜溝道總標(biāo)示器管理；有源Wi-Fi定位標(biāo)簽作為無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊佩戴在人員身上或者安裝在貴重物品上，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境對(duì)有源Wi-Fi定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度、電子標(biāo)簽的坐標(biāo)進(jìn)行信息配置。因此需要提前進(jìn)行預(yù)處理，假定電纜溝道的長(zhǎng)寬高分別為 L（m）、W（m）、H（m），則部署方案如表1所示。其中，標(biāo)簽或采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)計(jì)算向下取整。

2.2 信號(hào)強(qiáng)度分級(jí)與三球交匯計(jì)算

在定位環(huán)境的部署情況的基礎(chǔ)上，需要對(duì)PDA信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)，使得PDA發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度呈線性增加，同時(shí)需要根據(jù)PDA讀取電子標(biāo)簽的不同信號(hào)強(qiáng)度劃分不同的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，劃分信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)要求PDA支持接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)（RSSI）。信號(hào)強(qiáng)度分級(jí)方法可以估計(jì)閱讀器到目標(biāo)標(biāo)簽的估計(jì)距離，假定有N個(gè)PDA移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，那么PDA到目標(biāo)標(biāo)簽的估計(jì)距離集M如下：

M={L1，L2… LN}， N 為PDA移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)。從估計(jì)距離集M中選取3個(gè)距離進(jìn)行三球交匯的計(jì)算可以得到目標(biāo)標(biāo)簽的一組估計(jì)坐標(biāo)?！叭蚪粎R”的計(jì)算公式可以表述如下：

（1）

其中（xi，yi，zi）為PDA的坐標(biāo)，（x0，y0，z0）是未知的目標(biāo)標(biāo)簽坐標(biāo)，“三球交匯”的模型如圖1所示。

“三球交匯”俯視圖如圖2所示，三球交點(diǎn)最多存在兩個(gè)可行解，根據(jù)實(shí)際目標(biāo)標(biāo)簽只能存在于六面體模型上平面之下，可以排除一個(gè)不可能解。根據(jù)PDA移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)N，每三個(gè)PDA移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)有且僅有一個(gè)“三球交匯”計(jì)算的可行坐標(biāo)估計(jì)，那么N個(gè)PDA移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)存在C3N中不同的組合，也就是目標(biāo)標(biāo)簽估計(jì)坐標(biāo)集 R 最多包含C3N個(gè)不同的可行解。

2.3 最小二乘法平面擬合

本文使用最小二乘法平面擬合減小目標(biāo)標(biāo)簽估計(jì)坐標(biāo)的誤差。不相關(guān)模型變量t1，t2，t3…tq，可組成如下最小二乘法的線性函數(shù)形式：y（t1，t2，t3…tq；b1，b2，b3…bq）=b0+b1t1+…bqtq

其中（xi，yi，zi）為可行估計(jì)目標(biāo)坐標(biāo)集R中的離散點(diǎn)按照x坐標(biāo)排序后的中間1/3部分的可行解。如圖3所示是對(duì)可行目標(biāo)估計(jì)坐標(biāo)集使用最小二乘法平面擬合的效果圖。

2.4 基于RFID和Wi-Fi標(biāo)簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法

2.4.1 無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽定位算法

無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽的識(shí)別在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，會(huì)受到各種干擾的影響，使得誤碼率增大、識(shí)別速度變慢、識(shí)別距離減小，因此針對(duì)RFID讀寫(xiě)沖突干擾問(wèn)題，在算法中加入讀寫(xiě)抗干擾策略。

無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽定位算法的步驟如下：

第一步，在電纜溝內(nèi)部署無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽，記錄手持式帶有UHF讀頭的PDA到無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度、電子標(biāo)簽的坐標(biāo)以及配置信息等預(yù)處理操作。

