基于RFID的電力巡檢系統抗干擾分析

岳 萍

（1.電子科技大學成都學院電子工程系，四川 成都 610000；2.成都工業學院電氣工程學院，四川 成都 610000）

電力設備巡檢是確保電力系統能夠正常運行的重要工作，以往的人工巡檢方式已經逐漸不能滿足實時、準確、安全、有效的要求。而物聯網RFID的出現及發展，為這一訴求提出了很好的解決方案。

RFID射頻識別技術，主體包括電子標簽和讀卡器兩部分。它們之間不需要接觸，通訊是靠電磁或電感耦合來實現的。

在電力巡檢過程中，采用RFID技術已經逐漸成為主流。但是，就巡檢過程中的傳輸距離和抗干擾能力分析，未有詳細的論文進行研究總結。

1 傳輸距離分析

傳輸距離是指讀卡器和電子標簽之間的通信距離，其決定因素包括讀寫器的發射功率，天線的性能以及標簽的靈敏度，下面分別對這三點進行分析：

1.1 讀寫器的發射功率

目前常用的標簽為無源標簽、有源標簽和半有源標簽三種。其中無源標簽內不含電源，故其通信距離受限制，需較大的功率讀寫器，閱讀距離較近；半有源標簽和有源標簽內部有電池，故可以以較高的發射功率進行信號發射，從而大大提高了傳輸距離。有源標簽的電池持續供電，電池消耗越大，傳輸距離越短，繼而影響系統正常工作，而半有源標簽內部的電池僅起輔助作用，應答器電路能耗較少，平時處于休眠狀態，故壽命更長，這也成為了RFID的新的發展趨勢。

1.2 天線的性能

天線的性能可以從天線的方向性增益、極化方向和天線的波瓣寬度來分析。

（1）天線的方向性增益越大，其從最大輻射方向上的功率放大越強，該方向上的傳輸距離就越遠.

（2）天線的極化方向：極化方向可以分為直線方向和輻射方向兩種。直線方向的極化可以大大提高傳輸距離。

（3）天線的波瓣寬度：波瓣的寬度越窄，其傳輸的方向性就越好，從而使得傳輸距離就越遠，缺點是天線的覆蓋范圍也就相對變小。

1.3 標簽的靈敏度

標簽的靈敏度越高，傳輸距離越遠。

在以上三點都確定的情況下，為了提高傳輸距離，就要克服電磁能量在傳輸環境中的無效損失，特別是電磁線碰到金屬后轉化為電流，會大大降低可讀距離。如何來解決這一問題，將是提高傳輸距離的一個研究方向。

2 系統抗干擾分析

RFID系統的抗干擾應該從兩方面來分析，第一方面，是外來的主觀惡意干擾，也可以稱為系統安全方面，第二方面，是多讀寫器與標簽之間的碰撞干擾。

2.1 安全方面

RFID系統中，標簽和讀寫器之間的通信是通過電磁波的形式進行的，屬于非接觸通信。于是安全性方面就存在嚴重的隱患。這種安全隱患主要包括標簽、讀寫器以及兩者之間的空中接口三個部分，其中最主要需要解決的是前端鏈路即讀寫器與標簽之間的通信鏈路的干擾問題。

目前可以從兩個方面對安全方面的干擾進行糾正：一方面是通過物理方式的安全機制來阻止標簽與讀寫器之間進行通信，另一方面可以通過邏輯方法來提高標簽的安全性能。

（1）物理方法

物理方法包括法拉第籠、夾子標簽、主動干擾法以及天線能量分析法等。這些方法都是從物理方面減小或限定標簽的可閱讀區域，降低其他惡意讀卡的可能性。

（2）邏輯方法

包括訪問控制法、認證法和加密算法等，這些方法的目的都是為了從訪問者身份認證層面進行控制。

2.2 碰撞干擾

在RFID應用系統中，經常會碰到多個讀寫器和多個標簽分布的情況，他們在交叉通信過程中可能會產生信號的交疊碰撞，這也是一種干擾。一般情況下，RFID系統的碰撞分為兩類：多標簽之間產生的碰撞和多讀寫器之間產生的碰撞。

