基于RFID的一次设备无源测温系统的设计与实现

虞坚阳， 杨正平， 蒋春亚， 李水祥， 覃兆宇

(1.江苏省电力公司 常州供电公司， 江苏 常州 213000; 2.华中师范大学 城市与环境科学学院， 武汉 430079;3.国网电力科学研究院 武汉南瑞电气有限责任公司， 武汉 430070)



基于RFID的一次设备无源测温系统的设计与实现

虞坚阳1*， 杨正平1， 蒋春亚1， 李水祥2， 覃兆宇3

(1.江苏省电力公司 常州供电公司， 江苏 常州 213000; 2.华中师范大学 城市与环境科学学院， 武汉 430079;3.国网电力科学研究院 武汉南瑞电气有限责任公司， 武汉 430070)

为了降低电力系统一次设备工作中关键点过热造成的设备损坏和安全故障隐患，针对现有一次设备温度检测存在的问题，提出了一种基于无线射频识别技术的无源测温系统设计方案.系统由无源测温传感器、手持运检终端、RFID识别传输系统和状态评价软件包构成.文章给出了详细的系统实现，并结合具体测试情况，分析了系统的安全性和可靠性，验证了设计方案的可行性.

一次设备； 无源测温传感器； 手持终端； RFID； 无线传输

目前一次设备的温度监测方法主要有试温蜡片法、示温记录标签法、红外测温法、光纤测温法这四种.采用试温蜡片法时值班人员每隔一定时间巡视一遍所有的试温蜡片，发现融化及时处理，因此值班人员的劳动强度较大，如果因疏忽未及时发现试温片受热融化，将会留下事故隐患；示温记录标签法虽具有超温后变色的颜色记录功能，兼有重复变色的可逆性功能，并且体积小、价格低廉，但还需要人工定期巡查，不能自动记录；红外测温法容易受太阳光线影响造成温度测量误差，因此测试只能在夜间进行[5]；而光纤测温法需要进行电池的二次更换，且光纤易受污染导致影响绝缘[6-7].

由于上述4种方法都存在着一定的缺陷，不能很好地满足当前的测温需求，因此本文提出一种基于RFID的无源测温新手段，这种方法具有自动进行记录，无需更换电池，不受太阳光照影响，可远距离传输的特点，可满足当前对于一次设备关键点的测温需求.

1 测温系统设计方案

一次设备关键点无源温度测试系统(简称“无源测温系统”)采用基于RFID的无源测温方法，包括无源测温传感器、手持巡检终端、后台管理分析系统，可方便地安装到设备的高压导体或关键部位收集设备关键点的温度.通过分析汇集带有识别信息的变电设备温度等状态信息，提前预警，根据相关检修规程，实现设备的正常、异常、严重状态评判，提出检修周期及检修策略建议，大大削减安全隐患，有效提高工作效率和检修质量，降低检修成本，适用于220 kV以下等级的所有变电站.

1.1 无源测温传感器

测温传感器采用嵌入声表面波温度传感器的RFID标签[8-9]，主要分为射频模拟前端部分、数字控制器、存储器和温度传感器4个模块，其结构如图1所示.

图1 RFID测温标签结构Fig.1 RFID temperature tag structure sheet

声表面波温度传感器按检测原理分为延迟型和谐振型两种类型.这里采用谐振型传感器，是因为其品质因素较延迟型器件高许多，并且损耗极小，更适应于远距离的无源无线遥感.而采用多个无源的声表面波传感器可构成分布式无源无线阵列传感器，只要阵列传感器中各个声表面波器件的叉指换能器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码(解码)功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励阵列中各个传感元，从而达到识别(寻址)阵列中各个传感单元的目的，满足设计需要[10-11].

RFID标签采用无源技术，其能量的获取来自于阅读器天线的场能.RFID标签采用电磁耦合的方式，通过交变的电磁场实现能量的传递，将阅读器发送的电磁场能量转换为电能供芯片使用.

