РАДИОЧАСТОТНАЯ МЕТКА ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ ПОДЗЕМНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к средствам идентификации и определения местоположения элементов подземной инфраструктуры, в частности, труб для транспортировки жидких или газообразных сред, с использованием метода радиочастотной идентификации.
Уровень техники
Из уровня техники известно средство определения местоположения полимерных труб для транспортировки жидких сред, описанное в публикации US 20130263958, кл. F16L 55/00, опубл. 2013-10-10, включающее RFID-метку, содержащую резонансный контур, последовательно или параллельно соединенную с индуктивным элементом или антенной. Антенна воспринимает магнитное поле высокой частоты, которое создается ридером.
Наиболее близким аналогом заявляемому средству можно назвать публикацию по заявке РФ №2011129333, кл. G06K 19/073, опубл. 2013-01-20, в которой описана RFID-метка, содержащая: антенну в виде катушки индуктивности, микросхему RFID, соединенную с антенной, при этом метка дополнительно содержит электрическую схему, соединенную с входами, и средство для управления работой электрической схемы.
Однако известные средства имеют недостаточную дальность передачи сигнала, в особенности через грунт, а также не обеспечивают одновременную идентификацию и локализацию элементов подземной инфраструктуры.
Краткое изложение сущности полезной модели
Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является обеспечение идентификации объектов подземной инфраструктуры, находящихся в грунте на глубине до 2-х метров при сохранении возможности их локализации. Технический результат, который может быть получен при решении поставленной задачи, заключается в обеспечении одновременной локализации и идентификации объекта подземной инфраструктуры с поверхности земли.
Указанный технический результат согласно одному варианту выполнения полезной модели может быть получен за счет конструкции радиочастотной метки, включающей соединенные антенну в виде катушки индуктивности и микросхему RFID, в которую интегрирован конденсатор, причем микросхема RFID является низкочастотной и включает блок памяти, с записанным в него уникальным идентификационным кодом и/или информацией об объекте, а катушка индуктивности выполнена плоско-навитой.
Согласно другому варианту выполнения полезной модели технический результат может быть получен за счет такой конструкции радиочастотной метки, которая включает соединенные антенну в виде катушки индуктивности и микросхему RFID, причем микросхема RFID является низкочастотной и включает блок памяти, с записанным в него уникальным идентификационным кодом и/или информацией об объекте, катушка индуктивности выполнена плоско-навитой и параллельно соединена с конденсатором.
При этом плоская антенна представляет собой уложенные в один слой витки, где витки выполнены из изолированного медного провода, антенна, предпочтительно, имеет форму прямоугольника, а метка содержит дополнительный конденсатор, параллельно соединенный с антенной.
Для обеспечения идентификации объектов подземной инфраструктуры, расположенных на глубине до 2 м необходимо иметь метку, которую можно закрепить на объекте подземной инфраструктуры или непосредственно рядом с ним, в блоке памяти которой содержится информация, однозначно идентифицирующая этот объект. Метка также может содержать уникальный идентификационный код или информацию и идентификационный код. При этом необходимо предусмотреть техническую возможность считывания этой информации и/или уникального идентификационного кода с поверхности земли с помощью специального считывателя (ридера). Однако при проведении земляных работ недостаточно только проидентифицировать данный объект, возникает необходимость одновременно получить данные о его локализации. На основе указанной информации (идентификационной информации и информации о размещении) можно создать единую базу данных для удобства проведения ремонтных работ, прокладки новых инфраструктур и т.д. с целью исключения нарушения уже имеющихся коммуникаций. Однако известные средства на базе RFID метки позволяют получать данные только по идентификации объектов, но не по их локализации, и при этом возникают проблемы, связанные с большой глубиной размещения объектов и наличия грунта, поглощающего радиоволны.
Раскрытие заявляемого решения
Большинство RFID-меток состоит из двух частей: микросхемы RFID для модулирования и демодулирования радиочастотного сигнала, включающей блок памяти, и соединенной с ней антенной в виде катушки индуктивности для приема и передачи сигнала. Катушка индуктивности используется совместно с конденсатором для организации резонансного контура, который должен иметь долговременную стабильность и высокую добротность.
Известно, что коэффициент поглощения электромагнитных волн в среде определяется электрофизическими параметрами среды и зависит от частоты волны. Волны низких частот поглощаются средой существенно слабее, чем волны более высоких частот. С учетом указанного, для локализации и идентификации объектов подземной инфраструктуры, особенно во влажных грунтах, авторами было предложено использование микросхемы RFID, работающей в низкочастотном диапазоне от 30 кГц до 300 кГц, преимущественно 100-150 кГц, но более предпочтительно, на частоте 125 кГц, которая наряду с частотой 134.2 кГц является стандартной для низкочастотных RFID меток и определена в международном стандарте ISO 18000 с использованием соответствующих ридеров. Выбор низкочастотной микросхемы RFID обеспечивает идентификацию объекта через грунт.
