射頻識別技術在電網通信設備中的應用

劉宇明 李 輝 蘇 進

(云南電網公司電力調度中心,云南 昆明 650011)

1 前 言

隨著電力通信網的不斷擴大,通信設備數量不斷增加,對通信設備巡視檢查,掌握現場通信設備運行狀況的信息尤其重要。傳統的人工巡檢方式存在諸多問題,主要表現為:

1)人工填寫方式存在人為因素,導致數據不完整,更新不及時。

2)無法對工作情況進行有效監管。

3)缺乏強大的數據分析與決策支持功能。為解決上述問題,達到變電站通信設備數據遠程控制管理的目的,使用射頻技術,通過將現場的所有通信設備的生產廠家、生產日期、檢修日期、檢修記錄、巡檢記錄等關鍵信息寫入安裝在設備上的射頻標簽中,利用無線閱讀器將讀取的數據通過現有的光纖通訊鏈路和局域網傳輸回來,通過接口接入到資源管理系統中進行顯示,并且根據不同的權限對站內的信息進行控制,并實現設備的遠程寫入。

2 射頻識別技術

射頻識別技術 (RFID),俗稱電子標簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,可工作于各種環境。RFID技術的基本工作原理為:標簽進入磁場后,接收解讀器發出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息,或者主動發送某一頻率的信號;解讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統進行有關數據處理。

相比傳統的條形碼識別技術,電子標簽具有傳輸距離遠、多標簽讀寫、環境適應能力強等諸多優勢,因此無線射頻技術比條碼更加適合于變電站通訊設備的運行管理。電子標簽分為有源和無源兩種,有源電子標簽又稱主動標簽,標簽的工作電源完全由內部電池供給,同時標簽電池的能量供應也部分地轉換為電子標簽與閱讀器通訊所需的射頻能量。讀/寫距離較遠 (約在 100米至1500米),體積較大,與無源標簽相比成本高,能量耗盡后需更換電池,增加了維護人員工作量。相比而言,無源的電子標簽更適合應用于變電站通信設備維護,無源電子標簽 (被動標簽)沒有內裝電池,在閱讀器的讀出范圍之外時,電子標簽處于無源狀態,在閱讀器的讀出范圍之內時,電子標簽從閱讀器發出的射頻能量中提取其工作所需的電源。無源電子標簽一般均采用反射調制方式完成電子標簽信息向閱讀器的傳送。在接收到閱讀器發出的微波信號后,將部分微波能量轉化為直流電供自己工作,一般可做到免維護,成本很低并具有很長的使用壽命,比主動標簽更小也更輕,相應的射頻識別系統閱讀距離一般大于1米,典型情況為 4到 6米,最大可達 10米以上。閱讀器天線一般均為定向天線,只有在閱讀器天線定向波束范圍內的射頻標簽可被讀/寫。

基于上述原因,此次設計選擇了無源超高頻電子標簽讀寫設備信息,工作頻率使用超高頻標簽設計標準的 920MHz,電子標簽與閱讀器之間的讀取距離為 10米左右,完全能夠滿足通信機房內機柜間數據讀取。并且由于無源標簽體積很小,可以內嵌入工業 PDA內部,便于運維人員作為手持式的移動終端使用。

3 模塊設計及安裝

電子標簽讀寫系統主要包括 4個硬件模塊,分別是電子標簽、閱讀器、天線及手持終端。各模塊的作用如下:

1)電子標簽:由耦合元件及芯片組成,每個標簽具有唯一的電子編碼,安置在設備上標識目標對象,標簽內存儲有設備的相關信息,并且可以更新。標簽采用 2CM＊3CM抗金屬表面滴塑單面背膠封裝,每一個設備上粘貼一枚標簽。

2)閱讀器:閱讀器通過無線方式讀取各設備電子標簽上存儲的信息。

3)天線:與閱讀器配合使用,增加信號傳輸的功率。

4)手持終端:運維人員通過手持終端實時查詢芯片信息,并將巡檢訊息上傳至電子標簽芯片上。

無源的電子標簽由定向天線來進行標簽數據讀取,讀取的范圍是以天線為基點的扇形幅面。為保障天線波幅可以覆蓋全部電子標簽,必須為天線的架設選擇合適的位置。

4 應用實例

經過對射頻技術的進一步研究,決定用 Zig-Bee技術取代電子標簽來進行系統設計。ZigBee技術是 IEEE 802.15.4協議的代名詞,相比其他射頻通訊技術,ZigBee技術有以下優勢:

1)低功耗。

2)工作在 20～250 kbps的較低速率,分別提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868MHz)的原始數據吞吐率,完全滿足變電站運維管理應用需求。

3)相鄰節點間的傳輸距離一般介于 10～100 m之間,如果通過路由和節點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。

4)短時延。ZigBee的響應速度較快。

5)高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成65536個節點的大網。

相比無源電子標簽,ZigBee節點是有源標簽,使用電池供電,由于功耗低,對維護人員增加的工作量很少,成本優勢超越無源電子標簽。由于變電站中每兩個機柜之間的距離不超過 10米,所以系統可以選擇任意一個節點與網絡連接,通訊轉發功能由 ZigBee的自動路由功能解決了,每一個機柜上的終端數據均可實時傳送到系統中。

重要的問題是將 ZigBee模塊與手持式的 PDA進行整合,形成運維人員現場使用的移動式終端。

標準的 Zigbee網絡設備,根據功能的不同可以分為協調器、路由器和終端節點。終端節點申請加入網絡,成為協調器或者路由器的子節點后,可以主動向網絡中的任何節點發送數據包,也可以詢問它的父節點是否有發送給它的數據包并接收。路由器包含終端節點的所有功能,此外還可以作為父節點允許其他節點加入網絡,給網絡中的其他節點路由轉發數據包,對邏輯網絡地址進行分配,維護鄰居設備表等。協調器除了包含路由器的所有功能外,還包括創建一個新網絡的功能。數據采集節點作為終端節點,上電后根據地址范圍,加入由數據集中器建立的Zigbee網絡,數據集中器作為網絡的協調器負責建立網絡和接受終端節點加入。

由于在變電站現場并不需要 ZigBee的自動路由功能和自愈功能,手持式終端與各機柜上的ZigBee終端之間是一點對多點的單一傳輸模式,所以可以對其軟件進行簡化,將手持機上的 Zig-Bee模塊作為單一的協調器來設計,這樣就大大降低了手持機內嵌 ZigBee模塊的功耗,使其可以直接嵌入在工業 PDA的內部,直接使用 PDA內部直供的 3.7V電源。

此外,由于功耗的下降,MCU及外圍電路的尺寸大大降低,可以直接固定在手持機的內部。使用手持機時,現場運維人員與機柜上的 ZigBee終端的距離很近,可以把 ZigBee的 1/4波長天線做成金屬絲天線也安裝在手持機的內部而無需外引,大大降低了機械設計的難度,整個 ZigBee模塊均被嵌入在 PDA中間。

5 結 論

在將射頻技術應用于通信設備運維管理系統的設計過程中,先后選取了無源電子標簽和 Zig-Bee兩種方案,通過現場安裝及實際需求,最后通過 ZigBee技術實現了運維管理系統,成本控制在了最低的范圍,現場安裝極為簡單,只需將自備電池的 ZigBee終端采用粘貼的方式固定在機柜上,然后選擇一處供電簡便、距離網絡接口近的位置安放 ZigBee的協調器即可完成系統的構建。通過對方案的進一步優化,可將該系統推廣應用于變電站運維中。