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基于射频识别(RFID)技术的无源无线温度监测系统方案

来源: | 发布日期:2022-07-15

温度是电气设备监控的重要参数。高压全封闭设备测温难点主要有:

(1)全封闭设备,关键点温度不易测;

(2)高温环境测温终端电池有要求,更换电池不易,维护工作量大;

(3)在高压环境下,布线影响绝缘要求,不利于设备运行。

无线测温技术具有测量范围大、精度高、不影响设备运行、在线实时监测等优点。针对无线测温的优势和全封闭设备测温的难点,提出了一种基于射频识别(RFID)技术的无源无线测温系统方案。该系统通过无线供电方式为在线监测系统中的无线传感器节点供电温湿度监控管理系统,具有较高的安全性和抗干扰性;通过无线射频信号进行非接触式信息交换和信息采集,实现自动识别和远程实时温度监测管理。介绍了UHF RFID技术的原理和结构,指出了实现RFID温度监测的关键技术,提出了该系统在高压开关柜中的实施方案温湿度监控管理系统,并通过实验探讨了该系统方案的可行性。

1 超高频 RFID 技术

温度监测系统的硬件组成主要由三部分组成:温度传感器标签、阅读器和后台服务器。后端服务器通过RS485总线或网线与读写器相连,读写器通过馈线与其天线相连,标签天线集成在标签芯片上,标签与读写器采用RFID技术实现无线交流。

系统的基本工作流程如图1所示。首先,阅读器产生一个载波信号并通过其天线发射。当感应标签进入读写器发出的电磁波的有效覆盖区域时,感应标签被激活,被激活的标签将被存储在芯片中。信息通过其内置天线向读写器天线发送高频信号,高频信号通过天线调节器传输给读写器进行解调解码,然后发送到上位机进行数据处理。上位机软件根据逻辑运算判断标签的合法性,并针对不同的设置[4]进行相应的处理和控制,如发布温度预警信息等。

温度标签安装在配电网络设备中。作为射频识别传感器,每个标签都存储有自己的识别信息,包括:EPC代码( )和温度数据。标签 EPC 代码是唯一的,并且从工厂发货。已修复 [5]。识别信息由读写器读取,根据标签的EPC码设置安装地址。用户知道服务器端有哪些具体的传感器在发送关键数据,从而知道关键温度点的地址,达到关键点温度监测的目的。

2 系统关键技术研究

在系统设计过程中,主要考虑了6个关键技术的研究,包括:温度传感器标签和读写器天线选择、标签抗金属设计、通信距离估计、防碰撞算法、设备安装和后台软件开发等等。

2.1 标签和天线选择

选用的温度标签的参数和规格

2.2 感应标签抗金属设计

由于标签应用于配电网络设备,因此必须考虑金属对标签的影响。本文采用了一种成本相对较低且易于使用的抗金属设计方法,采用ABS(ne)封装外壳提升标签,并在外壳底部采用AMC结构。AMC 结构由三部分组成。顶层是理想的导电层,底层是周期性排列的金属贴片。两者都充满了介质。金属贴片和地板通过金属通孔连接。

ABS封装的主要功能是:

(1)射频标签的温度是通过有线热敏电阻测量的,热敏电阻安装在关键点附近。因为高压环境不允许连接线外露,ABS封装起到绝缘保护的作用。

(2)封装外壳采用AMC结构,减少了金属对标签的干扰,提高了标签的读取率。标签;其次,由于设计的封装外壳底部铺设了金属层,使用热敏电阻进行温度测量。具有良好的导热性。

(3)封装后的标签易于安装。

2.3 通信距离估计

识别距离,即RFID读写器能够检测到标签的反向散射信号的最大距离R,是系统的重要性能指标。它由唤醒标签芯片的最小阈值功率 Pth 和阅读器的接收灵敏度 Pmin 共同决定[9]。根据Friis方程[10],计算标签在距阅读器r距离处接收到的能量:

其中,R1由唤醒标签芯片的最小阈值功率Pth决定,R2由接收灵敏度Pmin决定,估计最终通信距离取较小值。将选定的设备参数代入公式(4),公式(5),系统理论通信估计通信距离为4.13m。

2.4种防碰撞机制

在RFID系统的工作过程中,当多个标签同时在读写器的范围内时,会发生通信冲突,即碰撞。该在线温度监测系统的碰撞主要有两种:一种是多个标签同时响应读写器引起的碰撞;二是读写器范围内的非温度标签对RFID系统的干扰。对于开关柜温度在线监测系统,温度标签的数量是有限的。本文在阅读器原有动态帧时隙ALOHA算法的基础上,引入包轮询机制,提高识别效率。

