基于RFID傳感器的配網(wǎng)設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

　　0 引言

　　溫度是電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制的重要參數(shù)，高壓全封閉設(shè)備的測(cè)溫難點(diǎn)主要包括：(1)全封閉設(shè)備，關(guān)鍵點(diǎn)溫度不易測(cè)量;(2)高溫環(huán)境對(duì)測(cè)溫終端電池有要求，且電池更換不易，維護(hù)工作量大;(3)高壓環(huán)境下，有線影響絕緣要求，不利于設(shè)備運(yùn)行[1，2]。

　　無(wú)線測(cè)溫技術(shù)具有測(cè)量范圍大、準(zhǔn)確度高、不影響設(shè)備運(yùn)行、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)?；跓o(wú)線測(cè)溫的優(yōu)勢(shì)及全封閉設(shè)備的測(cè)溫難點(diǎn)，提出了一種基于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的無(wú)源無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線供電方式向在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源，具有較高的安全性和抗干擾性;通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式的信息交互與信息采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控及管理。文中介紹了超高頻射頻識(shí)別技術(shù)的原理和架構(gòu)，指出了實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別溫度監(jiān)測(cè)的各關(guān)鍵技術(shù)，提出了系統(tǒng)在高壓開(kāi)關(guān)柜的實(shí)施方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了系統(tǒng)方案的可行性。

　　1 超高頻射頻識(shí)別技術(shù)

　　溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組件主要由3部分構(gòu)成：溫度傳感器標(biāo)簽、讀寫器、后臺(tái)服務(wù)器[3]。其中后臺(tái)服務(wù)器通過(guò)RS485總線或網(wǎng)線連接至讀寫器，讀寫器通過(guò)饋線與其天線相連，標(biāo)簽天線集成在標(biāo)簽芯片上，標(biāo)簽與讀寫器應(yīng)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

　　系統(tǒng)基本工作流程如圖1所示。首先，讀寫器產(chǎn)生一個(gè)載波信號(hào)并通過(guò)其天線發(fā)射出去，當(dāng)傳感標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器所發(fā)射的電磁波有效覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)，傳感標(biāo)簽被激活，激活的標(biāo)簽將存儲(chǔ)在芯片中的識(shí)別信息通過(guò)其內(nèi)置天線發(fā)送高頻信號(hào)至讀寫器天線，高頻信號(hào)經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器進(jìn)行解調(diào)和譯碼，然后送到上位機(jī)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)軟件根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽合法性，針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制[4]，如發(fā)出溫度預(yù)警信息等。

　　溫度標(biāo)簽安裝于配網(wǎng)設(shè)備內(nèi)，作為一種無(wú)線射頻識(shí)別傳感器，每個(gè)標(biāo)簽都存放有各自的識(shí)別信息，包括：EPC碼(Electronic Product Code)和溫度數(shù)據(jù)，其中標(biāo)簽EPC碼唯一且在出廠時(shí)已固定[5]。識(shí)別信息由讀寫器讀出，根據(jù)標(biāo)簽EPC碼設(shè)置安裝地址，用戶在服務(wù)器端知道哪些特定的傳感器在發(fā)送關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而知道溫度關(guān)鍵點(diǎn)的地址問(wèn)題，達(dá)到關(guān)鍵點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的目的。

　　2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮6種關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括：溫度傳感器標(biāo)簽及讀寫器天線的選型、標(biāo)簽抗金屬設(shè)計(jì)、通信距離估算、防碰撞算法、設(shè)備安裝及后臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)等。

　　2.1 標(biāo)簽及天線選型

　　本文選取的溫度標(biāo)簽[6]參數(shù)規(guī)格如表1所示;讀寫器天線為美國(guó)LAIRD公司生產(chǎn)的S8658，其參數(shù)規(guī)格如表2。

　　2.2 傳感標(biāo)簽抗金屬設(shè)計(jì)

　　由于標(biāo)簽應(yīng)用于配網(wǎng)設(shè)備，必須考慮金屬對(duì)標(biāo)簽的影響[7，8]。本文采用一種成本相對(duì)較低并且簡(jiǎn)單易用的抗金屬設(shè)計(jì)方法，使用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic)封裝外殼墊高標(biāo)簽并在外殼底部采用AMC結(jié)構(gòu)，如圖2。AMC結(jié)構(gòu)由3部分組成，最上層是理想電導(dǎo)體地板，底部是周期性排列的金屬貼片， 兩者之間填充介質(zhì)，金屬貼片與地板之間由一個(gè)金屬過(guò)孔相連[8]。

