軌道交通RFID 溫度傳感技術研究與應用

錢曙杰

（蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇 蘇州 215000）

軌道交通車輛溫度實時監控事關設備狀態監控與火災防護工作，特別是車載大功率設備、電纜、高轉速動力系統，均存在高溫實時監控需求，溫度監控系統時效性與預警告警能力直接關系到車輛與乘客安全。近年來，基于先進傳感與智能處理技術的信息化監控水平快速提升，特別是隨著人工智能與大數據分析技術的長足進展，基于海量溫度數據的傳感采集與分析融合，進一步研究車輛設備全壽命全周期老化管理與故障預判等工作正應運而生。

1 RFID 溫度傳感技術概述

1.1 RFID 無源溫度傳感原理

傳 統 的RFID（Radio Frequency Identification）技術具有無源無線傳輸、電子標簽識別號唯一等特點，并且具備一定的存儲能力，因此，廣泛應用于身份識別、物件盤點和金融付費等領域。按照RFID 工作頻率與傳輸距離的差別，可以分為低頻（Low Frequency）、高頻(High Frequency)、超高頻(Ultra-High Frequency)等多種類型，超高頻RFID 技術由于傳輸距離更遠，所以目前應用領域越來越廣泛。

隨著集成電路技術的快速發展，傳統的RFID 普通芯片開始集成各類先進傳感器，向多功能集成化方向發展，使得RFID 電子標簽不但可以實現無線身份識別，還可以進行溫度、濕度等重要傳感信息的監測，具有無線免布線、無源免電池供電以及單芯片集成度可靠性高等優點，因此，一經推出便得到了廣泛應用，尤其適用于諸多特殊應用場合。常見的RFID 測溫電子標簽如圖1 所示，主要由RFID 感溫芯片與微型射頻天線封裝構成，可選用陶瓷、印制電路板（PCB）或者柔性印制電路板（FPC）等多種制成。RFID測溫電子標簽內部架構如圖2所示，雖然外形小巧，但是，其內部集成了傳感器、射頻收發前端與天線等眾多功能模塊。作為RFID 測溫電子標簽的核心部件，RFID 感溫芯片與RFID 普通芯片的主要區別在于增加了傳感檢測單元（Sensor）與模數轉換單元（ADC）。

圖1 RFID 測溫電子標簽實圖

RFID 測溫電子標簽實際應用效果主要取決于讀寫器功率與標簽本身的接收靈敏度，常用UHF RFID 讀寫器功率為1W，電子標簽靈敏度如果采用FCC 標準，需要在902 ～928MHz 頻段完成性能優化。RFID 測溫電子標簽靈敏度測試曲線如圖3 所示，當頻率為915MHz 中心頻率時，最佳靈敏度性能優于-15dB。

圖2 RFID 測溫電子標簽內部電路框圖

1.2 RFID 無線無源測溫系統架構

本文提出一種基于RFID 無線無源測溫技術的軌道交通電纜溫度監控方案，通過在車載大功率線纜上安裝無線無源RFID 測溫電子標簽，并組建RS485 有線通信網絡，完成對整車關鍵線纜溫度實時監控與高溫報警。

RFID 無線無源測溫系統架構如圖4 所示，主要由感知層、傳輸層和應用層構成。其中，感知層主要包括RFID 測溫電子標簽與拾溫天線；傳輸層可以采用有線RS485 組網或者以太網，也可以采用Lora、4G 或5G 等無線網絡組網，組網模式的選定依托于環境與客戶的綜合選擇；應用層可以直接數據讀取與顯示，或者兼顧后期閾值比對可增加AI 處理等。圖4 中超高頻RFID 測溫電子標簽貼附于各種被監控設備，測溫對象周邊布置超高頻天線采集標簽溫度，并通過標簽讀寫器上傳給上位機匯總顯示與處理。根據標簽類型、讀寫器性能與應用環境的不同，測溫電子標簽與超高頻天線之間最遠距離可達10m 以上，天線與讀寫器的射頻連線距離也可遠超10m，因此，施工運用非常便利。

1.3 傳統測溫方案與RFID 無線無源測溫方案對比

傳統軌道交通車載電纜溫度監控主要有兩類方案：第一類采用紙質過溫變色標簽。常用紙質過溫變色標簽過溫閾值為70℃，將紙質過溫變色標簽纏繞于被監控電纜上，當發生過溫事件時，紙質標簽由白色變為黑色，以此告知巡檢人員電纜過溫事件曾經發生。第二類采用感溫電纜。將感溫電纜與被測設備或電纜貼附在一起，當被測設備或電纜溫度高于感溫電纜閾值時，感溫電纜內部兩根芯線發生熔斷短路從而觸發高溫報警。

圖3 RFID 測溫電子標簽靈敏度測試曲線

圖4 RFID 無線無源測溫系統架構

上述兩種傳統方案的缺點均是無法進行溫度實時監控，無法提前預警，只有當過溫事件發生后才提醒用戶，高溫引發風險控制能力低。同時，兩種方式溫度傳感單元均為一次性使用，發生過溫事件后傳感單元隨即損壞不可再行使用，這些缺點限制了溫度監控系統智能化水平與應用范圍。