第二步，在傳送信號(hào)之前，PDA必須偵聽(tīng)信道內(nèi)是否有其它讀寫(xiě)器的信號(hào)，如果信道空閑，將讀取標(biāo)簽；如果信道忙，將隨機(jī)選擇一段退避時(shí)間，再繼續(xù)讀取。PDA根據(jù)讀取目標(biāo)標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度劃分兩個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)最大和最小信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，根據(jù)最大和最小信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)之間的電子標(biāo)簽集估計(jì)PDA到目標(biāo)標(biāo)簽之間的估計(jì)距離。

第三步，使用基于標(biāo)簽與PDA接收距離的“三球交匯”公式（式1）計(jì)算目標(biāo)標(biāo)簽的估計(jì)坐標(biāo)。

最后，使用最小二乘法平面擬合得到目標(biāo)標(biāo)簽的估計(jì)坐標(biāo)。

2.4.2 有源Wi-Fi標(biāo)簽定位算法

由于在有源Wi-Fi標(biāo)簽具有能量，發(fā)射信號(hào)范圍呈球形，因此加入了對(duì)有源標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)球在無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)采集點(diǎn)上下平面的截面圓心和圓半徑的計(jì)算。具體步驟如下：

第一步，將有源Wi-Fi定位標(biāo)簽作為無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊佩戴在人員身上或者安裝在貴重物品上，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境對(duì)有源Wi-Fi定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度、電子標(biāo)簽的坐標(biāo)以及配置信息等預(yù)處理操作。

第二步，對(duì)于無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)的每個(gè)Wi-Fi定位標(biāo)簽讀寫(xiě)器，在0-maxTime Slot范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行通信，如果發(fā)生沖突，則隨機(jī)選擇另一個(gè)時(shí)隙并通知鄰近的讀寫(xiě)器；如果相鄰讀寫(xiě)器內(nèi)有同樣的時(shí)隙，則該讀寫(xiě)器重新選擇一個(gè)新的時(shí)隙，讀寫(xiě)器同時(shí)跟蹤當(dāng)前的時(shí)隙。根據(jù)讀取目標(biāo)標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度劃分兩個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)最大和最小信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，根據(jù)最大和最小信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)之間的電子標(biāo)簽集估計(jì)無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)標(biāo)簽采集點(diǎn)到目標(biāo)標(biāo)簽之間的估計(jì)距離。

第三步，在無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境中的標(biāo)簽采集點(diǎn)的信號(hào)從小到大逐漸增加的過(guò)程中會(huì)讀取裝配標(biāo)簽的人員和物品的有源電子標(biāo)簽，也就是信號(hào)球與信號(hào)球相交。使用基于標(biāo)簽與無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)標(biāo)簽采集點(diǎn)接收距離的“三球交匯”公式（式1）對(duì)有源標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)球在電纜溝道模型的上下平面的截面圓心和圓半徑進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算目標(biāo)標(biāo)簽的估計(jì)坐標(biāo)。

最后，使用最小二乘法平面擬合得到目標(biāo)標(biāo)簽的估計(jì)坐標(biāo)。

2.4.3 算法流程圖

基于RFID和Wi-Fi標(biāo)簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，由無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽定位算法和有源Wi-Fi標(biāo)簽定位算法組成。無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽定位算法用于電纜溝道故障資產(chǎn)的實(shí)時(shí)定位，有源Wi-Fi標(biāo)簽定位算法用于電纜漏檢人員的實(shí)時(shí)定位。算法流程圖如圖4所示。

3 基于RFID定位中間件和Wi-Fi標(biāo)簽定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于RFID定位中間件和Wi-Fi標(biāo)簽定位系統(tǒng)基于本文設(shè)計(jì)的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，由安全巡視系統(tǒng)和故障定位系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

由圖5可知，安全巡視系統(tǒng)由有源Wi-Fi定位標(biāo)簽、無(wú)線通訊環(huán)境及定位運(yùn)算服務(wù)器系統(tǒng)組成，可對(duì)巡檢人員實(shí)現(xiàn)安全、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確定位的管理。故障定位系統(tǒng)由無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽、手持式帶有UHF讀頭的PDA、無(wú)線通訊環(huán)境、RFID定位中間件及應(yīng)定位運(yùn)算服務(wù)器系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)電力線路故障的實(shí)時(shí)定位和記錄問(wèn)題。