大型机械压力机高速级小齿轮的材料为中碳钢调质处理，齿面局部淬火40～50HRC，大齿轮一般为铸钢，一般地说调质的小齿轮和铸钢的大齿轮减磨性较好，能有效的降低传动噪声。

RFID标签采用一款无源智能超高频电子标签芯片，用于读写距离可到 10 m的应用环境，具有防冲突算法功能，在读写器天线读取范围内，每秒可读识别 100 张以上的电子标签.温度芯片采用11bits低功耗ADC设计，温度范围为-40～120℃，温度精度为0.5℃，支持 EPC global Class 1 Gen 2 标准协议(V1.2.0)， 同时支持 ISO 18000-6C 超高频射频识别 (UHF-RFID) 国际标准，通信频率介于860～960 MHz，内部采用独有的数字架构，可使User区的结构得到进一步优化.其内部高集成度的硬件电路设计可以很好地解决近距离场强对芯片的干扰，同时采用国际上成熟的工艺，使其功耗进一步下降，满足客户对于产品数据的快速读写、数据擦除和用户区指定的特殊密码进行安全保护等等的需求，保证商品标签的稳定性，满足设计需求.

1.2 手持巡检终端

手持终端是一个基于雷达原理的射频收发与信号处理系统，采用的电路主要有：脉冲型、脉冲压缩型 和调频连续波型等.目前一般采用幅度解码的脉冲雷达系统，其原理框图如图2所示.所示系统是通用型的，只要改变本振频率及少数相关元器件，就可以应用于1 kMHz以下各频段的声表面波标签读写.

图2 通用解码手持终端Fig.2 Schematic diagram of General decoding handheld terminals

手持终端采用自由模式和停止模式两种抗冲突协议.在自由模式下，传感器通过不同的时间间隔发送自身数据.手持终端首先试图读取传感器的数据，但是由于传感器在读取过程中也开始发送，这样手持终端通过数据校验(曼彻斯特解码和CRC 校验)发现数据冲突，则丢弃数据.接着手持终端继续发出信号试图读取传感器的数据，并通过数据校验没有发现数据冲突，即可顺利地读出了传感器的数据.在停止模式下，在手持终端成功地读出电子标签的数据后，发送停止命令，被成功读取的传感器停止传送自身数据，进入“静止”状态，这样可以更快速的读取标签数据.手持终端原理图如图3所示.

手持终端由无线通讯模块、液晶显示模块、键盘输入模块、无线通讯模块等组成.无线通讯模块用于与位于工作站的后台分析管理系统通讯，管理系统通过通讯接口将授权信息发给手持终端.工作负责人将巡检人员与手持终端信息关联，以无线通讯的方式完成对巡检人员的授权.无线通讯模块除了完成授权以外，还可向后台分析软件发送温度测量数据，接收设备预警信息及检修建议信息等.

图3 手持终端原理图Fig.3 Schematic diagram of the Handheld terminals

1.3 RFID识别传输系统

完整的RFID识别传输系统应是无源传感器和手持终端结合的应用体系，其监测模型如图4所示.

图4 数据管理软件结构示意图Fig.4 Software structure diagram of data management

RFID识别传输系统是一套基于扩展RFID标签的电力设备标识、数据交换等接口规范体系，并应用了RFID和GPS的快速身份识别、信息获取及定位技术.该系统采用两种电子标签读写器：一种是维护设备编码的电子标签读写器，用来在维护电子标签时读取其编码，提供编码与设备实际位置的唯一对应关系；一种是内置于手持终端的电子标签阅读器，用来读取已安装于设备的编码，读取现场设备编码后，经比对确定所测设备是否已授权，同时记录测试时间、测试人员、关键点温度等关键信息，方便巡检后追溯管理.RFID识别系统的工作流程如图5所示.

RFID识别传输系统采用高效、低功耗通信传输技术及其在变电站强电磁干扰运行环境下采集及传输技术，具有自我身份识别、环境感知与自诊断和自修复功能、具备物联网交互接口的电力专用芯片和手持终端，实现了对信息的智能采集、传输、处理，满足设计需求[12].

