基于RFID技术的的配网设备温度监测系统研究
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0 引言
温度是电气设备监测与控制的重要参数，高压全封闭设备的测温难点主要包括：(1)全封闭设备，关键点温度不易测量；(2)高温环境对测温终端电池有要求，且电池更换不易，维护工作量大；(3)高压环境下，有线影响绝缘要求，不利于设备运行[1，2]。
无线测温技术具有测量范围大、准确度高、不影响设备运行、在线实时监测等优点。基于无线测温的优势及全封闭设备的测温难点，提出了一种基于射频识别(RFID)技术的无源无线温度监测系统方案。系统通过无线供电方式向在线监测系统中的无线传感器节点提供电源，具有较高的安全性和抗干扰性；通过无线射频信号进行非接触式的信息交互与信息采集，实现自动识别及远程实时温度监控及管理。文中介绍了超高频射频识别技术的原理和架构，指出了实现射频识别温度监测的各关键技术，提出了系统在高压开关柜的实施方案，并通过实验探讨了系统方案的可行性。
1 超高频射频识别技术
温度监测系统的硬件组件主要由3部分构成：温度传感器标签、读写器、后台服务器[3]。其中后台服务器通过RS485总线或网线连接至读写器，读写器通过馈线与其天线相连，标签天线集成在标签芯片上，标签与读写器应用RFID技术实现无线通信。
系统基本工作流程如图1所示。首先，读写器产生一个载波信号并通过其天线发射出去，当传感标签进入读写器所发射的电磁波有效覆盖区域内时，传感标签被激活，激活的标签将存储在芯片中的识别信息通过其内置天线发送高频信号至读写器天线，高频信号经天线调节器传送到读写器进行解调和译码，然后送到上位机进行有关数据处理。上位机软件根据逻辑运算判断该标签合法性，针对不同的设定作出相应的处理和控制[4]，如发出温度预警信息等。
温度标签安装于配网设备内，作为一种无线射频识别传感器，每个标签都存放有各自的识别信息，包括：EPC码(Electronic Product Code)和温度数据，其中标签EPC码唯一且在出厂时已固定[5]。识别信息由读写器读出，根据标签EPC码设置安装地址，用户在服务器端知道哪些特定的传感器在发送关键数据，从而知道温度关键点的地址问题，达到关键点温度监测的目的。
2 系统关键技术研究
系统设计过程中，主要考虑6种关键技术的研究，包括：温度传感器标签及读写器天线的选型、标签抗金属设计、通信距离估算、防碰撞算法、设备安装及后台软件开发等。
2.1 标签及天线选型
本文选取的温度标签[6]参数规格如表1所示；读写器天线为美国LAIRD公司生产的S8658，其参数规格如表2。
2.2 传感标签抗金属设计
由于标签应用于配网设备，必须考虑金属对标签的影响[7，8]。本文采用一种成本相对较低并且简单易用的抗金属设计方法，使用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic)封装外壳垫高标签并在外壳底部采用AMC结构，如图2。AMC结构由3部分组成，最上层是理想电导体地板，底部是周期性排列的金属贴片， 两者之间填充介质，金属贴片与地板之间由一个金属过孔相连[8]。
ABS封装外壳的主要作用有：(1)射频标签温度由有线热敏电阻测得，热敏电阻安装于关键点附近，由于高压环境不允许连接线裸露，ABS封装外壳起到绝缘防护的作用。(2)封装外壳采用AMC结构，减弱金属对标签的干扰，提高标签的读取率；其次，由于所设计封装外壳底部铺设金属层，对于热敏电阻测温有很好的导热性能。(3)封装后标签便于安装。
2.3 通信距离估算
识别距离，即RFID读写器能够检测到标签反向散射信号的最大距离R，是系统的重要性能指标。其由唤醒标签芯片的最小门限功率Pth和读写器接收机灵敏度Pmin共同决定[9]。根据Friis方程式[10]计算距离读写器r处标签接收能量：
其中，R1由唤醒标签芯片的最小门限功率Pth决定，R2由接收机灵敏度Pmin决定，最终通信距离的估算取小的那个值。将所选设备参数代入式(4)、式(5)，得到系统理论通信估算通信距离为4.13 m。
