基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分析與設(shè)計(jì)

　　電力設(shè)備安全可靠性是超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)。由于電網(wǎng)設(shè)備中的觸頭和接頭接觸不良而造成的長(zhǎng)期承載大電流、觸頭老化等問題致使其電阻增大，繼而長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱引起的高壓柜，引發(fā)線纜燒毀等故障，是電網(wǎng)安全中的一個(gè)重要隱患。為盡可能地避免此類電力事故的發(fā)生，監(jiān)控電網(wǎng)中的觸頭和接頭的溫度狀態(tài)尤為重要，因此電力測(cè)溫是非常必要而且非常有意義的。

　　目前電力測(cè)溫方式主要有三種：(1)熱敏電阻/點(diǎn)偶方式。其缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)無線無源，在復(fù)雜場(chǎng)合，抗干擾能力弱;(2)光纖方式。其屬于有線方式，會(huì)破壞現(xiàn)有電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架;(3)紅外成像方式。其對(duì)方向性要求太高，而且由于高壓開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件互相遮擋較多，其準(zhǔn)確性不能滿足要求。這些測(cè)溫方式在一定程度上存在無法克服的缺陷，因此需要尋求一種更加可靠方便的電力測(cè)溫方式。

　　為此，本文介紹了一種基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用聲表面波(SAW)標(biāo)簽測(cè)溫技術(shù)的原理和優(yōu)點(diǎn)，以克服以往所有測(cè)溫方式的缺陷，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮了界面直觀性和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)更加可靠實(shí)用的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要用于監(jiān)控電力設(shè)備的溫度狀況，設(shè)備可以采用移動(dòng)手持式也可以采用固定式。要達(dá)到監(jiān)控的目的，大致要求具有如下三個(gè)方面的功能：(1)采集各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度信息;(2)顯示各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度狀態(tài)，并根據(jù)需要處理溫度數(shù)據(jù);(3)分析處理采集到的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)需要發(fā)送報(bào)警信號(hào)。根據(jù)設(shè)備的應(yīng)用需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　一般的RFID系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：標(biāo)簽、讀卡器、上位機(jī)。在本監(jiān)控系統(tǒng)中，擔(dān)任RFID系統(tǒng)中的讀卡器主要負(fù)責(zé)采集和處理標(biāo)簽信息，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信及交換數(shù)據(jù);標(biāo)簽采用的是SAW標(biāo)簽，貼在需要測(cè)量溫度的設(shè)備節(jié)點(diǎn)處;讀卡器發(fā)送標(biāo)簽詢問信息，在獲得標(biāo)簽ID值的同時(shí)提取反射信號(hào)與發(fā)送信號(hào)之間的頻率偏移值，通過計(jì)算得到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)溫度值，并判斷是否超出對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的允許溫度上限值，如超出范圍，則以一種警告信息形式通過GSM模塊發(fā)送到特定的手機(jī)上，等待得到及時(shí)處理。讀卡器還需要將采集到的溫度信息通過GPRS或通過有線局域網(wǎng)方式上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器暫存，以備查驗(yàn)。上位機(jī)具有監(jiān)控中心服務(wù)器的功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

　　SAW標(biāo)簽是一種新型的無源標(biāo)簽，它是一種利用聲表面波傳播原理制成的標(biāo)簽。聲表面波是一種在壓電固體材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深人固體材料的深度增加而迅速減小的彈性波。聲表面波標(biāo)簽由叉指換能器和反射柵組成。叉指換能器將接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲表面波，聲表面波信息經(jīng)過按某種特定規(guī)律設(shè)計(jì)的反射柵反射后，再次經(jīng)過叉指換能器被轉(zhuǎn)換成帶有標(biāo)簽編碼信息的射頻電信號(hào)，然后通過天線被發(fā)射出去。

　　同時(shí)，由于聲表面波在標(biāo)簽上傳輸時(shí)標(biāo)簽的溫度會(huì)影響其頻率的變化，因此在接收端提取到接收信號(hào)的頻率，可以利用這個(gè)頻率值和之前發(fā)射的本振信號(hào)頻率進(jìn)行比較得到一個(gè)頻率偏移值，通過特定的計(jì)算便可以得到所測(cè)標(biāo)簽的溫度信息。

　　SAW標(biāo)簽傳遞的溫度參數(shù)信息一般由硬件電路對(duì)其實(shí)現(xiàn)提取，圖1中的溫度參數(shù)提取模塊即為本設(shè)計(jì)的溫度信息的提取電路。在RFID系統(tǒng)中，對(duì)于無源標(biāo)簽，讀卡器端首先需要發(fā)送特定的詢問信息，然后等待接收返回的射頻信號(hào);返回的射頻信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器、濾波器、混頻器、A/D轉(zhuǎn)換器等一系列的處理后，使用FFT算法對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的溫度信息。

