基于RFID的配網(wǎng)設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

　　0 引言

　　溫度是電氣設備監(jiān)測與控制的重要參數(shù)，高壓全封閉設備的測溫難點主要包括：(1)全封閉設備，關(guān)鍵點溫度不易測量;(2)高溫環(huán)境對測溫終端電池有要求，且電池更換不易，維護工作量大;(3)高壓環(huán)境下，有線影響絕緣要求，不利于設備運行[1，2]。

　　無線測溫技術(shù)具有測量范圍大、準確度高、不影響設備運行、在線實時監(jiān)測等優(yōu)點?；跓o線測溫的優(yōu)勢及全封閉設備的測溫難點，提出了一種基于射頻識別(RFID)技術(shù)的無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)方案。系統(tǒng)通過無線供電方式向在線監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點提供電源，具有較高的安全性和抗干擾性;通過無線射頻信號進行非接觸式的信息交互與信息采集，實現(xiàn)自動識別及遠程實時溫度監(jiān)控及管理。文中介紹了超高頻射頻識別技術(shù)的原理和架構(gòu)，指出了實現(xiàn)射頻識別溫度監(jiān)測的各關(guān)鍵技術(shù)，提出了系統(tǒng)在高壓開關(guān)柜的實施方案，并通過實驗探討了系統(tǒng)方案的可行性。

　　1 超高頻射頻識別技術(shù)

　　溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組件主要由3部分構(gòu)成：溫度傳感器標簽、讀寫器、后臺服務器[3]。其中后臺服務器通過RS485總線或網(wǎng)線連接至讀寫器，讀寫器通過饋線與其天線相連，標簽天線集成在標簽芯片上，標簽與讀寫器應用RFID技術(shù)實現(xiàn)無線通信。

　　系統(tǒng)基本工作流程如圖1所示。首先，讀寫器產(chǎn)生一個載波信號并通過其天線發(fā)射出去，當傳感標簽進入讀寫器所發(fā)射的電磁波有效覆蓋區(qū)域內(nèi)時，傳感標簽被激活，激活的標簽將存儲在芯片中的識別信息通過其內(nèi)置天線發(fā)送高頻信號至讀寫器天線，高頻信號經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器進行解調(diào)和譯碼，然后送到上位機進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。上位機軟件根據(jù)邏輯運算判斷該標簽合法性，針對不同的設定作出相應的處理和控制[4]，如發(fā)出溫度預警信息等。

　　溫度標簽安裝于配網(wǎng)設備內(nèi)，作為一種無線射頻識別傳感器，每個標簽都存放有各自的識別信息，包括：EPC碼(Electronic Product Code)和溫度數(shù)據(jù)，其中標簽EPC碼唯一且在出廠時已固定[5]。識別信息由讀寫器讀出，根據(jù)標簽EPC碼設置安裝地址，用戶在服務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)鍵點的地址問題，達到關(guān)鍵點溫度監(jiān)測的目的。

　　2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　系統(tǒng)設計過程中，主要考慮6種關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括：溫度傳感器標簽及讀寫器天線的選型、標簽抗金屬設計、通信距離估算、防碰撞算法、設備安裝及后臺軟件開發(fā)等。

　　2.1 標簽及天線選型

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

　　2.2 傳感標簽抗金屬設計

　　由于標簽應用于配網(wǎng)設備，必須考慮金屬對標簽的影響[7，8]。本文采用一種成本相對較低并且簡單易用的抗金屬設計方法，使用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic)封裝外殼墊高標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金屬過孔相連[8]。

　　ABS封裝外殼的主要作用有：(1)射頻標簽溫度由有線熱敏電阻測得，熱敏電阻安裝于關(guān)鍵點附近，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的作用。(2)封裝外殼采用AMC結(jié)構(gòu)，減弱金屬對標簽的干擾，提高標簽的讀取率;其次，由于所設計封裝外殼底部鋪設金屬層，對于熱敏電阻測溫有很好的導熱性能。(3)封裝后標簽便于安裝。

