0 引言

    溫度是電氣設備監測與控制的重要參數，高壓全封閉設備的測溫難點主要包括：(1)全封閉設備，關鍵點溫度不易測量；(2)高溫環境對測溫終端電池有要求，且電池更換不易，維護工作量大；(3)高壓環境下，有線影響絕緣要求，不利于設備運行^[1，2]。

    無線測溫技術具有測量范圍大、準確度高、不影響設備運行、在線實時監測等優點。基于無線測溫的優勢及全封閉設備的測溫難點，提出了一種基于射頻識別(RFID)技術的無源無線溫度監測系統方案。系統通過無線供電方式向在線監測系統中的無線傳感器節點提供電源，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的信息交互與信息采集，實現自動識別及遠程實時溫度監控及管理。文中介紹了超高頻射頻識別技術的原理和架構，指出了實現射頻識別溫度監測的各關鍵技術，提出了系統在高壓開關柜的實施方案，并通過實驗探討了系統方案的可行性。

1 超高頻射頻識別技術

    溫度監測系統的硬件組件主要由3部分構成：溫度傳感器標簽、讀寫器、后臺服務器^[3]。其中后臺服務器通過RS485總線或網線連接至讀寫器，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，標簽與讀寫器應用RFID技術實現無線通信。

    系統基本工作流程如圖1所示。首先，讀寫器產生一個載波信號并通過其天線發射出去，當傳感標簽進入讀寫器所發射的電磁波有效覆蓋區域內時，傳感標簽被激活，激活的標簽將存儲在芯片中的識別信息通過其內置天線發送高頻信號至讀寫器天線，高頻信號經天線調節器傳送到讀寫器進行解調和譯碼，然后送到上位機進行有關數據處理。上位機軟件根據邏輯運算判斷該標簽合法性，針對不同的設定作出相應的處理和控制^[4]，如發出溫度預警信息等。

    溫度標簽安裝于配網設備內，作為一種無線射頻識別傳感器，每個標簽都存放有各自的識別信息，包括：EPC碼(Electronic Product Code)和溫度數據，其中標簽EPC碼唯一且在出廠時已固定^[5]。識別信息由讀寫器讀出，根據標簽EPC碼設置安裝地址，用戶在服務器端知道哪些特定的傳感器在發送關鍵數據，從而知道溫度關鍵點的地址問題，達到關鍵點溫度監測的目的。

2 系統關鍵技術研究

    系統設計過程中，主要考慮6種關鍵技術的研究，包括：溫度傳感器標簽及讀寫器天線的選型、標簽抗金屬設計、通信距離估算、防碰撞算法、設備安裝及后臺軟件開發等。

2.1 標簽及天線選型

    本文選取的溫度標簽^[6]參數規格如表1所示；讀寫器天線為美國LAIRD公司生產的S8658，其參數規格如表2。

2.2 傳感標簽抗金屬設計

    由于標簽應用于配網設備，必須考慮金屬對標簽的影響^[7，8]。本文采用一種成本相對較低并且簡單易用的抗金屬設計方法，使用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic)封裝外殼墊高標簽并在外殼底部采用AMC結構，如圖2。AMC結構由3部分組成，最上層是理想電導體地板，底部是周期性排列的金屬貼片， 兩者之間填充介質，金屬貼片與地板之間由一個金屬過孔相連^[8]。

    ABS封裝外殼的主要作用有：(1)射頻標簽溫度由有線熱敏電阻測得，熱敏電阻安裝于關鍵點附近，由于高壓環境不允許連接線裸露，ABS封裝外殼起到絕緣防護的作用。(2)封裝外殼采用AMC結構，減弱金屬對標簽的干擾，提高標簽的讀取率；其次，由于所設計封裝外殼底部鋪設金屬層，對于熱敏電阻測溫有很好的導熱性能。(3)封裝后標簽便于安裝。

