抗电磁干扰的电力工器具RFID电力标签的设计

邓祖强,刘 超,周 静,张金娈,董国超

(1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏 南京 210061;2.国电南瑞科技股份有限公司北京能源科技分公司,北京 100085;3.中国科学院信息工程研究所,北京 100093; 4.中国科学院大学网络空间安全学院,北京 100049)

0 引 言

随着科学技术的日益发展，各种系统的复杂性也越来越高，准确、有效的数据传输是保证系统各项任务正常完成的基本保障。

射频识别RFID(Radio Frequency Identification)[1]，作为一种物联网中常用的非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程不需要手动干预。

如图1所示，RFID系统主要由RFID读写器、RFID标签和射频天线[2]组成。在工作时，RFID读写器发送数据通过天线送到RFID标签中，RFID标签[3-4]通过天线将自身数据返回到RFID读写器中。它的通信流程如下：首先，RFID阅读器通过射频天线发送包含数据信息的射频信号，当RFID标签接收到固定频率的射频信号时，标签内部便会产生感应电流，启动RFID标签电路工作;RFID标签将内部存储信息调制后通过内置射频天线以相同频率发送出去;RFID阅读器的接收天线接收来自RFID标签的射频信号，经解调解码后，将有效信息发送到后台系统进行相关处理。

图1 RFID工作原理

因为RFID具有成本低、易于使用的优点，所以在泛在物联网[5-6]的电力系统中通常用于电力工器具的身份识别，即将RFID标签与电力工器具软件绑定，然后使用物理方法固定在一起，这样在工业生产活动中无需手动对电力工器具编号，有效地提高了对电力工器具的管理效率。

RFID电力标签应用于电力系统所面临的问题主要有2个：信息损坏和信息泄露。

信息损坏产生的原因：在电力系统中，细小的压差变化将在电力输送管道上产生巨大的电磁效应。当在RFID标签接近强电磁场时，它会对RFID标签产生寄生电容，使得标签呈现容性或感性匹配失调，偏离标签原始的电路匹配，造成偏频或是电流过大而损毁芯片。在强电磁干扰的情况下，由于芯片与天线直接接触，极有可能会吸收巨大能量而产生瞬间电荷过大、瞬间发热、爆裂等现象，当高频卡片或标签在微波炉当中，10 s即可呈现爆炸式损坏。爆裂现象并不是产生爆炸，而是对芯片内部的元器件产生损毁。另外，在电子标签的天线没有达到很好的共轭匹配的情况下，通常会造成读写距离不定，也会造成读取率低下，返回数据不完整。

信息泄露产生的原因：RFID系统之前的数据传输承载于射频信号之上，如果不采取相关措施，极易被监听和篡改消息内容。攻击者可以利用自制的射频天线截取RFID标签和RFID读写器之前的数据流，通过分析数据流可以获得其中承载的数据信息，如果数据本身没有进行加密，攻击者甚至可以利用拿到的数据重写RFID标签内容。

针对上述RFID标签在电力系统应用中出现的问题，本文提出一种适用于复杂电力环境的RFID电力标签设计，在芯片封装工艺、标签材质、RFID标签抗干扰电路[7]和算法设计、RFID信息加密算法等方面进行改进，使得RFID标签在强电磁干扰环境中依然能够保护数据不受到损坏或泄露。

1 方案设计

1.1 RFID标签材质及封装设计

电力系统RFID标签针对不同的使用场景，通常使用粘贴式、挂签式、柔性式和抗金属式4类，以下针对4类不同的RFID标签设计适用于复杂电磁环境的标签材质。

1)粘贴式RFID电力标签。

粘贴式RFID电力标签样品可粘贴在柔软的衣服或随用品上面，常会被碰到或跟随被贴物一起扭曲，需具备柔软性较好、耐温、抗强电压冲击的特性。工艺设计如下：①天线覆盖耐温绝缘PI膜，并覆盖铜薄(称为FPC)，可达到耐温效果；②通过SMT工艺[8]将芯片贴至FPC软板时，需在芯片位置采用环氧树脂对芯片进行保护；③底部覆3M VHB胶，0.8 mm厚度，有助于贴合在不平整的表面；④表面覆PET膜，可印刷不同的颜色及Logo。该工艺的优点包括标签薄、粘贴牢固、外观美、读写距离远。