相比而言，RFID 無線無源測溫方案可以監測實時溫度，記錄被測物體實時溫度變化與歷史溫度變化規律。該方案不僅可以設置多級高溫預警與告警閾值，還可以結合監控對象物料特性，通過人工智能與大數據分析技術，進一步分析被測對象的溫度變化特性，由此推斷設備關鍵部位工作溫度與老化特性關聯特性，有助于設備的全周期全壽命管理。可以預見，基于設備海量溫度數據集的AI 特性分析，以此助力提升設備監控管理科學水平，將成為今后工業信息化改造的重要方向。

2 RFID 溫度傳感軌道交通研究與應用

2.1 軌道交通溫度監控需求

軌道交通車輛由于存在眾多高壓大功率設備、線纜和蓄電池設備，設備或電池工作狀態與其溫度特性密切相關。另外，由于車輛高速運轉，車輛軸溫狀態也需實時監控，所以測溫監控技術在軌道交通車輛信息化升級中有著廣泛應用前景。

2.2 基于RFID 溫度傳感技術的軌道交通測溫監控

由于軌道交通車載設備的不同特點，RFID 無源無線測溫方案實際工程應用時需要靈活采用不同技術方案進行實施，以便完成不同設備點、線、面等各種特色區域溫度監控。對于低壓箱、空調柜等進出線纜布局密集測溫場合，如果采用有線測溫方案，傳感器布線會十分復雜，而采用RFID 無源無線測溫方案，則可以省去復雜布線工作，在被測物體上直接布置RFID 測溫電子標簽，并就近采用拾溫天線進行面狀區域整體測溫；對于纜槽內部電纜等長線形測溫對象，又可以采用射頻漏泄同軸電纜輸送射頻信號，在漏纜周邊布置RFID 測溫電子標簽完成測溫與信息傳輸。

圖5 為某項目半列車RFID 無源無線測溫方案整體系統布置，其中TC/MP/M 車每車配置一臺RFID 溫度讀寫器，分別提供三路測溫監控通道，包含兩路纜槽和低壓箱進出線溫度實時監控。另外，TC 車布置上位機一臺，用于指令控制、溫度匯總與向列車控制管理系統（TCMS）的溫度轉發，所有溫度數據與告警信息于車載顯示單元DDU 顯示輸出，系統內部采用RS485 有線組網，為提高系統可靠性系統做雙機冗余熱備份。圖6 為低壓箱進出線纜溫度監控示意，RFID 測溫電子標簽捆扎于線纜端頭，拾溫天線就近布置于附近給標簽實時提供射頻電磁供電的同時，完成溫度信息讀取與采集。

圖5 RFID 軌道交通車輛測溫應用

圖6 測溫電子標簽安裝運用示意

2.3 試驗數據與結論

RFID 溫度監控系統溫度顯示與報警功能與列車車載顯示系統進行集成，如圖7 所示，圖中左側1 ～6 分別表示6 節車廂，A1 ～A6，B1 ～B6，C1 ～C6 則用于表示不同測溫部位的位置信息，全車可以實時監控108個測溫點位溫度，點擊任意點位溫度，可以進一步查詢該點位的溫度歷史記錄，由此可以發掘設備監控點溫度變化信息，如圖8 所示。

與現有其他無線測溫方案相比，本RFID 無源無線測溫方案在測溫一致性、穩定性和測溫精度等方面具備明顯優勢，現有無線無源測溫方案技術方案對比結果如表1 所示。其中，第三類方案是采用磁感應線圈溫度傳感器測試電纜溫度，該方案將磁感應線圈溫度傳感器捆扎于電纜上測溫，并通過無線方式發送溫度信息給后端監控設備實現監控。其缺點在于磁感應線圈溫度傳感是通過電磁耦合產生電能給溫度傳感器供電，故只有當所監控電纜的電流高于一定數值之后，磁感應線圈溫度傳感才能獲取足夠電能以開始工作，否則，感應線圈無法取電，導致該方案使用范圍受限，所以綜合評價而言，RFID 測溫監控方案優勢最強。

圖7 列車全車多點位溫度實時監控顯示

圖8 任意測溫點位溫度歷史查詢統計

3 結語

本文介紹了一種基于RFID 溫度傳感技術的軌道交通車輛溫度監控方案。通過理論分析與試驗結果表明，與傳統的溫度監控方案相比，該方案具有更好的測溫一致性、穩定性和測溫精度，在高溫定位與溫度實時監控告警方面均更有優勢。基于本文提出的測溫方案能夠更便捷、準確地獲取海量車輛溫度數據，為軌道交通和大數據、物聯網和人工智能等前沿技術的融合運用提供了數據基礎，符合智慧軌道交通的發展趨勢，在軌道交通領域具有廣泛的應用價值。

表1 現有無線無源測溫技術方案特點對比