　　2系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)

　　讀卡器采用ARM 11架構(gòu)、功能強(qiáng)大的S3C6410處理器，可以支持多個(gè)嵌人式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Windows CE操作系統(tǒng)，下面主要介紹使用C/C++開發(fā)Windows CE應(yīng)用程序的過程。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整體流程圖如圖2所示。

　　由圖2可知，通過溫度參數(shù)提取電路后的數(shù)據(jù)經(jīng)過兩條不向的路線進(jìn)行處理。其中一條用于在監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行顯示，繪制溫度一時(shí)間曲線分析計(jì)算特殊值(最大值、最小值、平均值)信息;另外一條是用來分析參數(shù)和對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息，判斷數(shù)值是否超標(biāo)，并根據(jù)這一情況決定是否啟動(dòng)GSM短信報(bào)警模塊，以便在一定的周期上傳數(shù)據(jù)于中心服務(wù)器備份保存。

　　本W(wǎng)indow CE應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境為VS2005, Window CE操作系統(tǒng)采用6.0版本。

　　2.1溫度參數(shù)提取

　　由于數(shù)據(jù)采集部分主要由硬件電路完成，因此軟件設(shè)計(jì)主要完成簡(jiǎn)單的控制和最后對(duì)數(shù)據(jù)的處理。

　　首先，程序控制通過MUM模塊發(fā)送特定的標(biāo)簽詢問碼。這個(gè)詢問碼是規(guī)定的一個(gè)8 bit的碼序列，只需設(shè)定它發(fā)送的信號(hào)頻段保證能被標(biāo)簽正確地接收即可，信號(hào)通過標(biāo)簽后自動(dòng)反射回來。發(fā)送完詢問碼后，程序進(jìn)人等待接收狀態(tài)。

　　反射回來的信號(hào)通過一系列的硬件電路處理后到達(dá)處理器的是基帶信號(hào)，這個(gè)信號(hào)包含了標(biāo)簽的ID和標(biāo)簽所在物體的溫度信息。通過抽樣判斷從信號(hào)幅度中可以得到ID值;數(shù)據(jù)送人到分析器中進(jìn)行FFT計(jì)算，便可以得到溫度參數(shù)信息;通過對(duì)比頻率偏移與溫度之間的關(guān)系即可以確定物體溫度。

　　2.2監(jiān)控狀態(tài)顯示和跟蹤繪制曲線

　　本部分主要功能是把從射頻端口采集到的信息按照對(duì)應(yīng)的ID信息顯示在相應(yīng)的顯示框中，然后根據(jù)需求對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤繪制曲線和計(jì)算特殊值的處理。

　　2.2.1溫度信息的實(shí)時(shí)顯示

　　采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)其標(biāo)簽編號(hào)分別存放在不同的隊(duì)列中。從隊(duì)列中讀取的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化后分別顯示在相應(yīng)的顯示框中。數(shù)據(jù)顯示始終和數(shù)據(jù)采集保持同步，數(shù)據(jù)采集周期為50 ms，每進(jìn)行一次采集，數(shù)據(jù)立刻進(jìn)行更新顯示。

　　本設(shè)計(jì)中存放數(shù)據(jù)的隊(duì)列使用的是CList類，這個(gè)類可以定義其存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型，并具有豐富的成員函數(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作。

　　2.2.2數(shù)據(jù)跟蹤和分析處理

　　在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面，可以選擇需要跟蹤分析的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和繪制曲線的溫度范圍，根據(jù)選擇調(diào)用對(duì)應(yīng)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)來繪制曲線，對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤來觀察數(shù)據(jù)的變化情況，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算某個(gè)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值以及可以對(duì)繪制曲線的界面進(jìn)行截圖保存。

　　在VS2005開發(fā)環(huán)境中，繪制曲線使用自定義控件來完成。但在使用自定義控件之前必須在對(duì)話框?qū)?yīng)類的構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用窗口類的注冊(cè)函數(shù)，對(duì)窗口類進(jìn)行注冊(cè)，這樣在添加自定義控件時(shí)，控件的對(duì)應(yīng)類名欄填寫的類才可以使用。跟蹤曲線的繪制由MoveTo()和LineTo()完成，只要使其繪制直線的區(qū)間足夠短，由無數(shù)的直線段連接起來的線直觀上便可以表示是連續(xù)變化的曲線。由于繪制曲線首先需要繪制坐標(biāo)系、刻度線、暗格和邊框等，因此，設(shè)計(jì)時(shí)定義了一個(gè)類用來專門完成有關(guān)繪制曲線的操作，只需要調(diào)用對(duì)應(yīng)的類成員函數(shù)即可。

　　2.3危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警和數(shù)據(jù)上傳

　　數(shù)據(jù)的另外一條的處理途徑就是進(jìn)人到GSM和備份上傳處理模塊，主要完成危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警和數(shù)據(jù)上傳功能。