　　2.3 通信距離估算

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

　　其中，R1由喚醒標簽芯片的最小門限功率Pth決定，R2由接收機靈敏度Pmin決定，最終通信距離的估算取小的那個值。將所選設備參數(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 防碰撞機制

　　RFID系統(tǒng)工作過程中，當有一個以上的標簽同時處在讀寫器范圍內(nèi)時，會出現(xiàn)通信沖突，即碰撞。此溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要存在兩種類型的碰撞：一種是由多個標簽同時響應讀寫器引起的碰撞;另一種是系統(tǒng)中讀寫器范圍內(nèi)非溫度標簽對RFID系統(tǒng)的干擾。針對開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，溫度標簽的數(shù)量有限，本文在讀寫器原有的基于動態(tài)幀時隙ALOHA算法基礎上引入分組輪詢機制，提高了識別效率。

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

　　2.5 設備安裝

　　高壓開關(guān)柜溫度脆弱點分布于母線連接處、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，標簽安裝于母線連接處。讀寫器天線安裝于開關(guān)柜各功能室金屬門上，位于開關(guān)柜內(nèi)，并在門上鉆孔引出天線導線至讀寫器。由于天線與標簽已存在射頻連接，讀寫器安裝位置對通信距離影響不大，讀寫器可經(jīng)天線饋線安裝于開關(guān)柜外?？紤]金屬對無源標簽的干擾以及溫度節(jié)點分布于不同氣室，采用增加冗余天線的方法擴大通信范圍。

　　2.6 后臺軟件開發(fā)

　　本文開發(fā)的溫度在線監(jiān)測軟件基于Microsoft.NET平臺的C#編程語言。系統(tǒng)軟件具有連接讀寫器、在線實時測溫、溫度數(shù)據(jù)存儲、實時告警、溫度曲線分析等功能。系統(tǒng)實時監(jiān)測界面如圖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)標簽EPC、標簽讀取次數(shù)、實時溫度以及根據(jù)標簽EPC設置的安裝地址信息。其中溫度數(shù)據(jù)繪制成二維曲線，曲線坐標實時變化;如圖“柜1A相”標簽溫度顯示29.26 ℃(綠色)，當溫度超過設定的預警閾值(75 ℃，可設定)時，所在行變?yōu)榧t色，實現(xiàn)溫度告警;溫度信息每隔30 s(可設定)會保存在History.log文本文檔中，方便監(jiān)控人員查詢溫度歷史數(shù)據(jù)并打印報表。以上功能很好地實現(xiàn)了在線實時監(jiān)測關(guān)鍵點運行時刻的溫度值，人機交互界面方便統(tǒng)一監(jiān)控及管理。

　　3 實驗及可行性分析

　　3.1 傳感標簽靈敏度試驗

　　RFID標簽芯片的靈敏度是芯片被激活所需的最小能量，靈敏度是標簽芯片最重要的性能指標，大小直接影響標簽的性能，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靈敏度值，而沒有標識出芯片靈敏度隨頻率的變化情況。本文標簽靈敏度曲線如圖5所示。

　　所測標簽在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標簽靈敏度最高。對應我國RFID頻段，所測標簽靈敏度為-4.1 dBm。

　　3.2 傳感標簽讀取率試驗

　　考慮開關(guān)柜金屬對標簽通信的影響，在標簽標準通信2 m范圍內(nèi)，將讀寫器天線分別置于標簽0~2 m處，標簽貼附于20 cm×20 cm金屬板上，標簽與金屬板方向均為平行于讀寫器天線，以達到最佳射頻耦合。其標簽讀取率實驗與無金屬隔板條件下對比如表3所示。