2.4 防碰撞机制
RFID系统工作过程中，当有一个以上的标签同时处在读写器范围内时，会出现通信冲突，即碰撞。此温度在线监测系统主要存在两种类型的碰撞：一种是由多个标签同时响应读写器引起的碰撞；另一种是系统中读写器范围内非温度标签对RFID系统的干扰。针对开关柜温度在线监测系统，温度标签的数量有限，本文在读写器原有的基于动态帧时隙ALOHA算法基础上引入分组轮询机制，提高了识别效率。
首先读写器向标签发送查询命令，接收到命令的标签获得能量被激活。标签随机从帧长度 1-F 内选择一个时隙来传送识别信息，并将时隙号存在寄存器SN中。如果数据发送成功，则该标签进入休眠状态，在之后的时隙不再活动；若有冲突发生，则该标签进入等待状态，在下一帧中重新选择时隙发送数据。读写器对标签发送的数据进行识别信息校验，根据EPC将标签分为温度组和非温度组，上传成功的温度标签进入休眠，此帧不再查询；将非温度标签加入黑名单，之后都不再查询。读写器不断重复以上过程，直到在某一帧中没有收到任何标签信号，则认为所有温度标签均被识别。其算法流程如图3所示。
2.5 设备安装
高压开关柜温度脆弱点分布于母线连接处、电缆连接处、断路器连接处，系统温度传感器可安装于以上温度关键点，标签安装于母线连接处。读写器天线安装于开关柜各功能室金属门上，位于开关柜内，并在门上钻孔引出天线导线至读写器。由于天线与标签已存在射频连接，读写器安装位置对通信距离影响不大，读写器可经天线馈线安装于开关柜外。考虑金属对无源标签的干扰以及温度节点分布于不同气室，采用增加冗余天线的方法扩大通信范围。
2.6 后台软件开发
本文开发的温度在线监测软件基于Microsoft.NET平台的C#编程语言。系统软件具有连接读写器、在线实时测温、温度数据存储、实时告警、温度曲线分析等功能。系统实时监测界面如图4所示。
界面显示主要内容为读写器IP地址、天线范围内标签EPC、标签读取次数、实时温度以及根据标签EPC设置的安装地址信息。其中温度数据绘制成二维曲线，曲线坐标实时变化；如图“柜1A相”标签温度显示29.26 ℃（绿色），当温度超过设定的预警阈值（75 ℃，可设定）时，所在行变为红色，实现温度告警；温度信息每隔30 s（可设定）会保存在History.log文本文档中，方便监控人员查询温度历史数据并打印报表。以上功能很好地实现了在线实时监测关键点运行时刻的温度值，人机交互界面方便统一监控及管理。
3 实验及可行性分析
3.1 传感标签灵敏度试验
RFID标签芯片的灵敏度是芯片被激活所需的最小能量，灵敏度是标签芯片最重要的性能指标，大小直接影响标签的性能，如读写距离等。在某一频段内绝大多数芯片厂商仅仅给出芯片一个灵敏度值，而没有标识出芯片灵敏度随频率的变化情况。本文标签灵敏度曲线如图5所示。
所测标签在860 MHz~960 MHz频率区间内灵敏度趋于稳定，维持在-4 dBm左右，在950 MHz标签灵敏度最高。对应我国RFID频段，所测标签灵敏度为-4.1 dBm。
3.2 传感标签读取率试验
考虑开关柜金属对标签通信的影响，在标签标准通信2 m范围内，将读写器天线分别置于标签0~2 m处，标签贴附于20 cm×20 cm金属板上，标签与金属板方向均为平行于读写器天线，以达到最佳射频耦合。其标签读取率实验与无金属隔板条件下对比如表3所示。
根据实验数据，1 m时可以看出金属隔板对读写器的场会有反射和屏蔽的作用，使标签读取率降低，但并非完全无法读取。根据2 m的实验数据，当有金属隔板时，金属吸收射频能量转换成电场能，减弱原有射频场强的总能量，导致标签无法正常工作。金属板的干扰降低了标签的通信距离，达不到标签2 m的标准，但1.5 m的读写距离足以满足设备的安装及温度监测。
3.3 测温性能实验
为测试温度标签的测温性能，在同一时间测量不同环境温度，并与水银温度计进行对比，对比数据见表4。