　　2.3.1危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警

　　這一部分?jǐn)?shù)據(jù)首先用來判斷各個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的溫度值是否超出了這個(gè)標(biāo)簽溫度的上限值，一旦判斷超出了這個(gè)上限值，程序立即啟動(dòng)GSM模塊將此標(biāo)簽編號(hào)及其對(duì)應(yīng)的設(shè)備編號(hào)和此溫度值一起通過GSM模塊使用AT指令發(fā)送文本形式的SM于特定的手機(jī)號(hào)碼中。通常這個(gè)號(hào)碼屬于負(fù)責(zé)維護(hù)此設(shè)備的維護(hù)人員，這樣就可以使其危險(xiǎn)信息在第一時(shí)間傳遞到直接負(fù)責(zé)人手中，使出現(xiàn)的問題能得到及時(shí)處理。

　　這個(gè)上限容值的最初值是取于經(jīng)驗(yàn)值，為此本系統(tǒng)還提供了對(duì)此經(jīng)驗(yàn)值的校準(zhǔn)。在跟蹤繪制單個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度一時(shí)間曲線時(shí)，通過分析其在通常情況下的曲線變化情況，可以得到數(shù)據(jù)變化的最大值、最小值和平均值，這些值經(jīng)過正常工作情況下的多次統(tǒng)計(jì)，就可以用來校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)值，使得對(duì)應(yīng)的溫度上限值在特定的情況下能夠更加準(zhǔn)確、可靠。

　　2.3.2數(shù)據(jù)上傳備份

　　將采集到的數(shù)據(jù)存放在隊(duì)列CList中，但是由于大量的存儲(chǔ)需要占用設(shè)備的存儲(chǔ)資源，而在移動(dòng)設(shè)備上存儲(chǔ)空間是相當(dāng)寶貴的，而且要承擔(dān)由于系統(tǒng)發(fā)生故障而使數(shù)據(jù)完全丟失的風(fēng)險(xiǎn)，因此不可能使數(shù)據(jù)一直存放在本設(shè)備中，需要將數(shù)據(jù)上傳于服務(wù)器暫存?zhèn)浞荨＿@種數(shù)據(jù)傳輸屬于大數(shù)據(jù)量的傳輸，因此本設(shè)計(jì)選用網(wǎng)口模塊通過接入局域網(wǎng)或者使用GSM網(wǎng)絡(luò)上的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來完成。這兩種方式可根據(jù)不同情況下網(wǎng)絡(luò)的可用性來選擇，都可以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/P>

　　數(shù)據(jù)上傳自動(dòng)完成需要對(duì)上傳周期和上傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，在進(jìn)人監(jiān)控軟件后首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可用性設(shè)置選擇有線還是無線網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的上傳周期。

　　3軟件設(shè)計(jì)效果

　　軟件運(yùn)行后首先進(jìn)人歡迎界面，這里可以選擇“進(jìn)人監(jiān)控界面”，還是“進(jìn)人配置界面”，點(diǎn)擊按鈕即可進(jìn)人相應(yīng)界面。進(jìn)人監(jiān)控界面后可以觀察目前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)人配置界面后可以配置數(shù)據(jù)上傳的周期和所使用的網(wǎng)絡(luò)。軟件歡迎界面如圖3所示。

　　點(diǎn)擊圖3所示“進(jìn)人監(jiān)控界面”按扭后即進(jìn)人設(shè)備節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控界面，這個(gè)界面顯示目前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度狀況。在這里可以選擇跟蹤單個(gè)節(jié)點(diǎn)分析其數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“繪制曲線”即可進(jìn)人跟蹤繪制曲線界面，可以選擇跟蹤的節(jié)點(diǎn)和繪制曲線溫度的范圍值。設(shè)備節(jié)點(diǎn)監(jiān)控界面如圖4所示。

　　點(diǎn)擊圖4中所示的“繪制曲線”按扭即可進(jìn)人跟蹤繪制曲線界面，如圖5所示。在這個(gè)界面可以選定曲線的起始和終止位置，分析數(shù)據(jù)的特殊值，可以抓取繪制曲線圖像，也可以選擇圖像暫停繪制和開始從頭繪制圖像。

　　若點(diǎn)擊圖3所示界面中“進(jìn)人配置界面”按扭就可以配置備份數(shù)據(jù)上傳的周期和選用的網(wǎng)絡(luò)。其界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

　　本文所述的監(jiān)控設(shè)備采用射頻識(shí)別與聲表面波相結(jié)合的技術(shù)測(cè)量節(jié)點(diǎn)溫度信息，設(shè)計(jì)從實(shí)用性和可靠性方面對(duì)已有監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，使得設(shè)備更加實(shí)用可靠，而且界面更加直觀。