射频识别技术在电网通信设备中的应用

刘宇明 李 辉 苏 进

(云南电网公司电力调度中心,云南 昆明 650011)

1 前 言

随着电力通信网的不断扩大,通信设备数量不断增加,对通信设备巡视检查,掌握现场通信设备运行状况的信息尤其重要。传统的人工巡检方式存在诸多问题,主要表现为:

1)人工填写方式存在人为因素,导致数据不完整,更新不及时。

2)无法对工作情况进行有效监管。

3)缺乏强大的数据分析与决策支持功能。为解决上述问题,达到变电站通信设备数据远程控制管理的目的,使用射频技术,通过将现场的所有通信设备的生产厂家、生产日期、检修日期、检修记录、巡检记录等关键信息写入安装在设备上的射频标签中,利用无线阅读器将读取的数据通过现有的光纤通讯链路和局域网传输回来,通过接口接入到资源管理系统中进行显示,并且根据不同的权限对站内的信息进行控制,并实现设备的远程写入。

2 射频识别技术

射频识别技术 (RFID),俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,可工作于各种环境。RFID技术的基本工作原理为:标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息,或者主动发送某一频率的信号;解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

相比传统的条形码识别技术,电子标签具有传输距离远、多标签读写、环境适应能力强等诸多优势,因此无线射频技术比条码更加适合于变电站通讯设备的运行管理。电子标签分为有源和无源两种,有源电子标签又称主动标签,标签的工作电源完全由内部电池供给,同时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与阅读器通讯所需的射频能量。读/写距离较远 (约在 100米至1500米),体积较大,与无源标签相比成本高,能量耗尽后需更换电池,增加了维护人员工作量。相比而言,无源的电子标签更适合应用于变电站通信设备维护,无源电子标签 (被动标签)没有内装电池,在阅读器的读出范围之外时,电子标签处于无源状态,在阅读器的读出范围之内时,电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。在接收到阅读器发出的微波信号后,将部分微波能量转化为直流电供自己工作,一般可做到免维护,成本很低并具有很长的使用寿命,比主动标签更小也更轻,相应的射频识别系统阅读距离一般大于1米,典型情况为 4到 6米,最大可达 10米以上。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。

基于上述原因,此次设计选择了无源超高频电子标签读写设备信息,工作频率使用超高频标签设计标准的 920MHz,电子标签与阅读器之间的读取距离为 10米左右,完全能够满足通信机房内机柜间数据读取。并且由于无源标签体积很小,可以内嵌入工业 PDA内部,便于运维人员作为手持式的移动终端使用。

3 模块设计及安装

电子标签读写系统主要包括 4个硬件模块,分别是电子标签、阅读器、天线及手持终端。各模块的作用如下:

1)电子标签:由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,安置在设备上标识目标对象,标签内存储有设备的相关信息,并且可以更新。标签采用 2CM＊3CM抗金属表面滴塑单面背胶封装,每一个设备上粘贴一枚标签。

2)阅读器:阅读器通过无线方式读取各设备电子标签上存储的信息。

3)天线:与阅读器配合使用,增加信号传输的功率。

4)手持终端:运维人员通过手持终端实时查询芯片信息,并将巡检讯息上传至电子标签芯片上。

无源的电子标签由定向天线来进行标签数据读取,读取的范围是以天线为基点的扇形幅面。为保障天线波幅可以覆盖全部电子标签,必须为天线的架设选择合适的位置。

4 应用实例

经过对射频技术的进一步研究,决定用 Zig-Bee技术取代电子标签来进行系统设计。ZigBee技术是 IEEE 802.15.4协议的代名词,相比其他射频通讯技术,ZigBee技术有以下优势:

1)低功耗。

2)工作在 20～250 kbps的较低速率,分别提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,完全满足变电站运维管理应用需求。

3)相邻节点间的传输距离一般介于 10～100 m之间,如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。

4)短时延。ZigBee的响应速度较快。

5)高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65536个节点的大网。

相比无源电子标签,ZigBee节点是有源标签,使用电池供电,由于功耗低,对维护人员增加的工作量很少,成本优势超越无源电子标签。由于变电站中每两个机柜之间的距离不超过 10米,所以系统可以选择任意一个节点与网络连接,通讯转发功能由 ZigBee的自动路由功能解决了,每一个机柜上的终端数据均可实时传送到系统中。

重要的问题是将 ZigBee模块与手持式的 PDA进行整合,形成运维人员现场使用的移动式终端。

标准的 Zigbee网络设备,根据功能的不同可以分为协调器、路由器和终端节点。终端节点申请加入网络,成为协调器或者路由器的子节点后,可以主动向网络中的任何节点发送数据包,也可以询问它的父节点是否有发送给它的数据包并接收。路由器包含终端节点的所有功能,此外还可以作为父节点允许其他节点加入网络,给网络中的其他节点路由转发数据包,对逻辑网络地址进行分配,维护邻居设备表等。协调器除了包含路由器的所有功能外,还包括创建一个新网络的功能。数据采集节点作为终端节点,上电后根据地址范围,加入由数据集中器建立的Zigbee网络,数据集中器作为网络的协调器负责建立网络和接受终端节点加入。

由于在变电站现场并不需要 ZigBee的自动路由功能和自愈功能,手持式终端与各机柜上的ZigBee终端之间是一点对多点的单一传输模式,所以可以对其软件进行简化,将手持机上的 Zig-Bee模块作为单一的协调器来设计,这样就大大降低了手持机内嵌 ZigBee模块的功耗,使其可以直接嵌入在工业 PDA的内部,直接使用 PDA内部直供的 3.7V电源。

此外,由于功耗的下降,MCU及外围电路的尺寸大大降低,可以直接固定在手持机的内部。使用手持机时,现场运维人员与机柜上的 ZigBee终端的距离很近,可以把 ZigBee的 1/4波长天线做成金属丝天线也安装在手持机的内部而无需外引,大大降低了机械设计的难度,整个 ZigBee模块均被嵌入在 PDA中间。

5 结 论

在将射频技术应用于通信设备运维管理系统的设计过程中,先后选取了无源电子标签和 Zig-Bee两种方案,通过现场安装及实际需求,最后通过 ZigBee技术实现了运维管理系统,成本控制在了最低的范围,现场安装极为简单,只需将自备电池的 ZigBee终端采用粘贴的方式固定在机柜上,然后选择一处供电简便、距离网络接口近的位置安放 ZigBee的协调器即可完成系统的构建。通过对方案的进一步优化,可将该系统推广应用于变电站运维中。