2.3 通信距離估算

    識別距離，即RFID讀寫器能夠檢測到標簽反向散射信號的最大距離R，是系統的重要性能指標。其由喚醒標簽芯片的最小門限功率P_th和讀寫器接收機靈敏度P_min共同決定^[9]。根據Friis方程式^[10]計算距離讀寫器r處標簽接收能量：

其中，R₁由喚醒標簽芯片的最小門限功率P_th決定，R2由接收機靈敏度P_min決定，最終通信距離的估算取小的那個值。將所選設備參數代入式(4)、式(5)，得到系統理論通信估算通信距離為4.13 m。

2.4 防碰撞機制

    RFID系統工作過程中，當有一個以上的標簽同時處在讀寫器范圍內時，會出現通信沖突，即碰撞。此溫度在線監測系統主要存在兩種類型的碰撞：一種是由多個標簽同時響應讀寫器引起的碰撞；另一種是系統中讀寫器范圍內非溫度標簽對RFID系統的干擾。針對開關柜溫度在線監測系統，溫度標簽的數量有限，本文在讀寫器原有的基于動態幀時隙ALOHA算法基礎上引入分組輪詢機制，提高了識別效率。

    首先讀寫器向標簽發送查詢命令，接收到命令的標簽獲得能量被激活。標簽隨機從幀長度 1-F 內選擇一個時隙來傳送識別信息，并將時隙號存在寄存器SN中。如果數據發送成功，則該標簽進入休眠狀態，在之后的時隙不再活動；若有沖突發生，則該標簽進入等待狀態，在下一幀中重新選擇時隙發送數據。讀寫器對標簽發送的數據進行識別信息校驗，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，此幀不再查詢；將非溫度標簽加入黑名單，之后都不再查詢。讀寫器不斷重復以上過程，直到在某一幀中沒有收到任何標簽信號，則認為所有溫度標簽均被識別。其算法流程如圖3所示。

2.5 設備安裝

    高壓開關柜溫度脆弱點分布于母線連接處、電纜連接處、斷路器連接處，系統溫度傳感器可安裝于以上溫度關鍵點，標簽安裝于母線連接處。讀寫器天線安裝于開關柜各功能室金屬門上，位于開關柜內，并在門上鉆孔引出天線導線至讀寫器。由于天線與標簽已存在射頻連接，讀寫器安裝位置對通信距離影響不大，讀寫器可經天線饋線安裝于開關柜外。考慮金屬對無源標簽的干擾以及溫度節點分布于不同氣室，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Microsoft.NET平臺的C#編程語言。系統軟件具有連接讀寫器、在線實時測溫、溫度數據存儲、實時告警、溫度曲線分析等功能。系統實時監測界面如圖4所示。

    界面顯示主要內容為讀寫器IP地址、天線范圍內標簽EPC、標簽讀取次數、實時溫度以及根據標簽EPC設置的安裝地址信息。其中溫度數據繪制成二維曲線，曲線坐標實時變化；如圖“柜1A相”標簽溫度顯示29.26 ℃（綠色），當溫度超過設定的預警閾值（75 ℃，可設定）時，所在行變為紅色，實現溫度告警；溫度信息每隔30 s（可設定）會保存在History.log文本文檔中，方便監控人員查詢溫度歷史數據并打印報表。以上功能很好地實現了在線實時監測關鍵點運行時刻的溫度值，人機交互界面方便統一監控及管理。

3 實驗及可行性分析

3.1 傳感標簽靈敏度試驗

    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，如讀寫距離等。在某一頻段內絕大多數芯片廠商僅僅給出芯片一個靈敏度值，而沒有標識出芯片靈敏度隨頻率的變化情況。本文標簽靈敏度曲線如圖5所示。

    所測標簽在860 MHz~960 MHz頻率區間內靈敏度趨于穩定，維持在-4 dBm左右，在950 MHz標簽靈敏度最高。對應我國RFID頻段，所測標簽靈敏度為-4.1 dBm。

