引言

地下管線檢測(cè)和識(shí)別在管網(wǎng)傳輸中起到越來越重要的作用。隨著科技的發(fā)展，越來越多的非金屬管線用于通信、給排水、燃?xì)獾阮I(lǐng)域。而由于非金屬管線不導(dǎo)電也不導(dǎo)磁，使得查找和定位工作難以順利開展。

無線射頻識(shí)別技術(shù)是一種通信技術(shù)，通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸[1]。無線射頻識(shí)別技術(shù)一般應(yīng)用于圖書管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、食品(藥品)安全追溯等等。

無線射頻設(shè)別技術(shù)分為有源和無源兩種。近幾年來，由于無線無源射頻識(shí)別技術(shù)的非接觸性和無源特點(diǎn)，無線射頻識(shí)別技術(shù)也應(yīng)用于地下管線標(biāo)識(shí)和定位中。該技術(shù)可穿透地面水泥、覆土等，閱讀器可以直接與地下管線定位的信號(hào)識(shí)別器進(jìn)行問詢和應(yīng)答，完成地下管線的定位和識(shí)別。在電力、通信、煤氣和供水等地下管線的定位和數(shù)字化管理中得到了一定的應(yīng)用。

本文對(duì)無線射頻設(shè)別技術(shù)地下管線分析，介紹了無線射頻技術(shù)在地下管線的系統(tǒng)方案，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)無線射頻識(shí)別技術(shù)在地下管線的應(yīng)用提出了展望。

1 系統(tǒng)方案

無線射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由閱讀器、應(yīng)答器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成[2]。應(yīng)答器一般由標(biāo)簽組成，每個(gè)標(biāo)簽由芯片、射頻前端與存儲(chǔ)器組成，具有唯一的電子編碼，憑借扎帶或其他輔助工具附著在地下管線或者直接敷設(shè)在地下管線上方。閱讀器控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)送讀取信號(hào)，并接受標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。應(yīng)用層軟件系統(tǒng)則把收集到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，為管線用戶定位、設(shè)備管理所用，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

閱讀器和應(yīng)答器通過感應(yīng)電流進(jìn)行激活。閱讀器通過內(nèi)部線圈發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入線圈的工作區(qū)域內(nèi)時(shí)，標(biāo)簽內(nèi)部電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時(shí)標(biāo)簽被激活，其自身編碼信息通過內(nèi)置電路發(fā)射出去，然后閱讀器進(jìn)行接收。

圖1 系統(tǒng)方案

2 射頻模式供電機(jī)理

射頻識(shí)別系統(tǒng)機(jī)理接近于變壓器機(jī)理，閱讀器的作用相當(dāng)于主線圈，應(yīng)答器相當(dāng)于次線圈。閱讀器和應(yīng)答器有磁性，并且互相作用[3]。能從閱讀器到應(yīng)答器傳輸?shù)哪芰恐饕Q于：

· 應(yīng)答器的天線如何更好的調(diào)諧接近于閱讀器的讀取頻率

· 應(yīng)答器和讀寫器之間的距離

· 閱讀器天線尺寸和應(yīng)答器電路板內(nèi)置天線

· 讀取功率

· 應(yīng)答器天線對(duì)于閱讀器天線的定位

圖2 射頻模式供電機(jī)理

無線射頻識(shí)別供電機(jī)理如圖2所示，當(dāng)應(yīng)答器位于閱讀器的電磁感應(yīng)區(qū)域時(shí)，大量的磁力線通過應(yīng)答器和閱讀器天線。能量大小取決于閱讀器產(chǎn)生多少磁力線通過應(yīng)答器的天線，這直接影響到讀取范圍。

· 最好兩個(gè)天線面對(duì)面平行

· 當(dāng)兩個(gè)天線互相垂直時(shí)，讀取范圍為0

· 不同的定位方向會(huì)導(dǎo)致不同的讀取范圍

3 射頻閱讀器和識(shí)別器設(shè)計(jì)

無源射頻識(shí)別器不裝有電池，在閱讀器的讀出范圍之外時(shí)，識(shí)別器處于不工作狀態(tài)。當(dāng)位于閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時(shí)，識(shí)別器從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取工作所需電源。介于這種工作特點(diǎn)，無源射頻識(shí)別器非常適用于地下管線的標(biāo)識(shí)和定位。

