RFID技術(shù)在變電站巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 靜，王素珍，賀雪飛

（青島理工大學(xué) 自動化工程學(xué)院，山東 青島266520）

變電站巡檢是保障變電站順利運行的重要措施。傳統(tǒng)的變電站巡檢多是以紙質(zhì)為主的人工巡檢模式，巡檢人員需隨身攜帶大量表格，后期需由人工將巡檢數(shù)據(jù)錄入計算機系統(tǒng)，導(dǎo)致巡檢工作量大且效率低下；以紙張為載體的數(shù)據(jù)記錄不靈活，巡檢內(nèi)容有任何改變都需重新印制表格，造成極大的浪費。同時，傳統(tǒng)的巡檢方式無法對巡檢工作人員進行有效監(jiān)督，巡檢工作人員可以在簽到后不到現(xiàn)場實地巡檢或偽造巡檢數(shù)據(jù)，因此常出現(xiàn)人員不到位和巡檢不及時的狀況，從而導(dǎo)致設(shè)備故障處理不及時而引發(fā)電力事故。

基于上述問題，本文提出一種基于RFID的巡檢技術(shù)方案。射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，與傳統(tǒng)的條形碼相比具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點[1]。方案運用RFID技術(shù)，結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)，解決了巡檢人員到位難、信息采集效率低及上傳不及時的問題，從而滿足了變電站巡檢管理信息化和規(guī)范化的要求。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 RFID的工作原理

典型的射頻識別系統(tǒng)由射頻標(biāo)簽、讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成[2]。

RFID工作原理：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率（低頻、高頻或超高頻）的射頻信號，當(dāng)射頻標(biāo)簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻標(biāo)簽獲得能量被激活，將自身編碼等信息通過卡片內(nèi)置的發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調(diào)和解碼，交由信息處理系統(tǒng)處理，完成預(yù)設(shè)功能和自動識別。

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本系統(tǒng)由巡檢儀、射頻標(biāo)簽及管理服務(wù)器構(gòu)成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

管理服務(wù)器是整個系統(tǒng)的大腦，綜合管理變電站的巡檢，負責(zé)人員設(shè)備的信息管理、巡檢任務(wù)的下達以及巡檢數(shù)據(jù)的處理等，控制著整個系統(tǒng)的工作流程。工作開始時由管理服務(wù)器下達任務(wù)，應(yīng)用系統(tǒng)處理后對中間件下達指令，規(guī)定好讀寫器讀取射頻標(biāo)簽的類別和數(shù)量。讀寫器受控發(fā)出微波查詢信號，在距離射頻標(biāo)簽0~10 m范圍內(nèi)時，射頻標(biāo)簽收到讀寫器的查詢信號后，將此信號與標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息合成一體反射回電子標(biāo)簽讀出裝置，讀寫器接收到標(biāo)簽反射回的微波合成信號后，經(jīng)讀寫器內(nèi)部微處理器處理后即可將標(biāo)簽儲存的識別代碼等信息分離讀取出來。

中間件對閱讀器傳來的數(shù)據(jù)進行過濾、匯總、計算和分組，減少從閱讀器傳往服務(wù)器的大量原始數(shù)據(jù)，生成加入了語意解釋的事件數(shù)據(jù)。之后將處理好的巡檢數(shù)據(jù)通過API端口傳送給應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場的具體情況對數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

1.3 系統(tǒng)的工作流程

基于組成系統(tǒng)的三大模塊[3]，可以把系統(tǒng)的工作流程分為以下三部分：

(1)巡檢任務(wù)的下達

執(zhí)行任務(wù)前，巡檢人員可通過USB端口將當(dāng)天的巡檢任務(wù)由主機下載至PDA或由主機通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)直接下達，隨后，巡檢人員可根據(jù)任務(wù)進行相應(yīng)巡檢。

(2)巡檢任務(wù)的執(zhí)行

巡檢人員按指定的巡檢路線到達現(xiàn)場，手持巡檢儀與作業(yè)地點的RFID射頻標(biāo)簽通信，在PDA上顯示出該區(qū)域下的對應(yīng)檢查設(shè)備，巡檢人員可對設(shè)備進行檢查，巡檢完畢后，將設(shè)備檢查結(jié)果錄入PDA上的嵌入式數(shù)據(jù)庫。在信號強的情況下，可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時回傳主機；當(dāng)信號較差或無信號時，數(shù)據(jù)暫存于PDA的嵌入式數(shù)據(jù)庫中，等到信號強時再回傳或通過USB接口由局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至管理服務(wù)器。

(3)巡檢數(shù)據(jù)的處理

管理服務(wù)器對接收的設(shè)備的巡檢數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，生成設(shè)備巡檢情況記錄表，隨后進行綜合處理，根據(jù)結(jié)果分析出設(shè)備的運行狀況并生成報表，交與有關(guān)部門做后續(xù)處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RFID數(shù)據(jù)清洗技術(shù)

由于射頻干擾和標(biāo)簽讀取結(jié)構(gòu)等原因，RFID數(shù)據(jù)讀取的可信度較低，因此，系統(tǒng)增加了對RFID數(shù)據(jù)的預(yù)處理環(huán)節(jié)，使閱讀器讀取的數(shù)據(jù)從時間序列和數(shù)值上盡可能地接近真實數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

