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                基于射頻識別(RFID)技術的無源無線溫度監測系統方案

                來源: | 發布日期:2022-07-15

                溫度是電氣設備監控的重要參數。高壓全封閉設備測溫難點主要有:

                (1)全封閉設備,關鍵點溫度不易測;

                (2)高溫環境測溫終端電池有要求,更換電池不易,維護工作量大;

                (3)在高壓環境下,布線影響絕緣要求,不利于設備運行。

                無線測溫技術具有測量范圍大、精度高、不影響設備運行、在線實時監測等優點。針對無線測溫的優勢和全封閉設備測溫的難點,提出了一種基于射頻識別(RFID)技術的無源無線測溫系統方案。該系統通過無線供電方式為在線監測系統中的無線傳感器節點供電溫濕度監控管理系統,具有較高的安全性和抗干擾性;通過無線射頻信號進行非接觸式信息交換和信息采集,實現自動識別和遠程實時溫度監測管理。介紹了UHF RFID技術的原理和結構,指出了實現RFID溫度監測的關鍵技術,提出了該系統在高壓開關柜中的實施方案溫濕度監控管理系統,并通過實驗探討了該系統方案的可行性。

                1 超高頻 RFID 技術

                溫度監測系統的硬件組成主要由三部分組成:溫度傳感器標簽、閱讀器和后臺服務器。后端服務器通過RS485總線或網線與讀寫器相連,讀寫器通過饋線與其天線相連,標簽天線集成在標簽芯片上,標簽與讀寫器采用RFID技術實現無線交流。

                系統的基本工作流程如圖1所示。首先,閱讀器產生一個載波信號并通過其天線發射。當感應標簽進入讀寫器發出的電磁波的有效覆蓋區域時,感應標簽被激活,被激活的標簽將被存儲在芯片中。信息通過其內置天線向讀寫器天線發送高頻信號,高頻信號通過天線調節器傳輸給讀寫器進行解調解碼,然后發送到上位機進行數據處理。上位機軟件根據邏輯運算判斷標簽的合法性,并針對不同的設置[4]進行相應的處理和控制,如發布溫度預警信息等。

                溫度標簽安裝在配電網絡設備中。作為射頻識別傳感器,每個標簽都存儲有自己的識別信息,包括:EPC代碼( )和溫度數據。標簽 EPC 代碼是唯一的,并且從工廠發貨。已修復 [5]。識別信息由讀寫器讀取,根據標簽的EPC碼設置安裝地址。用戶知道服務器端有哪些具體的傳感器在發送關鍵數據,從而知道關鍵溫度點的地址,達到關鍵點溫度監測的目的。

                2 系統關鍵技術研究

                在系統設計過程中,主要考慮了6個關鍵技術的研究,包括:溫度傳感器標簽和讀寫器天線選擇、標簽抗金屬設計、通信距離估計、防碰撞算法、設備安裝和后臺軟件開發等等。

                2.1 標簽和天線選擇

                選用的溫度標簽的參數和規格

                2.2 感應標簽抗金屬設計

                由于標簽應用于配電網絡設備,因此必須考慮金屬對標簽的影響。本文采用了一種成本相對較低且易于使用的抗金屬設計方法,采用ABS(ne)封裝外殼提升標簽,并在外殼底部采用AMC結構。AMC 結構由三部分組成。頂層是理想的導電層,底層是周期性排列的金屬貼片。兩者都充滿了介質。金屬貼片和地板通過金屬通孔連接。

                ABS封裝的主要功能是:

                (1)射頻標簽的溫度是通過有線熱敏電阻測量的,熱敏電阻安裝在關鍵點附近。因為高壓環境不允許連接線外露,ABS封裝起到絕緣保護的作用。

                (2)封裝外殼采用AMC結構,減少了金屬對標簽的干擾,提高了標簽的讀取率。標簽;其次,由于設計的封裝外殼底部鋪設了金屬層,使用熱敏電阻進行溫度測量。具有良好的導熱性。

                (3)封裝后的標簽易于安裝。

                2.3 通信距離估計

                識別距離,即RFID讀寫器能夠檢測到標簽的反向散射信號的最大距離R,是系統的重要性能指標。它由喚醒標簽芯片的最小閾值功率 Pth 和閱讀器的接收靈敏度 Pmin 共同決定[9]。根據Friis方程[10],計算標簽在距閱讀器r距離處接收到的能量:

                其中,R1由喚醒標簽芯片的最小閾值功率Pth決定,R2由接收靈敏度Pmin決定,估計最終通信距離取較小值。將選定的設備參數代入公式(4),公式(5),系統理論通信估計通信距離為4.13m。

                2.4種防碰撞機制

                在RFID系統的工作過程中,當多個標簽同時在讀寫器的范圍內時,會發生通信沖突,即碰撞。該在線溫度監測系統的碰撞主要有兩種:一種是多個標簽同時響應讀寫器引起的碰撞;二是讀寫器范圍內的非溫度標簽對RFID系統的干擾。對于開關柜溫度在線監測系統,溫度標簽的數量是有限的。本文在閱讀器原有動態幀時隙ALOHA算法的基礎上,引入包輪詢機制,提高識別效率。