　　ABS封裝外殼的主要作用有：(1)射頻標(biāo)簽溫度由有線熱敏電阻測(cè)得，熱敏電阻安裝于關(guān)鍵點(diǎn)附近，由于高壓環(huán)境不允許連接線裸露，ABS封裝外殼起到絕緣防護(hù)的作用。(2)封裝外殼采用AMC結(jié)構(gòu)，減弱金屬對(duì)標(biāo)簽的干擾，提高標(biāo)簽的讀取率;其次，由于所設(shè)計(jì)封裝外殼底部鋪設(shè)金屬層，對(duì)于熱敏電阻測(cè)溫有很好的導(dǎo)熱性能。(3)封裝后標(biāo)簽便于安裝。

　　2.3 通信距離估算

　　識(shí)別距離，即RFID讀寫器能夠檢測(cè)到標(biāo)簽反向散射信號(hào)的最大距離R，是系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。其由喚醒標(biāo)簽芯片的最小門限功率Pth和讀寫器接收機(jī)靈敏度Pmin共同決定[9]。根據(jù)Friis方程式[10]計(jì)算距離讀寫器r處標(biāo)簽接收能量：

　　其中，R1由喚醒標(biāo)簽芯片的最小門限功率Pth決定，R2由接收機(jī)靈敏度Pmin決定，最終通信距離的估算取小的那個(gè)值。將所選設(shè)備參數(shù)代入式(4)、式(5)，得到系統(tǒng)理論通信估算通信距離為4.13 m。

　　2.4 防碰撞機(jī)制

　　RFID系統(tǒng)工作過(guò)程中，當(dāng)有一個(gè)以上的標(biāo)簽同時(shí)處在讀寫器范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)通信沖突，即碰撞。此溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要存在兩種類型的碰撞：一種是由多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)讀寫器引起的碰撞;另一種是系統(tǒng)中讀寫器范圍內(nèi)非溫度標(biāo)簽對(duì)RFID系統(tǒng)的干擾。針對(duì)開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，溫度標(biāo)簽的數(shù)量有限，本文在讀寫器原有的基于動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法基礎(chǔ)上引入分組輪詢機(jī)制，提高了識(shí)別效率。

　　首先讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送查詢命令，接收到命令的標(biāo)簽獲得能量被激活。標(biāo)簽隨機(jī)從幀長(zhǎng)度 1-F 內(nèi)選擇一個(gè)時(shí)隙來(lái)傳送識(shí)別信息，并將時(shí)隙號(hào)存在寄存器SN中。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則該標(biāo)簽進(jìn)入休眠狀態(tài)，在之后的時(shí)隙不再活動(dòng);若有沖突發(fā)生，則該標(biāo)簽進(jìn)入等待狀態(tài)，在下一幀中重新選擇時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。讀寫器對(duì)標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別信息校驗(yàn)，根據(jù)EPC將標(biāo)簽分為溫度組和非溫度組，上傳成功的溫度標(biāo)簽進(jìn)入休眠，此幀不再查詢;將非溫度標(biāo)簽加入黑名單，之后都不再查詢。讀寫器不斷重復(fù)以上過(guò)程，直到在某一幀中沒(méi)有收到任何標(biāo)簽信號(hào)，則認(rèn)為所有溫度標(biāo)簽均被識(shí)別。其算法流程如圖3所示。

　　2.5 設(shè)備安裝

　　高壓開(kāi)關(guān)柜溫度脆弱點(diǎn)分布于母線連接處、電纜連接處、斷路器連接處，系統(tǒng)溫度傳感器可安裝于以上溫度關(guān)鍵點(diǎn)，標(biāo)簽安裝于母線連接處。讀寫器天線安裝于開(kāi)關(guān)柜各功能室金屬門上，位于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，并在門上鉆孔引出天線導(dǎo)線至讀寫器。由于天線與標(biāo)簽已存在射頻連接，讀寫器安裝位置對(duì)通信距離影響不大，讀寫器可經(jīng)天線饋線安裝于開(kāi)關(guān)柜外?？紤]金屬對(duì)無(wú)源標(biāo)簽的干擾以及溫度節(jié)點(diǎn)分布于不同氣室，采用增加冗余天線的方法擴(kuò)大通信范圍。

　　2.6 后臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)

　　本文開(kāi)發(fā)的溫度在線監(jiān)測(cè)軟件基于Microsoft.NET平臺(tái)的C#編程語(yǔ)言。系統(tǒng)軟件具有連接讀寫器、在線實(shí)時(shí)測(cè)溫、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)告警、溫度曲線分析等功能。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

　　界面顯示主要內(nèi)容為讀寫器IP地址、天線范圍內(nèi)標(biāo)簽EPC、標(biāo)簽讀取次數(shù)、實(shí)時(shí)溫度以及根據(jù)標(biāo)簽EPC設(shè)置的安裝地址信息。其中溫度數(shù)據(jù)繪制成二維曲線，曲線坐標(biāo)實(shí)時(shí)變化;如圖“柜1A相”標(biāo)簽溫度顯示29.26 ℃(綠色)，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定的預(yù)警閾值(75 ℃，可設(shè)定)時(shí)，所在行變?yōu)榧t色，實(shí)現(xiàn)溫度告警;溫度信息每隔30 s(可設(shè)定)會(huì)保存在History.log文本文檔中，方便監(jiān)控人員查詢溫度歷史數(shù)據(jù)并打印報(bào)表。以上功能很好地實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)行時(shí)刻的溫度值，人機(jī)交互界面方便統(tǒng)一監(jiān)控及管理。

