基于RFID的一次設備無源測溫系統的設計與實現

虞堅陽， 楊正平， 蔣春亞， 李水祥， 覃兆宇

(1.江蘇省電力公司 常州供電公司， 江蘇 常州 213000; 2.華中師范大學 城市與環境科學學院， 武漢 430079;3.國網電力科學研究院 武漢南瑞電氣有限責任公司， 武漢 430070)

?

基于RFID的一次設備無源測溫系統的設計與實現

虞堅陽1*， 楊正平1， 蔣春亞1， 李水祥2， 覃兆宇3

(1.江蘇省電力公司 常州供電公司， 江蘇 常州 213000; 2.華中師范大學 城市與環境科學學院， 武漢 430079;3.國網電力科學研究院 武漢南瑞電氣有限責任公司， 武漢 430070)

為了降低電力系統一次設備工作中關鍵點過熱造成的設備損壞和安全故障隱患，針對現有一次設備溫度檢測存在的問題，提出了一種基于無線射頻識別技術的無源測溫系統設計方案.系統由無源測溫傳感器、手持運檢終端、RFID識別傳輸系統和狀態評價軟件包構成.文章給出了詳細的系統實現，并結合具體測試情況，分析了系統的安全性和可靠性，驗證了設計方案的可行性.

一次設備； 無源測溫傳感器； 手持終端； RFID； 無線傳輸

目前一次設備的溫度監測方法主要有試溫蠟片法、示溫記錄標簽法、紅外測溫法、光纖測溫法這四種.采用試溫蠟片法時值班人員每隔一定時間巡視一遍所有的試溫蠟片，發現融化及時處理，因此值班人員的勞動強度較大，如果因疏忽未及時發現試溫片受熱融化，將會留下事故隱患；示溫記錄標簽法雖具有超溫后變色的顏色記錄功能，兼有重復變色的可逆性功能，并且體積小、價格低廉，但還需要人工定期巡查，不能自動記錄；紅外測溫法容易受太陽光線影響造成溫度測量誤差，因此測試只能在夜間進行[5]；而光纖測溫法需要進行電池的二次更換，且光纖易受污染導致影響絕緣[6-7].

由于上述4種方法都存在著一定的缺陷，不能很好地滿足當前的測溫需求，因此本文提出一種基于RFID的無源測溫新手段，這種方法具有自動進行記錄，無需更換電池，不受太陽光照影響，可遠距離傳輸的特點，可滿足當前對于一次設備關鍵點的測溫需求.

1 測溫系統設計方案

一次設備關鍵點無源溫度測試系統(簡稱“無源測溫系統”)采用基于RFID的無源測溫方法，包括無源測溫傳感器、手持巡檢終端、后臺管理分析系統，可方便地安裝到設備的高壓導體或關鍵部位收集設備關鍵點的溫度.通過分析匯集帶有識別信息的變電設備溫度等狀態信息，提前預警，根據相關檢修規程，實現設備的正常、異常、嚴重狀態評判，提出檢修周期及檢修策略建議，大大削減安全隱患，有效提高工作效率和檢修質量，降低檢修成本，適用于220 kV以下等級的所有變電站.

1.1 無源測溫傳感器

測溫傳感器采用嵌入聲表面波溫度傳感器的RFID標簽[8-9]，主要分為射頻模擬前端部分、數字控制器、存儲器和溫度傳感器4個模塊，其結構如圖1所示.

圖1 RFID測溫標簽結構Fig.1 RFID temperature tag structure sheet

聲表面波溫度傳感器按檢測原理分為延遲型和諧振型兩種類型.這里采用諧振型傳感器，是因為其品質因素較延遲型器件高許多，并且損耗極小，更適應于遠距離的無源無線遙感.而采用多個無源的聲表面波傳感器可構成分布式無源無線陣列傳感器，只要陣列傳感器中各個聲表面波器件的叉指換能器具有不同的頻率選擇特性，或者不同的編碼(解碼)功能，就可以通過發射信號的頻率或者編碼選擇激勵陣列中各個傳感元，從而達到識別(尋址)陣列中各個傳感單元的目的，滿足設計需要[10-11].

