基于RFID的配网设备温度监测系统研究

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