标签测温性能实验的结果表明，该温度标签的测温结果比水银温度计的测温结果普遍略高，但非常接近，标签与温度计差值均小于0.5 ℃。据开关柜日常运行维护与检修人员的经验，电气联接头的正常温度为30 ℃~60 ℃，如果出现过热现象则温度可达 75 ℃以上， 无线测温以0.5 ℃的偏差值， 足以反映开关柜的健康状况。
3.4 开关柜测温试验
实验在校高压实验室10 kV高压开关柜进行，传感标签安装于开关柜断路器A相触头连接处，本文选取其24 h温度记录数据，反映全天的开关柜温度变化，如图6。通过对24 h触头温度的记录分析可以看出，RFID温度在线监测系统能够正常运行且不影响开关柜工作，其记录数据正确反应了触头温度与环境温度之间的关系，说明此温度监测系统的方案可行。
4 结语
配网设备温度监测对设备安全稳定运行具有重要意义，RFID温度在线监测方案利用无源无线传感器标签采集温度，传感器节点无需电源供电；通过无线数据传输实现了多节点温度的在线监测。系统在监测过程中具有以下优点：(1)设备体积小，便于安装；(2)低成本、无维护费用；(3)不影响配网设备运行，不易受环境因素影响；(4)在线实时监测；(5)PC提供良好的人机界面，操作简便， 具有很好的应用前景。
参考文献
[1] 邱仕义.电力设备可靠性维修[M].北京：中国电力出版社，2004：249-254.
[2] 黄炜宏，谢章洪，陈祥伟，等.基于ZigBee技术的成套式开关设备温度监测系统的设计与应用[J].高压电器，2013，49(6)：125-130.
[3] 莫小锦，周严.基于射频技术与无线网络的温湿度远程监测系统[J].传感技术学报，2011，10(24)：1501-1505.
[4] 张智文.射频识别技术理论与实践[M].北京：中国科学技术出版社，2008：10-59．
[5] 邓世杰.中置式开关柜的无线测温方法[J].高压电器，2010，46(11)：99-102.
[6] 张丹丹，胡建明，崔婷，等.带传感器的射频识别技术在变电站电气设备状态信息采集中的应用[J].高电压技术，2013，39(11)：2623-2629.
[7] 莫凌飞.超高频射频识别抗金属标签研究[D].杭州：浙江大学，2009.
[8] 刘圣英.UHF RFID抗金属标签天线设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，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
温度是电气设备监测与控制的重要参数，高压全封闭设备的测温难点主要包括：(1)全封闭设备，关键点温度不易测量；(2)高温环境对测温终端电池有要求，且电池更换不易，维护工作量大；(3)高压环境下，有线影响绝缘要求，不利于设备运行[1，2]。
无线测温技术具有测量范围大、准确度高、不影响设备运行、在线实时监测等优点。基于无线测温的优势及全封闭设备的测温难点，提出了一种基于射频识别(RFID)技术的无源无线温度监测系统方案。系统通过无线供电方式向在线监测系统中的无线传感器节点提供电源，具有较高的安全性和抗干扰性；通过无线射频信号进行非接触式的信息交互与信息采集，实现自动识别及远程实时温度监控及管理。文中介绍了超高频射频识别技术的原理和架构，指出了实现射频识别温度监测的各关键技术，提出了系统在高压开关柜的实施方案，并通过实验探讨了系统方案的可行性。
1 超高频射频识别技术
温度监测系统的硬件组件主要由3部分构成：温度传感器标签、读写器、后台服务器[3]。其中后台服务器通过RS485总线或网线连接至读写器，读写器通过馈线与其天线相连，标签天线集成在标签芯片上，标签与读写器应用RFID技术实现无线通信。
系统基本工作流程如图1所示。首先，读写器产生一个载波信号并通过其天线发射出去，当传感标签进入读写器所发射的电磁波有效覆盖区域内时，传感标签被激活，激活的标签将存储在芯片中的识别信息通过其内置天线发送高频信号至读写器天线，高频信号经天线调节器传送到读写器进行解调和译码，然后送到上位机进行有关数据处理。上位机软件根据逻辑运算判断该标签合法性，针对不同的设定作出相应的处理和控制[4]，如发出温度预警信息等。