RFID標簽采用無源技術，其能量的獲取來自于閱讀器天線的場能.RFID標簽采用電磁耦合的方式，通過交變的電磁場實現能量的傳遞，將閱讀器發送的電磁場能量轉換為電能供芯片使用.

大型機械壓力機高速級小齒輪的材料為中碳鋼調質處理，齒面局部淬火40～50HRC，大齒輪一般為鑄鋼，一般地說調質的小齒輪和鑄鋼的大齒輪減磨性較好，能有效的降低傳動噪聲。

RFID標簽采用一款無源智能超高頻電子標簽芯片，用于讀寫距離可到 10 m的應用環境，具有防沖突算法功能，在讀寫器天線讀取范圍內，每秒可讀識別 100 張以上的電子標簽.溫度芯片采用11bits低功耗ADC設計，溫度范圍為-40～120℃，溫度精度為0.5℃，支持 EPC global Class 1 Gen 2 標準協議(V1.2.0)， 同時支持 ISO 18000-6C 超高頻射頻識別 (UHF-RFID) 國際標準，通信頻率介于860～960 MHz，內部采用獨有的數字架構，可使User區的結構得到進一步優化.其內部高集成度的硬件電路設計可以很好地解決近距離場強對芯片的干擾，同時采用國際上成熟的工藝，使其功耗進一步下降，滿足客戶對于產品數據的快速讀寫、數據擦除和用戶區指定的特殊密碼進行安全保護等等的需求，保證商品標簽的穩定性，滿足設計需求.

1.2 手持巡檢終端

手持終端是一個基于雷達原理的射頻收發與信號處理系統，采用的電路主要有：脈沖型、脈沖壓縮型 和調頻連續波型等.目前一般采用幅度解碼的脈沖雷達系統，其原理框圖如圖2所示.所示系統是通用型的，只要改變本振頻率及少數相關元器件，就可以應用于1 kMHz以下各頻段的聲表面波標簽讀寫.

圖2 通用解碼手持終端Fig.2 Schematic diagram of General decoding handheld terminals

手持終端采用自由模式和停止模式兩種抗沖突協議.在自由模式下，傳感器通過不同的時間間隔發送自身數據.手持終端首先試圖讀取傳感器的數據，但是由于傳感器在讀取過程中也開始發送，這樣手持終端通過數據校驗(曼徹斯特解碼和CRC 校驗)發現數據沖突，則丟棄數據.接著手持終端繼續發出信號試圖讀取傳感器的數據，并通過數據校驗沒有發現數據沖突，即可順利地讀出了傳感器的數據.在停止模式下，在手持終端成功地讀出電子標簽的數據后，發送停止命令，被成功讀取的傳感器停止傳送自身數據，進入“靜止”狀態，這樣可以更快速的讀取標簽數據.手持終端原理圖如圖3所示.

手持終端由無線通訊模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、無線通訊模塊等組成.無線通訊模塊用于與位于工作站的后臺分析管理系統通訊，管理系統通過通訊接口將授權信息發給手持終端.工作負責人將巡檢人員與手持終端信息關聯，以無線通訊的方式完成對巡檢人員的授權.無線通訊模塊除了完成授權以外，還可向后臺分析軟件發送溫度測量數據，接收設備預警信息及檢修建議信息等.

圖3 手持終端原理圖Fig.3 Schematic diagram of the Handheld terminals

1.3 RFID識別傳輸系統

完整的RFID識別傳輸系統應是無源傳感器和手持終端結合的應用體系，其監測模型如圖4所示.

圖4 數據管理軟件結構示意圖Fig.4 Software structure diagram of data management

RFID識別傳輸系統是一套基于擴展RFID標簽的電力設備標識、數據交換等接口規范體系，并應用了RFID和GPS的快速身份識別、信息獲取及定位技術.該系統采用兩種電子標簽讀寫器：一種是維護設備編碼的電子標簽讀寫器，用來在維護電子標簽時讀取其編碼，提供編碼與設備實際位置的唯一對應關系；一種是內置于手持終端的電子標簽閱讀器，用來讀取已安裝于設備的編碼，讀取現場設備編碼后，經比對確定所測設備是否已授權，同時記錄測試時間、測試人員、關鍵點溫度等關鍵信息，方便巡檢后追溯管理.RFID識別系統的工作流程如圖5所示.