RFID數(shù)據(jù)讀取的低可信度主要與其采用的無線射頻信號有關(guān)，當(dāng)標(biāo)簽和閱讀器數(shù)量多時，信號干擾加強，更增加了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。RFID數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性主要表現(xiàn)為漏讀、多讀、臟讀和亂序四個方面。本文采用Smooth數(shù)據(jù)清洗算法[4]解決這個問題。具體算法示例如圖2所示，在第一次讀到EPC事件時，產(chǎn)生evGlimpsed事件，在事件間隔時間不超過1格時，始終處于is-Glimpsed的狀態(tài)，在第三次讀到該EPC事件時，產(chǎn)生evObserved事件，當(dāng)兩個事件單位沒有讀到該EPC事件時，則產(chǎn)生evLost事件。該算法中cGlimpsed_Timeout和cObserved_Timeout的設(shè)置起到了平滑事件流、清洗漏讀數(shù)據(jù)錯誤的作用[5]。

2.2 RFID中間件

RFID中間件是實現(xiàn)RFID硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的一種中間程序[6]，是RFID應(yīng)用部署運作的中樞。它介于讀寫器模塊與應(yīng)用系統(tǒng)之間，將RFID讀寫器讀取的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過中間件提取、解密、過濾及格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入管理服務(wù)器，并通過應(yīng)用系統(tǒng)反應(yīng)在程序界面上，供操作者瀏覽、選擇、修改和查詢[7]。

PDA選用Windows CE操作系統(tǒng)，應(yīng)用VS2008平臺下的C#語言進行開發(fā)，C#調(diào)用RFID中間件提供的通用API函數(shù)來實現(xiàn)對RFID射頻卡的初始化、讀、寫、Key值驗證和關(guān)閉等操作。

流程初始，通過DllImport經(jīng)由指定的API端口引用動態(tài)鏈接庫[8]，之后初始化RFID射頻卡。完畢后，系統(tǒng)根據(jù)指示開始偵測，尋找有效范圍內(nèi)的RFID卡片，如果檢測到相應(yīng)的射頻標(biāo)簽，則開始讀取其Key值。若與系統(tǒng)指定相匹配，則可以對標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息進行讀??；若不匹配，則檢驗下一標(biāo)簽的Key值，依此循環(huán)，直至任務(wù)完成，如圖3所示。

2.3 RFID的安全機制

RFID技術(shù)在快速發(fā)展的同時也暴露出其自身存在的各種安全隱患，如信息泄露和隱私問題等。本文運用Key值更新隨機Hash鎖的方法來解決RFID運用中的安全問題，實現(xiàn)了安全高效的讀取訪問控制。

(1)首先在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建包括H(Key)、ID、Key、Pointer四 列 的 數(shù)據(jù)庫記錄，主鍵為 H(Key)。

(2)鎖定標(biāo)簽，閱讀器隨機選取一個數(shù)值回送給該標(biāo)簽作為標(biāo)簽ID的Key值，并在數(shù)據(jù)庫中建立初始記錄(H(Key)，ID，Key，0))，標(biāo)簽存儲接收到的Key值進入鎖定狀態(tài)。

(3)解鎖標(biāo)簽,數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生一個隨機數(shù)R傳送給閱讀器，由閱讀器將詢問消息Query和R發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽根據(jù)接收到的R和自身 Key值計算出H(Key)和H(Key‖R)回送給閱讀器，隨后自行計算H(ID‖R)和Key*=S(Key)（此時Key值不更新）。

圖3 RFID操作流程圖

(4)閱讀器查找數(shù)據(jù)庫記錄，若找到記錄 i：(H(Keyi)，IDk，Keyi，Pointeri)，則計算 H(Keyi‖R)， 并 比 較 H(Keyi‖R)與 接 收 到 的 H(Key‖R)， 若 不 相等，則忽略此消息；若相等,則計算 H(IDk‖R)，并將 IDk和H(IDk‖R)的值傳送給閱讀器。

(5)閱讀器將 H(IDk‖R)發(fā)送給標(biāo)簽，數(shù)據(jù)庫計算Key*i=S(keyi)和 H(Key*i)。若 Pointeri=0，則添加新記錄 J：(H(Key*i)，IDk，Keyi，i)， 并 修 改 i 為(H(Keyi)，IDk，Keyi，j)；若Pointeri!=0，則找到第Pointeri條記錄并修改成(H(Keyi)，IDk，Keyi，i)。

(6)標(biāo)簽將接收到的H(IDk‖R)與第 2步中計算的H(ID‖R)作比較。若相等，則將自身的Key值更新為Key*，進入解鎖狀態(tài)；若不相等，則保持沉默。

該巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)巡檢方式的種種弊端，既對巡檢人員進行了有效的監(jiān)督，杜絕了玩忽職守現(xiàn)象，又實現(xiàn)了無紙化辦公的要求，提高了巡檢效率和設(shè)備管理水平。該系統(tǒng)的應(yīng)用必將提高電力生產(chǎn)的安全運行水平，有著廣闊的發(fā)展前景。

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