温度标签安装于配网设备内，作为一种无线射频识别传感器，每个标签都存放有各自的识别信息，包括：EPC码(Electronic Product Code)和温度数据，其中标签EPC码唯一且在出厂时已固定[5]。识别信息由读写器读出，根据标签EPC码设置安装地址，用户在服务器端知道哪些特定的传感器在发送关键数据，从而知道温度关键点的地址问题，达到关键点温度监测的目的。
2 系统关键技术研究
系统设计过程中，主要考虑6种关键技术的研究，包括：温度传感器标签及读写器天线的选型、标签抗金属设计、通信距离估算、防碰撞算法、设备安装及后台软件开发等。
2.1 标签及天线选型
本文选取的温度标签[6]参数规格如表1所示；读写器天线为美国LAIRD公司生产的S8658，其参数规格如表2。
2.2 传感标签抗金属设计
由于标签应用于配网设备，必须考虑金属对标签的影响[7，8]。本文采用一种成本相对较低并且简单易用的抗金属设计方法，使用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic)封装外壳垫高标签并在外壳底部采用AMC结构，如图2。AMC结构由3部分组成，最上层是理想电导体地板，底部是周期性排列的金属贴片， 两者之间填充介质，金属贴片与地板之间由一个金属过孔相连[8]。
ABS封装外壳的主要作用有：(1)射频标签温度由有线热敏电阻测得，热敏电阻安装于关键点附近，由于高压环境不允许连接线裸露，ABS封装外壳起到绝缘防护的作用。(2)封装外壳采用AMC结构，减弱金属对标签的干扰，提高标签的读取率；其次，由于所设计封装外壳底部铺设金属层，对于热敏电阻测温有很好的导热性能。(3)封装后标签便于安装。
2.3 通信距离估算
识别距离，即RFID读写器能够检测到标签反向散射信号的最大距离R，是系统的重要性能指标。其由唤醒标签芯片的最小门限功率Pth和读写器接收机灵敏度Pmin共同决定[9]。根据Friis方程式[10]计算距离读写器r处标签接收能量：
其中，R1由唤醒标签芯片的最小门限功率Pth决定，R2由接收机灵敏度Pmin决定，最终通信距离的估算取小的那个值。将所选设备参数代入式(4)、式(5)，得到系统理论通信估算通信距离为4.13 m。
2.4 防碰撞机制
RFID系统工作过程中，当有一个以上的标签同时处在读写器范围内时，会出现通信冲突，即碰撞。此温度在线监测系统主要存在两种类型的碰撞：一种是由多个标签同时响应读写器引起的碰撞；另一种是系统中读写器范围内非温度标签对RFID系统的干扰。针对开关柜温度在线监测系统，温度标签的数量有限，本文在读写器原有的基于动态帧时隙ALOHA算法基础上引入分组轮询机制，提高了识别效率。
首先读写器向标签发送查询命令，接收到命令的标签获得能量被激活。标签随机从帧长度 1-F 内选择一个时隙来传送识别信息，并将时隙号存在寄存器SN中。如果数据发送成功，则该标签进入休眠状态，在之后的时隙不再活动；若有冲突发生，则该标签进入等待状态，在下一帧中重新选择时隙发送数据。读写器对标签发送的数据进行识别信息校验，根据EPC将标签分为温度组和非温度组，上传成功的温度标签进入休眠，此帧不再查询；将非温度标签加入黑名单，之后都不再查询。读写器不断重复以上过程，直到在某一帧中没有收到任何标签信号，则认为所有温度标签均被识别。其算法流程如图3所示。
2.5 设备安装
高压开关柜温度脆弱点分布于母线连接处、电缆连接处、断路器连接处，系统温度传感器可安装于以上温度关键点，标签安装于母线连接处。读写器天线安装于开关柜各功能室金属门上，位于开关柜内，并在门上钻孔引出天线导线至读写器。由于天线与标签已存在射频连接，读写器安装位置对通信距离影响不大，读写器可经天线馈线安装于开关柜外。考虑金属对无源标签的干扰以及温度节点分布于不同气室，采用增加冗余天线的方法扩大通信范围。
2.6 后台软件开发
本文开发的温度在线监测软件基于Microsoft.NET平台的C#编程语言。系统软件具有连接读写器、在线实时测温、温度数据存储、实时告警、温度曲线分析等功能。系统实时监测界面如图4所示。