3.2 傳感標簽讀取率試驗

    考慮開關柜金屬對標簽通信的影響，在標簽標準通信2 m范圍內，將讀寫器天線分別置于標簽0~2 m處，標簽貼附于20 cm×20 cm金屬板上，標簽與金屬板方向均為平行于讀寫器天線，以達到最佳射頻耦合。其標簽讀取率實驗與無金屬隔板條件下對比如表3所示。

    根據實驗數據，1 m時可以看出金屬隔板對讀寫器的場會有反射和屏蔽的作用，使標簽讀取率降低，但并非完全無法讀取。根據2 m的實驗數據，當有金屬隔板時，金屬吸收射頻能量轉換成電場能，減弱原有射頻場強的總能量，導致標簽無法正常工作。金屬板的干擾降低了標簽的通信距離，達不到標簽2 m的標準，但1.5 m的讀寫距離足以滿足設備的安裝及溫度監測。

3.3 測溫性能實驗

    為測試溫度標簽的測溫性能，在同一時間測量不同環境溫度，并與水銀溫度計進行對比，對比數據見表4。

    標簽測溫性能實驗的結果表明，該溫度標簽的測溫結果比水銀溫度計的測溫結果普遍略高，但非常接近，標簽與溫度計差值均小于0.5 ℃。據開關柜日常運行維護與檢修人員的經驗，電氣聯接頭的正常溫度為30 ℃~60 ℃，如果出現過熱現象則溫度可達 75 ℃以上， 無線測溫以0.5 ℃的偏差值， 足以反映開關柜的健康狀況。

3.4 開關柜測溫試驗

    實驗在校高壓實驗室10 kV高壓開關柜進行，傳感標簽安裝于開關柜斷路器A相觸頭連接處，本文選取其24 h溫度記錄數據，反映全天的開關柜溫度變化，如圖6。通過對24 h觸頭溫度的記錄分析可以看出，RFID溫度在線監測系統能夠正常運行且不影響開關柜工作，其記錄數據正確反應了觸頭溫度與環境溫度之間的關系，說明此溫度監測系統的方案可行。

4 結語

    配網設備溫度監測對設備安全穩定運行具有重要意義，RFID溫度在線監測方案利用無源無線傳感器標簽采集溫度，傳感器節點無需電源供電；通過無線數據傳輸實現了多節點溫度的在線監測。系統在監測過程中具有以下優點：(1)設備體積小，便于安裝；(2)低成本、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)在線實時監測；(5)PC提供良好的人機界面，操作簡便， 具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 邱仕義.電力設備可靠性維修[M].北京：中國電力出版社，2004：249-254.

[2] 黃煒宏，謝章洪，陳祥偉，等.基于ZigBee技術的成套式開關設備溫度監測系統的設計與應用[J].高壓電器，2013，49(6)：125-130.

[3] 莫小錦，周嚴.基于射頻技術與無線網絡的溫濕度遠程監測系統[J].傳感技術學報，2011，10(24)：1501-1505.

[4] 張智文.射頻識別技術理論與實踐[M].北京：中國科學技術出版社，2008：10-59．

[5] 鄧世杰.中置式開關柜的無線測溫方法[J].高壓電器，2010，46(11)：99-102.

[6] 張丹丹，胡建明，崔婷，等.帶傳感器的射頻識別技術在變電站電氣設備狀態信息采集中的應用[J].高電壓技術，2013，39(11)：2623-2629.

[7] 莫凌飛.超高頻射頻識別抗金屬標簽研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[8] 劉圣英.UHF RFID抗金屬標簽天線設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013：50-62.

[9] Alireza Foroozesh，Lotfollah Shafai.Performance  enhancement of the compact micro strip antennas using AMC ground planes[C].IEEE Press，2009.

[10] DOBKIN D M.The RF in RFID：UHF RFID in practice[M].Burlington：Newnes，2012.

[11] DAVID T，VISWANATH P.Fundamentals of wireless communication[M].London：Cambridge University Press，2005

作者信息:

關志遠，張周勝

（上海電力學院 電氣工程學院，上海200090）