图5 RFID识别系统工作流程图Fig.5 Flow diagram of RFID identification system

1.4 测温测试系统和状态评价软件包

无源测温系统采用分层设计的方法，划分为基础平台、服务支撑、公共服务、服务管理和安全管理等，形成基于统一技术架构的变电站一次设备关键点温度测试技术业务开发与运行支撑环境，面向各类系统提供基础服务和通用的服务功能，实现信息资源共享和业务协同，并结合监测点历史温度数据，进行实时分析，对温度变化呈现逐步升高的监测点，可在温度达到上限之前预警，把故障消除在萌芽状态.同时依托物联网RFID技术对变电站一次设备温度测量数据进行分析，结合预防性试验数据、巡检及带电检测等数据进行综合分析，结合已有经验，对设备状态进行评估，给出检修建议.

2 无源测温系统测试结果

在无源测温系统进行实验测试后，我们对测试结果进行了相应分析，并分析了RFID通信的安全性和可靠性.

2.1 测温结果数据分析

在对该系统进行测试后发现其测得的温度与实际温度存在一定的误差，分析引起该测温系统测量误差的原因有以下几点：首先是测温探头的误差，测温探头的导热性越优良其响应温度变化的速度就会加快，迟滞程度就会缩小；其次是AD转换电路的量化误差，AD位数越高，其量化误差越小；另外，现场还存在外界干扰热源，包括人体，传感器周围的发热体，流动的空气等都会对测量存在影响，加之测量的关键点的表面状况也会带来一定的测量偏差.表1是对该系统进行温升试验的测量结果.

表1 测试结果Tab.1 The experiment results

图6 温度测试结果图Fig.6 The experiment results sheet

从测试数据上来看，无源测温系统测得的数据与实际温度的最大误差不超过1℃，有较好的测温效果，满足设计要求.

2.2 RFID通信的安全性和可靠性分析

为了保证本系统的通信安全，防止数据被非法用户盗取，系统采用认证的方式来确保读写器与RFID标签通信安全[13].本系统给定了两个哈希函数Y=h(x)，X=g(X)，分别用于计算MK=Y=h(ID)=h(k)和FK=g(ID).将(K，FK)存储于标签Tag，并锁定标签；而(K，MK，FK)将存储于后端数据库，且后端数据库储存了唯一标识识读器的ID号，用于后端数据库对识读器的合法身份的验证.当标签进入锁定状态时，对于所有的提问，标签都以MK=h(K)去回答，这就有效地防止了窃听，窃听者只能获得MK的值，而MK是由单向哈希函数生成的，由K值求得MK值很容易，但是由MK值求得K值却很难，所以攻击者无法得到标签内有效信息.在实际测试中，采用了拒绝服务攻击(DOS)、假冒、欺骗、窃听等手段去攻击该系统均未成功获取到有效数据，故该系统的RFID通信可靠性可以得到保证，满足设计需求.

关于RFID通信的可靠性，基于可靠性串联模型，可靠性涉及到温度传感器、射频模拟前端部分、数字控制器、存储器以及手持巡检终端等各部分的可靠性，其中任何一部分失效就会导致系统通信故障.其中RFID 专用芯片按每天读写一次，每次3 s计，工作时间达到3 h以上，寿命保守估计在10 a左右[14].其他部分的可靠性和寿命也都满足系统设计需要，可以保障系统稳定可靠运行.

3 结束语

无源测温系统与其他测温方法相比，具有无需布线、测温元件安装方便、几乎任何关键点都可以使用、信息准确及时、报警系统良好等优点.该系统可实现电力系统中关键部位温度的在线监测，通过分析汇集带有识别信息的变电设备温度等状态信息，实现提前预警，根据相关检修规程，实现设备的正常、异常、严重状态评判，辅助运行人员及时发现设备异常，提出检修周期及检修策略建议，改变了电力系统的检修模式，使运行人员及时掌握设备运行情况，可在一定程度上提高供电系统的可靠性.

该系统可满足目前省电力公司的实际现场作业需求，可大大提高相关专业工作的管理水平，节省大量的人力、物力，有效提高工作效率和检修质量，降低检修成本，具有良好的经济效益和社会效益.

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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.

国家电网江苏省电力公司科技项目(J2014073)．

1000-1190(2015)04-0532-06

TM933< class="emphasis_bold">文献标识码： A

A

*E-mail: yujyang@sina.com.