界面显示主要内容为读写器IP地址、天线范围内标签EPC、标签读取次数、实时温度以及根据标签EPC设置的安装地址信息。其中温度数据绘制成二维曲线，曲线坐标实时变化；如图“柜1A相”标签温度显示29.26 ℃（绿色），当温度超过设定的预警阈值（75 ℃，可设定）时，所在行变为红色，实现温度告警；温度信息每隔30 s（可设定）会保存在History.log文本文档中，方便监控人员查询温度历史数据并打印报表。以上功能很好地实现了在线实时监测关键点运行时刻的温度值，人机交互界面方便统一监控及管理。
3 实验及可行性分析
3.1 传感标签灵敏度试验
RFID标签芯片的灵敏度是芯片被激活所需的最小能量，灵敏度是标签芯片最重要的性能指标，大小直接影响标签的性能，如读写距离等。在某一频段内绝大多数芯片厂商仅仅给出芯片一个灵敏度值，而没有标识出芯片灵敏度随频率的变化情况。本文标签灵敏度曲线如图5所示。
所测标签在860 MHz~960 MHz频率区间内灵敏度趋于稳定，维持在-4 dBm左右，在950 MHz标签灵敏度最高。对应我国RFID频段，所测标签灵敏度为-4.1 dBm。
3.2 传感标签读取率试验
考虑开关柜金属对标签通信的影响，在标签标准通信2 m范围内，将读写器天线分别置于标签0~2 m处，标签贴附于20 cm×20 cm金属板上，标签与金属板方向均为平行于读写器天线，以达到最佳射频耦合。其标签读取率实验与无金属隔板条件下对比如表3所示。
根据实验数据，1 m时可以看出金属隔板对读写器的场会有反射和屏蔽的作用，使标签读取率降低，但并非完全无法读取。根据2 m的实验数据，当有金属隔板时，金属吸收射频能量转换成电场能，减弱原有射频场强的总能量，导致标签无法正常工作。金属板的干扰降低了标签的通信距离，达不到标签2 m的标准，但1.5 m的读写距离足以满足设备的安装及温度监测。
3.3 测温性能实验
为测试温度标签的测温性能，在同一时间测量不同环境温度，并与水银温度计进行对比，对比数据见表4。
标签测温性能实验的结果表明，该温度标签的测温结果比水银温度计的测温结果普遍略高，但非常接近，标签与温度计差值均小于0.5 ℃。据开关柜日常运行维护与检修人员的经验，电气联接头的正常温度为30 ℃~60 ℃，如果出现过热现象则温度可达 75 ℃以上， 无线测温以0.5 ℃的偏差值， 足以反映开关柜的健康状况。
3.4 开关柜测温试验
实验在校高压实验室10 kV高压开关柜进行，传感标签安装于开关柜断路器A相触头连接处，本文选取其24 h温度记录数据，反映全天的开关柜温度变化，如图6。通过对24 h触头温度的记录分析可以看出，RFID温度在线监测系统能够正常运行且不影响开关柜工作，其记录数据正确反应了触头温度与环境温度之间的关系，说明此温度监测系统的方案可行。
4 结语
配网设备温度监测对设备安全稳定运行具有重要意义，RFID温度在线监测方案利用无源无线传感器标签采集温度，传感器节点无需电源供电；通过无线数据传输实现了多节点温度的在线监测。系统在监测过程中具有以下优点：(1)设备体积小，便于安装；(2)低成本、无维护费用；(3)不影响配网设备运行，不易受环境因素影响；(4)在线实时监测；(5)PC提供良好的人机界面，操作简便， 具有很好的应用前景。
参考文献
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[6] 张丹丹，胡建明，崔婷，等.带传感器的射频识别技术在变电站电气设备状态信息采集中的应用[J].高电压技术，2013，39(11)：2623-2629.
[7] 莫凌飞.超高频射频识别抗金属标签研究[D].杭州：浙江大学，2009.
[8] 刘圣英.UHF RFID抗金属标签天线设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，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