　　根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，1 m時可以看出金屬隔板對讀寫器的場會有反射和屏蔽的作用，使標簽讀取率降低，但并非完全無法讀取。根據(jù)2 m的實驗數(shù)據(jù)，當有金屬隔板時，金屬吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成電場能，減弱原有射頻場強的總能量，導致標簽無法正常工作。金屬板的干擾降低了標簽的通信距離，達不到標簽2 m的標準，但1.5 m的讀寫距離足以滿足設備的安裝及溫度監(jiān)測。

　　3.3 測溫性能實驗

　　為測試溫度標簽的測溫性能，在同一時間測量不同環(huán)境溫度，并與水銀溫度計進行對比，對比數(shù)據(jù)見表4。

　　標簽測溫性能實驗的結(jié)果表明，該溫度標簽的測溫結(jié)果比水銀溫度計的測溫結(jié)果普遍略高，但非常接近，標簽與溫度計差值均小于0.5 ℃。據(jù)開關(guān)柜日常運行維護與檢修人員的經(jīng)驗，電氣聯(lián)接頭的正常溫度為30 ℃~60 ℃，如果出現(xiàn)過熱現(xiàn)象則溫度可達 75 ℃以上， 無線測溫以0.5 ℃的偏差值， 足以反映開關(guān)柜的健康狀況。

　　3.4 開關(guān)柜測溫試驗

　　實驗在校高壓實驗室10 kV高壓開關(guān)柜進行，傳感標簽安裝于開關(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)，反映全天的開關(guān)柜溫度變化，如圖6。通過對24 h觸頭溫度的記錄分析可以看出，RFID溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠正常運行且不影響開關(guān)柜工作，其記錄數(shù)據(jù)正確反應了觸頭溫度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系，說明此溫度監(jiān)測系統(tǒng)的方案可行。

　　4 結(jié)語

　　配網(wǎng)設備溫度監(jiān)測對設備安全穩(wěn)定運行具有重要意義，RFID溫度在線監(jiān)測方案利用無源無線傳感器標簽采集溫度，傳感器節(jié)點無需電源供電;通過無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)了多節(jié)點溫度的在線監(jiān)測。系統(tǒng)在監(jiān)測過程中具有以下優(yōu)點：(1)設備體積小，便于安裝;(2)低成本、無維護費用;(3)不影響配網(wǎng)設備運行，不易受環(huán)境因素影響;(4)在線實時監(jiān)測;(5)PC提供良好的人機界面，操作簡便， 具有很好的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 邱仕義.電力設備可靠性維修[M].北京：中國電力出版社，2004：249-254.

　　[2] 黃煒宏，謝章洪，陳祥偉，等.基于ZigBee技術(shù)的成套式開關(guān)設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用[J].高壓電器，2013，49(6)：125-130.

　　[3] 莫小錦，周嚴.基于射頻技術(shù)與無線網(wǎng)絡的溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學報，2011，10(24)：1501-1505.

　　[4] 張智文.射頻識別技術(shù)理論與實踐[M].北京：中國科學技術(shù)出版社，2008：10-59.

　　[5] 鄧世杰.中置式開關(guān)柜的無線測溫方法[J].高壓電器，2010，46(11)：99-102.

　　[6] 張丹丹，胡建明，崔婷，等.帶傳感器的射頻識別技術(shù)在變電站電氣設備狀態(tài)信息采集中的應用[J].高電壓技術(shù)，2013，39(11)：2623-2629.

　　[7] 莫凌飛.超高頻射頻識別抗金屬標簽研究[D].杭州：浙江大學，2009.

　　[8] 劉圣英.UHF RFID抗金屬標簽天線設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013：50-62.

　　[9] Alireza Foroozesh，Lotfollah Shafai.Performance enhancement of the compact micro strip antennas using AMC ground planes[C].IEEE Press，2009.

　　[10] DOBKIN D M.The RF in RFID：UHF RFID in practice[M].Burlington：Newnes，2012.

　　[11] DAVID T，VISWANATH P.Fundamentals of wireless communication[M].London：Cambridge University Press，2005