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

      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。
      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)�；�于無(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。
      一、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(xiě)器、后臺(tái)服務(wù)器。其中后臺(tái)服務(wù)器通過(guò)RS485總線或網(wǎng)線連接至讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)器天線，高頻信號(hào)經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫(xiě)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，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。識(shí)別信息由讀寫(xiě)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。
      二、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(xiě)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。
      1、標(biāo)簽及天線選型
      本文選取的溫度標(biāo)簽參數(shù)規(guī)格為：頻率 860～960MHz，測(cè)溫范圍 -25～105℃，精度 ±0.5，通信距離 2 m，上傳速度 26.7～128 kb/s，返回速率 40～640 kb/s，EPC編碼區(qū) 96 bit，尺寸 134.8×38.4×3，測(cè)溫元件 熱敏電阻；讀寫(xiě)器天線為美國(guó)LAIRD公司生產(chǎn)的S8658，其參數(shù)規(guī)格為：頻率 860～960 MHz，增益 8.5 dB，駐波比 1.4:1，波瓣寬度 65°，前后比 20 dB，極化 圓極化，最大輸出 3W，尺寸 10.2×10×1.32。
      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。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。
      
      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。
      3、通信距離估算
      識(shí)別距離，即RFID讀寫(xiě)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P_th和讀寫(xiě)器接收機(jī)靈敏度P_min共同決定。根據(jù)Friis方程式計(jì)算距離讀寫(xiě)器r處標(biāo)簽接收能量：
      
      式中：G_r、G_t分別為讀寫(xiě)器和標(biāo)簽天線的增益；P_t為讀寫(xiě)器發(fā)射功率；s為復(fù)功率波反射系數(shù)。
      利用雷達(dá)測(cè)距方程：
      
      式中：σ為標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面。
      只有天線接收到的能量P_r不小于P_th、P_min時(shí)，標(biāo)簽才能被感應(yīng)到。由式（2）得：
      
      其中，R₁由喚醒標(biāo)簽芯片的最小門限功率P_th決定，R₂由接收機(jī)靈敏度P_min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)理論估算通信距離為4.13 m。
      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(xiě)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(xiě)器引起的碰撞；另一種是系統(tǒng)中讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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。
      
      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(xiě)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(xiě)器。由于天線與標(biāo)簽已存在射頻連接，讀寫(xiě)器安裝位置對(duì)通信距離影響不大，讀寫(xiě)器可經(jīng)天線饋線安裝于開(kāi)關(guān)柜外。考慮金屬對(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。
      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(xiě)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(xiě)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30s（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。
      三、實(shí)驗(yàn)及可行性分析
      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)，其大小直接影響標(biāo)簽的性能，如讀寫(xiě)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860MHz～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。
      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2m范圍內(nèi)，將讀寫(xiě)器天線分別置于標(biāo)簽0～2m處，標(biāo)簽貼附于20cm×20cm金屬板上，標(biāo)簽與金屬板方向均為平行于讀寫(xiě)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1所示。
      
      根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，1m時(shí)可以看出金屬隔板對(duì)讀寫(xiě)器的場(chǎng)合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)2m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2m的標(biāo)準(zhǔn)，但1.5m的讀寫(xiě)距離足以滿足設(shè)備的安裝及溫度監(jiān)測(cè)。
      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2。
      
      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。
      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10kV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24h溫度記錄數(shù)據(jù)，反映全天的開(kāi)關(guān)柜溫度變化。通過(guò)對(duì)24h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。
      四、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。
      作者：關(guān)志遠(yuǎn) 張周勝  單位：上海電力學(xué)院