RFID識別傳輸系統采用高效、低功耗通信傳輸技術及其在變電站強電磁干擾運行環境下采集及傳輸技術，具有自我身份識別、環境感知與自診斷和自修復功能、具備物聯網交互接口的電力專用芯片和手持終端，實現了對信息的智能采集、傳輸、處理，滿足設計需求[12].

圖5 RFID識別系統工作流程圖Fig.5 Flow diagram of RFID identification system

1.4 測溫測試系統和狀態評價軟件包

無源測溫系統采用分層設計的方法，劃分為基礎平臺、服務支撐、公共服務、服務管理和安全管理等，形成基于統一技術架構的變電站一次設備關鍵點溫度測試技術業務開發與運行支撐環境，面向各類系統提供基礎服務和通用的服務功能，實現信息資源共享和業務協同，并結合監測點歷史溫度數據，進行實時分析，對溫度變化呈現逐步升高的監測點，可在溫度達到上限之前預警，把故障消除在萌芽狀態.同時依托物聯網RFID技術對變電站一次設備溫度測量數據進行分析，結合預防性試驗數據、巡檢及帶電檢測等數據進行綜合分析，結合已有經驗，對設備狀態進行評估，給出檢修建議.

2 無源測溫系統測試結果

在無源測溫系統進行實驗測試后，我們對測試結果進行了相應分析，并分析了RFID通信的安全性和可靠性.

2.1 測溫結果數據分析

在對該系統進行測試后發現其測得的溫度與實際溫度存在一定的誤差，分析引起該測溫系統測量誤差的原因有以下幾點：首先是測溫探頭的誤差，測溫探頭的導熱性越優良其響應溫度變化的速度就會加快，遲滯程度就會縮小；其次是AD轉換電路的量化誤差，AD位數越高，其量化誤差越??；另外，現場還存在外界干擾熱源，包括人體，傳感器周圍的發熱體，流動的空氣等都會對測量存在影響，加之測量的關鍵點的表面狀況也會帶來一定的測量偏差.表1是對該系統進行溫升試驗的測量結果.

表1 測試結果Tab.1 The experiment results

圖6 溫度測試結果圖Fig.6 The experiment results sheet

從測試數據上來看，無源測溫系統測得的數據與實際溫度的最大誤差不超過1℃，有較好的測溫效果，滿足設計要求.

2.2 RFID通信的安全性和可靠性分析

為了保證本系統的通信安全，防止數據被非法用戶盜取，系統采用認證的方式來確保讀寫器與RFID標簽通信安全[13].本系統給定了兩個哈希函數Y=h(x)，X=g(X)，分別用于計算MK=Y=h(ID)=h(k)和FK=g(ID).將(K，FK)存儲于標簽Tag，并鎖定標簽；而(K，MK，FK)將存儲于后端數據庫，且后端數據庫儲存了唯一標識識讀器的ID號，用于后端數據庫對識讀器的合法身份的驗證.當標簽進入鎖定狀態時，對于所有的提問，標簽都以MK=h(K)去回答，這就有效地防止了竊聽，竊聽者只能獲得MK的值，而MK是由單向哈希函數生成的，由K值求得MK值很容易，但是由MK值求得K值卻很難，所以攻擊者無法得到標簽內有效信息.在實際測試中，采用了拒絕服務攻擊(DOS)、假冒、欺騙、竊聽等手段去攻擊該系統均未成功獲取到有效數據，故該系統的RFID通信可靠性可以得到保證，滿足設計需求.

關于RFID通信的可靠性，基于可靠性串聯模型，可靠性涉及到溫度傳感器、射頻模擬前端部分、數字控制器、存儲器以及手持巡檢終端等各部分的可靠性，其中任何一部分失效就會導致系統通信故障.其中RFID 專用芯片按每天讀寫一次，每次3 s計，工作時間達到3 h以上，壽命保守估計在10 a左右[14].其他部分的可靠性和壽命也都滿足系統設計需要，可以保障系統穩定可靠運行.