С целью обеспечения функции идентификации объекта в блок памяти микросхемы RFID записан уникальный идентификационный код. Кроме уникального кода может быть записана информация об объекте. Идентификационный код является неизменяемым и записывается в микросхему RFID на этапе ее производства. Поскольку такой код уникален, то возможно создание базы данных, в которой будут храниться характеристики идентифицируемого объекта, соотносящиеся с уникальным кодом. Размеры записей в такой базе данных могут многократно превосходить объем памяти в микросхеме RFID, тем самым существует возможность описать объект с необходимой полнотой. Информация об объекте может быть записана в блок памяти микросхемы RFID дополнительно к уникальному коду. При этом такая информация может перезаписываться и дополняться или изменяться. В момент инициализации RFID метки специальным считывателем (ридером) путем модуляции излучаемого радиосигнала воспроизводится указанная информация и/или уникальный идентификационный код, которым соответствует информация, относящаяся к конкретному объекту. Таким образом, обеспечивается полнота идентификации объекта.
В процессе инициализации метки, с учетом необходимости обеспечения требуемой максимальной дальности считывания метки (до 2 метров), а также для уменьшения мощности радиосигнала, необходимого для считывания метки, площадь антенны метки и число ее витков должно быть максимально возможными. При этом паразитная межвитковая емкость должна быть минимальной, а индуктивность антенны - приемлемой для создания низкочастотного колебательного контура. Для создания колебательного контура (резонансного контура) антенна в виде катушки индуктивности должна использоваться с конденсатором соответствующей емкости. Обычно внутри микросхемы RFID интегрирован конденсатор емкостью до нескольких сот пикофарад. Возможно использование внешнего конденсатора в случае отсутствия его внутри микросхемы. При необходимости, для получения нужной величины резонансной частоты подключают внешний дополнительный конденсатор требуемого номинала. Получившийся колебательный контур подключается к входам микросхемы RFID. Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет получить требуемую резонансную частоту для одновременной идентификации и локализации объекта.
Серийно выпускаемые низкочастотные RFID-метки с большой дальностью считывания, как правило, имеют максимальную дальность считывания не более 1 м. Они снабжаются антеннами, представляющими собой многослойные цилиндрические катушки индуктивности, чтобы сделать антенну максимально компактной. Часто такие антенны имеют ферритовый сердечник. Однако такой вид антенн плохо подходит для задачи идентификации и локализации объектов подземной инфраструктуры. Во-первых, при уменьшении площади витка антенны необходимо, для сохранения эффективности антенны и обеспечения нужной дальности считывания, увеличивать число витков. Во-вторых, многослойная катушка имеет большую межвитковую паразитную емкость, для уменьшения которой необходимо применять специальные способы намотки, что увеличивает сложность изготовления антенны и ее цену. А также, применение ферритового сердечника, хоть и уменьшает размеры катушки и число витков, но ухудшает воспроизводимость параметров антенны - индуктивности и добротности - при массовом производстве, т.к. они сильно зависят от стабильности величины магнитной проницаемости феррита. Кроме того, наличие ферритового сердечника значительно увеличивает стоимость метки.
С целью получения максимальной дальности считывания метки авторами была предложена конструкция антенны, представляющая собой плоскую многовитковую катушку, намотанную изолированным медным проводом виток к витку. А для обеспечения требуемой высокой добротности (Q=60) катушки необходимо наматывать ее медным проводом достаточного сечения. Кроме того, при серийном производстве антенны указанная конструкция обеспечивает воспроизводимость параметров - индуктивности и добротности - с точностью, которая не ухудшает дальность считывания готовой RFID метки. Готовая антенна ламинируется полиэтиленовой пленкой.
Антенна, выполненная в виде плоско-навитой катушки, обеспечивает локализацию объекта с одновременной его идентификацией, т.к. такая форма антенны облегчает контроль ориентации плоскости антенны RFID метки в пространстве по отношению к горизонтальной плоскости при закреплении метки на объекте подземной инфраструктуры. При размещении RFID метки под углом к горизонтальной плоскости снижается достоверность определяемого сигнала. На поверхности земли область, внутри которой считывается метка, представляет собой круговую область некоторого радиуса, зависящего от глубины расположения метки и величины поглощения радиосигнала в грунте. Центр этого круга наиболее точно соответствует положению RFID метки под землей. Точность определения положения метки под землей будет зависеть от величины отклонения плоскости антенны метки от горизонтальной плоскости. Таким образом, решается задача локализации объекта подземной инфраструктуры.