                首先,閱讀器向標簽發送查詢命令,收到命令的標簽獲得能量并被激活。標簽從幀長1-F中隨機選擇一個時隙發送標識信息,并將時隙號存儲在寄存器SN中。如果數據發送成功,則標簽進入休眠狀態,在后續的時隙內不再活躍;如果發生沖突,標簽進入等待狀態,重新選擇下一幀發送數據的時隙。閱讀器驗證標簽發送的數據的識別信息,并根據EPC將標簽分為溫度組和非溫度組。上傳成功的溫度標簽進入休眠狀態,不再查詢此幀;非溫度標簽加入黑名單,不再查詢。讀寫器不斷重復上述過程,直到某一幀沒有收到標簽信號,則認為所有溫度標簽都被識別。其算法流程如圖3所示。

                2.5 設備安裝

                高壓開關柜的溫度脆弱點分布在母線連接處、電纜連接處、斷路器連接處。系統溫度傳感器可安裝在上述溫度關鍵點,標簽安裝在母線連接處。讀寫器天線安裝在開關柜各功能室的金屬門上,位于開關柜內,門上鉆有天線導線,將天線導線引出至讀寫器。由于天線與標簽之間有射頻連接,讀寫器的安裝位置對通信距離影響不大,可以通過天饋線將讀寫器安裝在開關柜外??紤]到金屬對無源標簽的干擾以及不同氣室溫度節點的分布,采用增加冗余天線的方法擴大通信范圍。

                2.6 后臺軟件開發

                本文開發的溫度在線監測軟件基于.NET平臺的C#編程語言。系統軟件具有連接讀卡器、在線實時測溫、溫度數據存儲、實時報警、溫度曲線分析等功能。系統實時監控界面如圖4所示。

                界面上顯示的主要內容是讀寫器的IP地址、天線范圍內的標簽EPC、標簽讀取次數、實時溫度、根據標簽EPC設置的安裝地址信息。溫度數據繪制成二維曲線,曲線坐標實時變化;如圖“機柜1A相”標簽溫度顯示29.26℃(綠色),當溫度超過設置的警告閾值(75℃,可設置時),該行變為紅色為實現溫度報警;溫度信息每30s(可設置)保存在.log文本文件中,方便監控人員查詢歷史溫度數據和打印報表。以上功能很好地實現了運行時關鍵點溫度值的在線實時監測,人機交互界面便于統一監測和管理。

                3 實驗與可行性分析

                3.1 傳感器標簽靈敏度測試

                RFID標簽芯片的靈敏度是芯片被激活所需的最小能量,靈敏度是標簽芯片最重要的性能指標。大小直接影響標簽的性能,比如讀寫距離。在某個頻段內,大部分芯片廠商只給出了芯片的靈敏度值,并沒有識別出芯片靈敏度隨頻率的變化。本文的標簽敏感度曲線如圖5所示。

                被測標簽的靈敏度在~頻率范圍內趨于穩定,并保持在-4dBm左右,標簽的靈敏度最高。對應我國RFID頻段,實測標簽靈敏度為-4.1 dBm。

                3.2 感應標簽讀取率測試

                考慮開關柜金屬對標簽通信的影響,在標簽標準通信2m范圍內,讀寫器天線放置在距離標簽0~2m處,標簽貼在 20 cm × 20 cm 的金屬板上。金屬板的方向與閱讀器天線平行,以實現最佳的射頻耦合。標簽讀取率實驗與無金屬隔板條件對比見表3。

                根據實驗數據可以看出,金屬隔板在1m處會反射和屏蔽閱讀器的場,會降低標簽的閱讀率,但也不是完全不可讀。根據2m的實驗數據,當有金屬隔板時,金屬吸收射頻能量并轉化為電場能量,削弱了原有射頻場強的總能量,導致標簽不能正常工作。金屬板的干擾降低了標簽的通信距離,無法滿足標簽2m的標準,但1.5m的讀寫距離對于設備安裝和溫度監測來說已經足夠了。

                3.3 測溫性能實驗

                為了測試溫度標簽的測溫性能,同時測量不同的環境溫度,并與水銀溫度計進行比較。比較數據見表4。

                標簽測溫性能實驗結果表明,溫度標簽的測溫結果一般略高于水銀溫度計,但非常接近,標簽與溫度計的差異較小大于0.5℃。根據開關柜日常運維人員的經驗,電氣接頭的正常溫度為30℃~60℃,若出現過熱,溫度可達75℃以上,無線測溫為基于0.5℃值的偏差,足以反映開關柜的健康狀況。

                3.4 開關柜溫度測量測試

                實驗在學校高壓實驗室的一臺10kV高壓開關柜中進行。感應標簽安裝在開關柜斷路器 A 相觸點的連接處。本文選取24h溫度記錄數據來反映開關柜全天的溫度變化,如圖6。通過對24h觸點溫度的記錄和分析,可以看出RFID溫度在線監測系統能正常運行,不影響開關柜的運行。記錄的數據正確反映了接觸溫度與環境溫度的關系,說明本溫度監測系統方案是可行的。

                4 結論

                配網設備的溫度監測對設備的安全穩定運行具有重要意義。 RFID溫度在線監測方案采用無源無線傳感器標簽采集溫度,傳感器節點無需供電;通過無線數據傳輸實現多節點溫度在線監測。該系統在監控過程中具有以下優點:

                (1)設備體積小,安裝方便;

                (2)成本低,無維護費用;

                (3)不影響配網設備運行,不易受環境因素影響;

                (4)在線實時監控;

                (5)PC提供良好的人機界面,操作方便,具有良好的應用前景。

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