2.2.1 多標簽防碰撞

在RFID系統中，通常會遇到在一個讀寫器的讀寫范圍內有多個標簽的情形。當這多個標簽同時產生應答信號時，這些數據交疊在一起就產生了我們所說的多標簽碰撞。

解決多標簽碰撞的算法很多，下面以三種算法為例進行介紹。

（1）面向比特的二進制樹形搜索防碰撞算法

這種算法的原理是基于卡片的曼徹斯特編碼序列號，該序列號具有唯一性。依據這種編碼方式，當讀寫器接收到標簽信號時，就可以判斷通信過程中是否發生碰撞以及發生碰撞的具體位置。

（2）面向時隙的防沖突機制

時隙是個取值范圍由讀寫器指定的序號。當兩張以上標簽同時進入讀寫器的讀取范圍內時，讀寫器向標簽發出呼叫命令，該命令中指定時隙的范圍，讓標簽在這個指定的范圍內隨機選擇一個數作為自己的臨時識別號。然后由讀寫器開始叫號，叫到則選中，沒叫到則繼續，這種方法的缺點就是有可能始終選不出一張卡片。

（3）位和時隙相結合的防沖突機制

這種機制一方面使得每張標簽也有一個唯一的序列號，另一方面讀寫器也使用時隙叫號的方式，只是這里的號不再是標簽隨機選擇的，而是那個唯一的序列號中的一部分。

2.2.2 多讀寫器防碰撞

隨著RFID系統大規模的應用，越來越多的場合需要建構RFID讀寫器網絡來監視整個覆蓋的區域。此時，多個讀寫器之間的可讀范圍就會產生重合，從而產生干擾碰撞。解決方法大概分為以下幾種：集中式和分布式、靜態和動態算法、實時和非實時算法等，這里不再贅述。

3 傳輸距離與抗干擾的平衡分析

無線信號在空中傳輸的損耗計算公式如下所示：

式中Lfs為傳輸損耗，d為傳輸距離，f為頻率。 從式中可以看出，傳輸損耗與頻率成正比。所以說，頻率越高，損耗越大。為了提高傳輸距離，就應該適當提高讀寫器的發射頻率。超高頻的電子標簽的頻率可以選擇960MHz和2.4GHz，通過實驗對這兩種頻率進行對比，實驗結果顯示，2.4GHz的傳輸速率高，但是信號弱，傳輸距離短，容易出現漏卡的現象。

表1 960MHz和2.4GHz的各項指標對比

在電力巡檢系統中，側重點應該放在傳輸速率上還是傳輸距離上呢？首先，在巡檢系統中，電力智能模塊有位于低矮處的，也有位于幾米的高處的，那么傳輸距離就是一個重要指標。而在該系統中，往往單次傳送的數據量很小，一般1～5秒鐘一次，一次發送幾個字節，持續時間約1ms左右，其他時間均處于休眠狀態。因此，傳輸速度并不是需要考慮的重點。

另外，由于2.4GHz頻段是不需要許可證的開放頻段，因此該頻段內開發了許多如無線局域網、藍牙、ZigBee等無線通訊設備。如果電力巡檢系統也采用2.4GHz頻段，則在整個監測范圍內將會增加大量移動的2.4GHz干擾信號源，因此應當慎重考慮2.4GHz射頻卡的使用。

通過以上分析，對傳輸距離和抗干擾進行平衡分析，得出應當選用960MHz的超高頻頻段，標簽采用半有源標簽，采用方向增益大的天線進行設計；軟件上編寫合理的防碰撞算法，來盡量減小不可避免的各類干擾。

4 結束語

本文通過對基于RFID的電力巡檢系統的傳輸距離的影響因素以及干擾產生的原因進行了詳細分析，最終得出了平衡這兩者的最優的設計方案。