Плоская антенна может быть также получена травлением фольги на подложке. Однако такой вариант выполнения является менее подходящим из-за большего сопротивления катушки (при равных габаритах), по сравнению с катушкой, плоско навитой медным проводом, и, следовательно, снижается показатель добротности, а также, что является немаловажным, увеличивается стоимость изготовления такой антенны. В следствие чего, предпочтительно изготовление антенны плоско-навитой. Форма выполнения антенны может быть различной, как прямоугольной, так и квадратной или круглой. Однако прямоугольная форма имеет преимущества перед остальными формами для маркировки объектов, имеющих протяженную форму, в частности, труб, особенно объектов малого диаметра. Это связано с тем, что для локализации с одновременной идентификацией объекта малого диаметра, имеющего метку круглой формы, необходимо будет увеличивать ширину траншеи, в которую объект укладывается. Метка же прямоугольной формы может быть закреплена вдоль объекта, в частности, трубы. Следует отметить, что для сильно вытянутых антенн, у которых длина много больше ширины, снижаются показатели точности локализации. Поэтому антенны прямоугольной формы, с правильно выбранными размерами, более удобны для локализации с одновременной идентификацией объекта.
Заявляемое решение представлено на фиг. 1, на котором схематично изображена конструкция метки и ее сечения, согласно заявленным вариантам выполнения метки. Где плоская антенна (1), представляет собой уложенные в один слой витки (2), при этом витки (2) расположены в виде прямоугольника. Антенна (1) подключается к микросхеме RFID (3). В представленном на фиг. 1 варианте исполнения, метка содержит дополнительный конденсатор (4). Вся конструкция ламинируется пленкой (5).
Для закрепления предлагаемой здесь метки на объекте она должна быть помещена в контейнер (корпус), выдерживающий механические нагрузки, возникающие при закапывании и эксплуатации метки под землей на глубине до 2-х метров. Корпус для метки должен быть снабжен системой крепления, позволяющий закрепить его на объекте подземной инфраструктуры так, чтобы плоскость антенны метки была ориентирована горизонтально, и не допускающей смещения метки в момент закапывания.
Метки должны устанавливаться на объекты подземной инфраструктуры на таком расстоянии друг от друга, чтобы при считывании, сигналы от двух и более меток не накладывались друг на друга.
Пример осуществления полезной модели
В соответствии с заявляемой конструкцией полезной модели была разработана радиочастотная метка, предназначенная для маркировки полиэтиленовых труб, лежащих на глубине до 1.5 м. Указанная метка, помещенная в соответствующий контейнер (корпус) предназначена для маркировки труб от 10 см в диаметре и выше. Следует отметить, что при увеличении диаметра трубы, выбранные размеры метки остаются неизменными, изменениям подлежат размеры контейнера (корпуса), в котором метка размещается, а также система крепления контейнера на трубу. Для удобства эксплуатации, была выбрана прямоугольная форма антенны метки и выбрана максимальная ширина метки, с учетом ширины корпуса не более 10 см. Расчеты и испытания изготовленных прототипов меток показали, что при выборе антенны размерами 80 на 240 мм достижима дальность считывания метки около 2 м в сухом грунте и более 1.5 м во влажном грунте с большим содержанием соли. При этих размерах антенна представляет собой плоскую катушку, навитую проводом ПЭТ-155-025 диаметром 0.25 мм с числом витков 140. При таких параметрах индуктивность катушки составляет 1.71 мГн, сопротивление 21 ом, показатель добротности около 60. Данная конструкция антенны отвечает требованиям максимальной дальности считывания, оптимальных габаритов, обеспечивающей надежность одновременной локализации и идентификации полиэтиленовых труб с поверхности земли, а также, что считается немаловажным, минимальной цены готовой RFID метки.
Выбранная микросхема RFID типа ЕМ4305 имеет внутри интегрированный конденсатор емкостью 330 пф. К ней был подключен дополнительный конденсатор емкостью 620 пф, таким образом, суммарная емкость составила 950 пф. Вместе с антенной индуктивностью 1.71 мГн она образует колебательный контур с резонансной частотой 125 кГц.
Сама микросхема RFID типа ЕМ4305 является бескорпусной и вместе с дополнительным конденсатором монтируются на подложку размерами 10 на 3 мм. После осуществления монтажа микросхема RFID заливается эпоксидным компаундом. К контактным площадкам подложки затем припаивается антенна. Получившаяся конструкция метки ламинируется полиэтиленовой пленкой, обеспечивающей механическую целостность, как антенне, так и самой метке. Указанный пример является неисчерпывающим заявленное техническое решение, т.к. выбранные параметры могут варьироваться в пределах необходимости обеспечения установленных требований.
Указанная конструкция метки является простой, но при этом обеспечивающей достоверную локализацию с одновременной идентификацией объекта, технологически пригодной для массового производства, и достаточно дешевой. Ее габаритные размеры невелики, что положительно сказывается на цене корпуса для размещения такой метки и удобство работы с ним. При испытаниях при закапывании метки в грунт на глубину 2.0 м было получено устойчивое считывание информации с метки с поверхности земли.