　　3 實(shí)驗(yàn)及可行性分析

　　3.1 傳感標(biāo)簽靈敏度試驗(yàn)

　　RFID標(biāo)簽芯片的靈敏度是芯片被激活所需的最小能量，靈敏度是標(biāo)簽芯片最重要的性能指標(biāo)，大小直接影響標(biāo)簽的性能，如讀寫距離等。在某一頻段內(nèi)絕大多數(shù)芯片廠商僅僅給出芯片一個(gè)靈敏度值，而沒(méi)有標(biāo)識(shí)出芯片靈敏度隨頻率的變化情況。本文標(biāo)簽靈敏度曲線如圖5所示。

　　所測(cè)標(biāo)簽在860 MHz~960 MHz頻率區(qū)間內(nèi)靈敏度趨于穩(wěn)定，維持在-4 dBm左右，在950 MHz標(biāo)簽靈敏度最高。對(duì)應(yīng)我國(guó)RFID頻段，所測(cè)標(biāo)簽靈敏度為-4.1 dBm。

　　3.2 傳感標(biāo)簽讀取率試驗(yàn)

　　考慮開(kāi)關(guān)柜金屬對(duì)標(biāo)簽通信的影響，在標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)通信2 m范圍內(nèi)，將讀寫器天線分別置于標(biāo)簽0~2 m處，標(biāo)簽貼附于20 cm×20 cm金屬板上，標(biāo)簽與金屬板方向均為平行于讀寫器天線，以達(dá)到最佳射頻耦合。其標(biāo)簽讀取率實(shí)驗(yàn)與無(wú)金屬隔板條件下對(duì)比如表3所示。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，1 m時(shí)可以看出金屬隔板對(duì)讀寫器的場(chǎng)會(huì)有反射和屏蔽的作用，使標(biāo)簽讀取率降低，但并非完全無(wú)法讀取。根據(jù)2 m的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)有金屬隔板時(shí)，金屬吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能，減弱原有射頻場(chǎng)強(qiáng)的總能量，導(dǎo)致標(biāo)簽無(wú)法正常工作。金屬板的干擾降低了標(biāo)簽的通信距離，達(dá)不到標(biāo)簽2 m的標(biāo)準(zhǔn)，但1.5 m的讀寫距離足以滿足設(shè)備的安裝及溫度監(jiān)測(cè)。

　　3.3 測(cè)溫性能實(shí)驗(yàn)

　　為測(cè)試溫度標(biāo)簽的測(cè)溫性能，在同一時(shí)間測(cè)量不同環(huán)境溫度，并與水銀溫度計(jì)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

　　標(biāo)簽測(cè)溫性能實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該溫度標(biāo)簽的測(cè)溫結(jié)果比水銀溫度計(jì)的測(cè)溫結(jié)果普遍略高，但非常接近，標(biāo)簽與溫度計(jì)差值均小于0.5 ℃。據(jù)開(kāi)關(guān)柜日常運(yùn)行維護(hù)與檢修人員的經(jīng)驗(yàn)，電氣聯(lián)接頭的正常溫度為30 ℃~60 ℃，如果出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象則溫度可達(dá) 75 ℃以上， 無(wú)線測(cè)溫以0.5 ℃的偏差值， 足以反映開(kāi)關(guān)柜的健康狀況。

　　3.4 開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫試驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)在校高壓實(shí)驗(yàn)室10 kV高壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行，傳感標(biāo)簽安裝于開(kāi)關(guān)柜斷路器A相觸頭連接處，本文選取其24 h溫度記錄數(shù)據(jù)，反映全天的開(kāi)關(guān)柜溫度變化，如圖6。通過(guò)對(duì)24 h觸頭溫度的記錄分析可以看出，RFID溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行且不影響開(kāi)關(guān)柜工作，其記錄數(shù)據(jù)正確反應(yīng)了觸頭溫度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系，說(shuō)明此溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案可行。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　配網(wǎng)設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，RFID溫度在線監(jiān)測(cè)方案利用無(wú)源無(wú)線傳感器標(biāo)簽采集溫度，傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)需電源供電;通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)溫度的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)設(shè)備體積小，便于安裝;(2)低成本、無(wú)維護(hù)費(fèi)用;(3)不影響配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行，不易受環(huán)境因素影響;(4)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);(5)PC提供良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)便， 具有很好的應(yīng)用前景。