首先,阅读器向标签发送查询命令,收到命令的标签获得能量并被激活。标签从帧长1-F中随机选择一个时隙发送标识信息,并将时隙号存储在寄存器SN中。如果数据发送成功,则标签进入休眠状态,在后续的时隙内不再活跃;如果发生冲突,标签进入等待状态,重新选择下一帧发送数据的时隙。阅读器验证标签发送的数据的识别信息,并根据EPC将标签分为温度组和非温度组。上传成功的温度标签进入休眠状态,不再查询此帧;非温度标签加入黑名单,不再查询。读写器不断重复上述过程,直到某一帧没有收到标签信号,则认为所有温度标签都被识别。其算法流程如图3所示。

2.5 设备安装

高压开关柜的温度脆弱点分布在母线连接处、电缆连接处、断路器连接处。系统温度传感器可安装在上述温度关键点,标签安装在母线连接处。读写器天线安装在开关柜各功能室的金属门上,位于开关柜内,门上钻有天线导线,将天线导线引出至读写器。由于天线与标签之间有射频连接,读写器的安装位置对通信距离影响不大,可以通过天馈线将读写器安装在开关柜外。考虑到金属对无源标签的干扰以及不同气室温度节点的分布,采用增加冗余天线的方法扩大通信范围。

2.6 后台软件开发

本文开发的温度在线监测软件基于.NET平台的C#编程语言。系统软件具有连接读卡器、在线实时测温、温度数据存储、实时报警、温度曲线分析等功能。系统实时监控界面如图4所示。

界面上显示的主要内容是读写器的IP地址、天线范围内的标签EPC、标签读取次数、实时温度、根据标签EPC设置的安装地址信息。温度数据绘制成二维曲线,曲线坐标实时变化;如图“机柜1A相”标签温度显示29.26℃(绿色),当温度超过设置的警告阈值(75℃,可设置时),该行变为红色为实现温度报警;温度信息每30s(可设置)保存在.log文本文件中,方便监控人员查询历史温度数据和打印报表。以上功能很好地实现了运行时关键点温度值的在线实时监测,人机交互界面便于统一监测和管理。

3 实验与可行性分析

3.1 传感器标签灵敏度测试

RFID标签芯片的灵敏度是芯片被激活所需的最小能量,灵敏度是标签芯片最重要的性能指标。大小直接影响标签的性能,比如读写距离。在某个频段内,大部分芯片厂商只给出了芯片的灵敏度值,并没有识别出芯片灵敏度随频率的变化。本文的标签敏感度曲线如图5所示。

被测标签的灵敏度在~频率范围内趋于稳定,并保持在-4dBm左右,标签的灵敏度最高。对应我国RFID频段,实测标签灵敏度为-4.1 dBm。

3.2 感应标签读取率测试

考虑开关柜金属对标签通信的影响,在标签标准通信2m范围内,读写器天线放置在距离标签0~2m处,标签贴在 20 cm × 20 cm 的金属板上。金属板的方向与阅读器天线平行,以实现最佳的射频耦合。标签读取率实验与无金属隔板条件对比见表3。

根据实验数据可以看出,金属隔板在1m处会反射和屏蔽阅读器的场,会降低标签的阅读率,但也不是完全不可读。根据2m的实验数据,当有金属隔板时,金属吸收射频能量并转化为电场能量,削弱了原有射频场强的总能量,导致标签不能正常工作。金属板的干扰降低了标签的通信距离,无法满足标签2m的标准,但1.5m的读写距离对于设备安装和温度监测来说已经足够了。

3.3 测温性能实验

为了测试温度标签的测温性能,同时测量不同的环境温度,并与水银温度计进行比较。比较数据见表4。

标签测温性能实验结果表明,温度标签的测温结果一般略高于水银温度计,但非常接近,标签与温度计的差异较小大于0.5℃。根据开关柜日常运维人员的经验,电气接头的正常温度为30℃~60℃,若出现过热,温度可达75℃以上,无线测温为基于0.5℃值的偏差,足以反映开关柜的健康状况。

3.4 开关柜温度测量测试

实验在学校高压实验室的一台10kV高压开关柜中进行。感应标签安装在开关柜断路器 A 相触点的连接处。本文选取24h温度记录数据来反映开关柜全天的温度变化,如图6。通过对24h触点温度的记录和分析,可以看出RFID温度在线监测系统能正常运行,不影响开关柜的运行。记录的数据正确反映了接触温度与环境温度的关系,说明本温度监测系统方案是可行的。

4 结论

配网设备的温度监测对设备的安全稳定运行具有重要意义。 RFID温度在线监测方案采用无源无线传感器标签采集温度,传感器节点无需供电;通过无线数据传输实现多节点温度在线监测。该系统在监控过程中具有以下优点:

(1)设备体积小,安装方便;

(2)成本低,无维护费用;

(3)不影响配网设备运行,不易受环境因素影响;

(4)在线实时监控;

(5)PC提供良好的人机界面,操作方便,具有良好的应用前景。

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