3 結束語

無源測溫系統與其他測溫方法相比，具有無需布線、測溫元件安裝方便、幾乎任何關鍵點都可以使用、信息準確及時、報警系統良好等優點.該系統可實現電力系統中關鍵部位溫度的在線監測，通過分析匯集帶有識別信息的變電設備溫度等狀態信息，實現提前預警，根據相關檢修規程，實現設備的正常、異常、嚴重狀態評判，輔助運行人員及時發現設備異常，提出檢修周期及檢修策略建議，改變了電力系統的檢修模式，使運行人員及時掌握設備運行情況，可在一定程度上提高供電系統的可靠性.

該系統可滿足目前省電力公司的實際現場作業需求，可大大提高相關專業工作的管理水平，節省大量的人力、物力，有效提高工作效率和檢修質量，降低檢修成本，具有良好的經濟效益和社會效益.

[1] 喬礦生. 無線測溫技術在變電站中的應用[J]. 河北煤炭, 2013(01): 56-58．

[2] 汪曉紅. 高壓開關設備監測中的遠程無線測溫系統設計[J]. 電子設計工程, 2014(03): 104-106．

[3] 臺 暢, 吳必瑞. 電力設備溫度無線監測系統研究[J]. 電力學報, 2008(05): 415-417．

[4] 劉 強. 電網設備溫度無線監測[D]. 蘇州： 蘇州大學, 2005．

[5] 呂 鑫, 吳瑞春, 申 潔. 高壓帶電設備無線測溫系統的設計與應用[J]. 河北電力技術, 2013(01): 47-49．

[6] 金振東, 許 箴, 金 峰, 等. 國內高壓帶電設備測溫方式綜述及分析[J]. 電力設備, 2007(12): 57-61．

[7] 蔣雷雷. 基于光纖測溫的一次設備故障診斷和研究 [D]. 濟南：山東大學, 2011．

[8] 田文卓. 面向RFID標簽的CMOS溫度傳感器分析與設計 [D]. 武漢：華中科技大學, 2013．

[9] 杜芷君. 一種集成于RFID標簽芯片的CMOS溫度傳感器的設計[D]. 武漢：華中科技大學, 2009．

[10] 王 瓊. 無源無線聲表面波溫度傳感器的設計[D]. 杭州：浙江大學, 2011．

[11] 林卓彬. 聲表面波溫度傳感器特性研究[D]. 長春：吉林大學, 2010．

[12] 張 暉, 王東輝. RFID技術及其應用的研究[J]. 微計算機信息, 2007(11): 252-254．

[13] 陶曉霞. RFID標簽安全協議的研究與設計[D]. 大連：大連海事大學, 2011．

[14] 張 超. RFID智能卡可靠性試驗評價技術的研究[D]. 長沙：湖南大學， 2008．

Design and realization of primary equipment’s passive temperature measurement system based on RFID

YU Jianyang1， YANG Zhengping1， JIANG Chunya1， LI Shuixiang2， QIN Zhaoyu3

(1.Changzhou Power Supply Company of Jiangsu Electric Power Company， Changzhou， Jiangsu 213000;2.College of Urban and Environment Science， Central China Normal University，Wuhan 430079;

3.Wuhan Nari Group Corporation， State Grid Electric Power Research Institute， Wuhan 430070)

In order to reduce the risk of equipment damage and safety failure caused by over-heating of key points of power system’s primary equipment， this paper proposes an approach of passive temperature measurement system based on radio frequency identification technology. This system consists of passive temperature measurement sensor， handheld operation and maintenance terminal， RFID identification and transmission system， and operating condition assessment software package. This design is explained in detail. Measurement experiments are carried out as well as related safety and reliability analysis， which verifies the feasibility of the proposed approach.

primary equipment; passive temperature measurement sensor; handheld terminal; RFID; wireless transmission

2015-02-27.

國家電網江蘇省電力公司科技項目(J2014073)．

1000-1190(2015)04-0532-06

TM933< class="emphasis_bold">文獻標識碼： A

A

*E-mail: yujyang@sina.com.