射頻閱讀器和識(shí)別器的核心在于RFID芯片。通常RFID芯片供電電壓1.8V-5.5V，帶有4K、16K或64K的E2PROM，通過片內(nèi)串行總線I2C或者射頻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖2為RFID芯片ST25的識(shí)別器電路原理圖。射頻識(shí)別芯片通過SCL和SDA和主控制器芯片完成通訊。控制器再和上位機(jī)完成信息交換傳輸。

一般控制器由單片機(jī)、ARM等設(shè)計(jì)。目前很多單片機(jī)和ARM核心芯片已經(jīng)帶有GPS功能，通過GPS模塊可以便捷的完成GPS定位，便于日后識(shí)別器的定位。這類單片機(jī)和ARM芯片通常帶有豐富的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，如GPRS、WIFI、紅外、藍(lán)牙等等。通過這些模塊可以遠(yuǎn)程完成和通過設(shè)備管理系統(tǒng)的通訊。

識(shí)別芯片帶有內(nèi)置E2PROM，可以將應(yīng)答器關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息進(jìn)行存儲(chǔ)，比如管徑、經(jīng)緯度、埋深、維修記錄等等。

4 優(yōu)缺點(diǎn)

目前用于管道探測(cè)技術(shù)主要有管線定位儀、探地雷達(dá)和射頻標(biāo)識(shí)器。他們具有如下優(yōu)缺點(diǎn)。

管線定位儀適用于金屬管道，但不適用于非金屬管道，并且在管道中插入非金屬定位探頭需要安排停運(yùn)。新設(shè)施施工過程中非常容易損壞非金屬管道里的示蹤線。

探地雷達(dá)適用于各種土壤，但其校準(zhǔn)效果取決于覆蓋土層類型，因?yàn)楦餐敛馁|(zhì)會(huì)影響超聲波速度。對(duì)于體積較小的目標(biāo)物體不適合，并且探測(cè)目標(biāo)區(qū)域不能有復(fù)雜的地下管網(wǎng)。

射頻標(biāo)識(shí)器在土壤適用范圍、管材使用范圍比管線定位儀和探地雷達(dá)有著先天性的優(yōu)點(diǎn)。它定位精度高，適用于各種土壤類型，適合所有管材、所有管線的管徑，可以記錄管線的各種特征，如閥門、三通、拐彎等。射頻標(biāo)識(shí)器工作時(shí)不需要管線停運(yùn)，即可直接讀出管線類型和維護(hù)信息，并且可以連續(xù)工作達(dá)五十年以上。

射頻標(biāo)識(shí)器也缺點(diǎn)，需要在管道施工前或者管道維修時(shí)進(jìn)行敷設(shè)，并且對(duì)敷設(shè)有一定的要求。

5 施工注意事項(xiàng)

(1)施工要求

標(biāo)識(shí)器應(yīng)與管線及設(shè)施同步安裝。在管線的特征點(diǎn)(分支點(diǎn)、接頭、拐彎、三通等)敷設(shè)射頻識(shí)別器，用來標(biāo)記和定位地下管線。針對(duì)不同的管線，選擇不同的頻率。地下管線單一(如長(zhǎng)輸管道)時(shí)，可以采取大間距敷設(shè)(如50米間距)。當(dāng)?shù)叵鹿芫€復(fù)雜時(shí)，應(yīng)采取小間距敷設(shè)(如30米間距)。

(2)現(xiàn)階段埋深最大為2.2米。

(3)考慮到日后地面會(huì)有填高或者削低的可能，敷設(shè)時(shí)建議將標(biāo)識(shí)器埋深約在0.8-1.2米之間。

(4)標(biāo)識(shí)器應(yīng)置于管線正上方。如現(xiàn)場(chǎng)條件制約，無法置于正上方時(shí)，可在管線上方其他可放置的位置敷設(shè)。但必須在標(biāo)識(shí)器中記錄該位置偏離信息。

(5)盡量選擇有地面明顯參照物旁敷設(shè)標(biāo)識(shí)器。

(6)對(duì)于有故障加以維修的管線處，維修時(shí)應(yīng)同步敷設(shè)標(biāo)識(shí)器。

(7)標(biāo)識(shí)器中存儲(chǔ)信息應(yīng)包括小類管線設(shè)施代碼且代碼不能重復(fù)。

6 小結(jié)

隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，地下管線定位和標(biāo)識(shí)技術(shù)在電力、通信、供排水中起到越來越重要的作用。近幾年來，無線射頻技術(shù)在地下管線領(lǐng)域也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，隨著無線通訊距離的增加，在地下管線領(lǐng)域無線射頻技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。