基于RFID傳感器的配網(wǎng)設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

      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。
      無線測溫技術具有測量范圍大、準確度高、不影響設備運行、在線實時監(jiān)測等優(yōu)點。基于無線測溫的優(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的原理和架構，指出了實現(xiàn)射頻識別溫度監(jiān)測的各關鍵技術，提出了系統(tǒng)在高壓開關柜的實施方案，并通過實驗探討了系統(tǒng)方案的可行性。
      一、超高頻射頻識別技術
      溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組件主要由3部分構成：溫度傳感器標簽、讀寫器、后臺服務器。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)天線調節(jié)器傳送到讀寫器進行解調和譯碼，然后送到上位機進行有關數(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，如發(fā)出溫度預警信息等。
      
      溫度標簽安裝于配網(wǎng)設備內，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。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)送關鍵數(shù)據(jù)，從而知道溫度關鍵點的地址問題，達到關鍵點溫度監(jiān)測的目的。
      二、系統(tǒng)關鍵技術研究
      系統(tǒng)設計過程中，主要考慮6種關鍵技術的研究，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。
      1、標簽及天線選型
      本文選取的溫度標簽參數(shù)規(guī)格為：頻率 860～960MHz，測溫范圍 -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，測溫元件 熱敏電阻；讀寫器天線為美國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。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結構，如圖2。AMC結構由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，金屬貼片與地板之間由一個金屬過孔相連。
      
      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結構，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。
      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P_th和讀寫器接收機靈敏度P_min共同決定。根據(jù)Friis方程式計算距離讀寫器r處標簽接收能量：
      
      式中：G_r、G_t分別為讀寫器和標簽天線的增益；P_t為讀寫器發(fā)射功率；s為復功率波反射系數(shù)。
      利用雷達測距方程：
      
      式中：σ為標簽的雷達散射截面。
      只有天線接收到的能量P_r不小于P_th、P_min時，標簽才能被感應到。由式（2）得：
      
      其中，R₁由喚醒標簽芯片的最小門限功率P_th決定，R₂由接收機靈敏度P_min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)理論估算通信距離為4.13 m。
      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)中讀寫器范圍內非溫度標簽對RFID系統(tǒng)的干擾。針對開關柜溫度在線監(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。
      
      5、設備安裝
      高壓開關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鍵點，標簽安裝于母線連接處。讀寫器天線安裝于開關柜各功能室金屬門上，位于開關柜內，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。
      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。
      
      界面顯示主要內容為讀寫器IP地址、天線范圍內標簽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30s（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。
      三、實驗及可行性分析
      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，其大小直接影響標簽的性能，如讀寫距離等。在某一頻段內絕大多數(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860MHz～960 MHz頻率區(qū)間內靈敏度趨于穩(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。
      2、傳感標簽讀取率試驗
      
      考慮開關柜金屬對標簽通信的影響，在標簽標準通信2m范圍內，將讀寫器天線分別置于標簽0～2m處，標簽貼附于20cm×20cm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1所示。
      
      根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，1m時可以看出金屬隔板對讀寫器的場合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)2m的實驗數(shù)據(jù)，當有金屬隔板時，金屬吸收射頻能量轉換成電場能，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2m的標準，但1.5m的讀寫距離足以滿足設備的安裝及溫度監(jiān)測。
      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2。
      
      標簽測溫性能實驗的結果表明，該溫度標簽的測溫結果比水銀溫度計的測溫結果普遍略高，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，足以反映開關柜的健康狀況。
      4、開關柜測溫試驗
      實驗在校高壓實驗室10kV高壓開關柜進行，傳感標簽安裝于開關柜斷路器A相觸頭連接處，本文選取其24h溫度記錄數(shù)據(jù)，反映全天的開關柜溫度變化。通過對24h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)境溫度之間的關系，說明此溫度監(jiān)測系統(tǒng)的方案可行。
      四、結語
      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。
      作者：關志遠 張周勝  單位：上海電力學院