2)挂签式RFID电力标签。

在电力行业应用环境，有些工器具和设施不适合粘贴，也不是完全在金属表面，则需挂签式RFID电力标签安装固定。工艺设计如下：①内部采用PCB材质，满足天线在多种悬挂环境下应用；②采用2次模注，第一模注塑底壳，底壳厚度约2 mm，可有效地隔绝强电压的影响；将RFID电力标签放到底壳中，注第二模形成一个整体的无缝标签，具有耐候性好；③标签表面进行丝印或激光打印二维码，颜色多选白色或灰色。该工艺的优点包括悬挂方便、拆装简便、天线对环境的适用性强。

3)柔性式RFID电力标签

柔性式RFID电力标签多被应用于带有纤维、金属细丝等或圆柱形非金属的材质。工艺设计如下：①天线覆盖耐温绝缘PI膜，并覆盖铜薄(称为FPC)，达到耐温效果；②通过SMT工艺将芯片贴至FPC软板时，在芯片位置需经过一层环氧树脂对芯片进行保护；③采用开硅胶模具，根据形状做出腔体，对腔体上下2片放硅胶，芯片夹在中间，通过热压和硫化一次成型；④热压时间约3 min后进行冷却成型。该工艺的优点包括具有高耐温、防腐、耐老化、读取稳定等优点。

4)抗金属式RFID电力标签。

抗金属式RFID电力标签需考虑外壳材质对标签天线的影响，并要有一定的厚度，使标签达到一定的增益，让读写器能够有效接收到标签信号，可正常读取并使读的距离更远。工艺设计如下：①PCB板厂对天线进行蚀刻，通过SMT进行芯片装；②打第一模做一个底壳，将标签固定在第一模的底壳；③将组装好的半成品，做2次注射，使其形成一个无缝整体；④表面激光打码或UV个性化处理。该工艺的优点包括具有高绝缘、耐压、耐冲击、读取距离好、耐候性强等。

1.2 RFID标签抗干扰电路和算法设计

本文提出的RFID标签遵循EPC全球标准，与RFID阅读器的通信频率为UHF ISM频段911.5 MHz，超高频的使用可以使得RFID标签和读写器之间有着更快的读写速度，更长的通信距离。在电力系统RFID应用过程中，标签和读写器的通信无法避免地会受电磁噪声干扰，但是因为超高频无源RFID系统工作机理的原因，很难抑制同频信号对反向信号的干扰,所以本文设计的RFID标签首先对超高频信号使用降频电路(如图2所示)进行降频，使超高频变为中频(70 MHz),然后通过STM32L4微控制器[9-10]中的双阶段滤波算法去除噪声。

图2 降频电路

STM32L4微控制器是意法半导体公司生产的超低功耗MCU，虽然是超低功耗，但是拥有Cortex-M4[11]高性能内核，运行频率最高为120 MHz,在只有5.2 mm×5.2 mm封装内集成2 MB闪存、640 kB SRAM和安全保护功能，以及丰富的智能外设[12](UART、ADC、DAC等)。

一般来说，RFID系统的动态范围有限，所以对降频电路的设计采用PLL锁相环一次混频结构，直接将超高频输入信号转化成中频信号，增益固定，输入频率为911.5 MHz。在使用降频电路模拟滤波完成后，得到的中频信号输入数字滤波电路中，如图3所示。数字滤波电路主要由STM32L4微控制器及其外围电路组成，首先中频信号经A/D转换器由模拟信号转为数字信号，因为原始信号中不只包含频率为70 MHz的中频信号，还包括高、低频噪声和同频噪声，为了滤除它们，本文设计了双阶段滤波算法：

图3 滤波流程

1)对采样后的数字信号进行带通滤波过滤掉高频和低频噪声；

2)对仅剩的中频信号进行卡尔曼滤波，滤除同频噪声。

STM32L4微控制器[13]中的带通[14]滤波器是一种仅允许特定频率通过，同时对其余频率的信号进行有效抑制的算法，滤波器的通带如图4所示，在原始信号频率高于fH或低于fL的时候提供高阻抗阻止信号通过，当频率位于fH和fL之间时提供极低的阻抗保证信号通过。