3.2 Web視圖實(shí)現(xiàn)

Web視圖配置界面設(shè)置了用戶對(duì)定位環(huán)境部署的配置信息，基本的配置信息包括信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)、PDA移動(dòng)采集點(diǎn)個(gè)數(shù)、標(biāo)簽密度、六面體模型長(zhǎng)寬高，如圖6所示。已知標(biāo)簽信息的查詢頁(yè)面如圖7所示。

配置界面的實(shí)現(xiàn)，使用html+Css+JavaScript進(jìn)行前端頁(yè)面布局，Java后臺(tái)實(shí)現(xiàn)配置信息的文件寫(xiě)入，整個(gè)項(xiàng)目在tomcat服務(wù)器上運(yùn)行。界面整體使用frame框架實(shí)現(xiàn)，frame包括frameset標(biāo)簽、frame標(biāo)簽、iframe標(biāo)簽，整個(gè)頁(yè)面布局分為頭部圖片、左邊操作菜單和右邊的顯示頁(yè)面部分。

已知標(biāo)簽頁(yè)面可以動(dòng)態(tài)的添加、刪除、修改已知標(biāo)簽信息，包括已知標(biāo)簽的EPC碼、坐標(biāo)、PDA的名稱以及移動(dòng)采集點(diǎn)的ID。

4 仿真結(jié)果

本文對(duì)基于RFID和Wi-Fi標(biāo)簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法進(jìn)行了性能仿真。算法的標(biāo)簽密度四個(gè)不同的密度等級(jí)的仿真分析如下：

信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)為1級(jí)對(duì)應(yīng)于劃分12個(gè)信號(hào)強(qiáng)度級(jí)別對(duì)應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)文件tag_density_error_1.txt包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容如表2所示。

信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)為2級(jí)對(duì)應(yīng)于劃分15個(gè)信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)文件tag_density_error_2.txt包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容如表3所示。

信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)為3級(jí)對(duì)應(yīng)于劃分18個(gè)信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)文件tag_density_error_3.txt包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容如表4所示。

信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)為4級(jí)對(duì)應(yīng)于劃分24個(gè)信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)文件tag_density_error_4.txt包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容如表5所示。

當(dāng)PDA測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)、已知標(biāo)簽密度為定值時(shí)，隨著信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)密度的增加，定位系統(tǒng)的精度提升，但是當(dāng)已知標(biāo)簽密度較小，信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)密度較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由于已知標(biāo)簽信息過(guò)少，無(wú)法得到定位結(jié)果的情況，需要在已知標(biāo)簽密度和信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠胶?。因此在?shí)際的定位部署中，需要選擇合適的已知標(biāo)簽密度以及信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)密度。

信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)誤差的仿真對(duì)比結(jié)果如圖8所示。圖中帶方塊的折線為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，帶圓點(diǎn)折線為不加入抗干擾策略下的算法性能，帶三角的折線為未做任何改進(jìn)的原始算法性能。從圖中可以看出當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)（K）劃分更多的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，所有算法定位的誤差都會(huì)逐漸減小，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的算法具有最優(yōu)的誤差性能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于RFID和Wi-Fi標(biāo)簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法，算法包括無(wú)源UHF超高頻RFID電子標(biāo)簽定位算法和有源Wi-Fi標(biāo)簽定位算法。文章首先闡述了研究背后及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，隨后介紹了本文算法所運(yùn)用的定位部署方案、信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)劃分、三球交匯模型及最小二乘擬合技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于RFID和Wi-Fi標(biāo)簽的電纜溝道安全巡視及故障定位算法。在第三章對(duì)基于算法及定位中間件的系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、配置與實(shí)現(xiàn)，在最后一章對(duì)算法進(jìn)行仿真和分析，證明了本文算法比較于原有算法的優(yōu)越性，能更好解決電子標(biāo)簽在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，因受到各種干擾而使得誤碼率增大、識(shí)別速度變慢、識(shí)別距離減小的問(wèn)題。

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