图4 带通滤波器通带

卡尔曼滤波[15-16]算法是一种经典的数字信号处理算法，主要用于对噪声的过滤，因为它的计算量相对较小，所以极为适合STM32L4微控制器，对采用的经典卡尔曼滤波算法进行Matlab仿真后，结果如图5所示。从仿真结果可以看出，算法对信号的滤波效果极为优秀，可以滤除大部分的噪声，能最大程度还原原始信号。

图5 卡尔曼滤波算法仿真效果

1.3 RFID信息加密算法设计

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function，PUF)[17-19]是一种新型的加密方式，主要利用半导体元件的物理特性，每个元件在生产时因为随机缺陷而生成特别的“数字指纹”，当对其输入一个激励(Challenge)[20]信号时，元件就会返回一个响应(Response),成为CRP[21]响应对，类似于散列Hash函数，且具有唯一性。

张国栋等[22]首次提出了将PUF用于低功耗设备的身份认证并对其进行了验证，本文基于此将PUF应用于RFID标签的身份认证[23]中，如图6所示，这种方式分为注册和验证2个阶段。在注册阶段，RFID读写器对已嵌入PUF的RFID标签发送激励信号并获取响应，然后将CRP和RFID标签的ID存储在RFID读写器的后端数据库中;在验证阶段，RFID读写器同样会对RFID标签发送激励信号，然后将返回的响应信号与RFID标签ID和后端数据库中已存的数据进行对比，如果RFID标签返回的响应与数据库中的响应差异限制在可允许的阈值内，那么RFID电力标签的身份就验证成功。

图6 PUF应用于RFID身份认证

2 仿真测试与结果

2.1 测试环境

为了测试本文提出的RFID标签的抗噪性能，将设置2组试验，A组使用本文设计的RFID电力标签，B组使用普通的RFID标签，试验环境设置成380 V 50 Hz工业电磁干扰源，由RFID读写器对标签连续进行1000次写读操作，最后比对写入与读取数据的正确性。图7和图8显示了初始状态电磁干扰源的电场和磁场分布情况。

如图7和图8所示，将实验环境的磁场和电场强度设置为典型电力工业环境的数值，可以较为真实地模拟RFID标签在实际电力工器具识别应用的工作环境。

图7 电磁干扰源的辐射电场强度分布图

图8 电磁干扰源的辐射磁场强度分布图

2.2 测试结果

如图9和图10所示，标签表面材料对电磁场的影响是非常大的，仅使用优化设计的材质的RFID标签就能够大幅度增强标签反射电磁波的效果，这有利于抵抗噪声。

图9 抗电磁干扰RFID电力标签3D辐射增益图

图10 普通RFID电力标签3D辐射增益图

在对2组标签进行1000次读写测试(在读取操作时关闭强电磁干扰源)后，实验结果如图11和图12所示，可以发现，普通RFID标签因为基本不能够抵抗强电磁干扰，读写正确率仅为51%，而使用本文设计的抗电磁干扰的RFID标签在测试环境中能够达到94%的正确率，这说明本文提出的抗电磁干扰的电力工器具RFID标签极大地改善了RFID技术在电力系统应用的抗噪能力。

图11 抗电磁干扰RFID标签收发正确率

3 结束语

本文首先对典型的RFID系统工作流程进行了简单介绍，在分析了工业环境应用RFID系统所遇到的困难后，提出了一种抗电磁干扰的电力工器具RFID标签的结构和算法设计，主要的设计包括：设计了4类适用于抗电磁干扰RFID标签，包含外壳材料选择和封装设计；使用了STM32L4作为标签的微控制器，通过PLL降频电路将超高频降为中频，然后使用带通和卡尔曼结合的双阶段滤波算法去除噪声；使用PUF加密标签数据内容，防止信息泄露。最后进行实验仿真，验证了本文设计的RFID标签相比于传统标签，不仅具有强抗干扰能力，降低读写错误率，而且能够保护用户隐私，防止信息泄露。