基于超高频RFID技术的电缆接头温度在线监测系统

邓志飞，鲍光海

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350108)

0 引言

据统计，超过90%的电缆故障发生在电缆接头[1]。电缆接头接触电阻大，同时又处于封闭空间，散热条件差，当电缆超载运行，电缆接头温度迅速上升，过高的温度将造成电缆接头的绝缘层迅速老化，接触电阻将增大，温度上升，形成恶性循环，造成严重事故，威胁电网的安全运行。

目前，国内大多数主干电缆的电缆接头管理仍处于计划检修、定期维护的状态。采用人工巡检方式不仅费时费力，而且还不能及时发现安全隐患。针对这种情况，国内一些科研院校、企业对电缆接头温度在线监测展开了研究。目前，对电缆接头温度监测大多先建立电缆接头温度模型[2-5]，利用数字传感器[6-7]、光纤[8-10]或红外设备[11]测量电缆接头绝缘层温度，反推导体温度。采用模型法在一定程度上可以解决问题，但是监测对象分布在全国各地，环境差异大，部分电缆沟在雨季会被雨水淹没，建立模型，测量电缆接头表面温度，再推算出导体温度，不仅需要根据各地环境条件建立不同模型，工作量巨大，而且在雨季采用这样方法误差必然大。

为保证电缆接头设备稳定工作，降低故障率，本文设计了一套基于超高频RFID技术的在线监测系统。该系统集测温、数据记录、超温报警、无线数据传输、CT取源于一体，满足电缆接头温度在线监测要求，解决电缆接头长期通过人工巡检的困境。

1 系统整体介绍

电缆接头结构图如图1所示，电缆接头由设备套管、接头、绝缘塞以及端盖组成，温度传感器安装在接头内部直接测量接头的温度。同时在接头所在电缆上安装了CT为监控主机供电。

图1 电缆接头结构图

电缆接头温度在线监测系统结构如图2所示，每相接头都安装无源无线温度传感器，每个电缆接头具有唯一ID，三相电缆接头温度数据由一个监控主机采集、管理。监控主机通过NB-IoT网络将数据发送到后台服务器。当温度超过阈值时，服务器发出报警短信提醒相关人员。同时开发与系统配套的手机APP，方便巡检人员对设备进行管理，处理各种突发状况，及时对损坏的设备维修、更换。

图2 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 无源无线温度传感器

系统使用的无源无线温度传感器LTU32通过接收840～960 MHz的电磁波获得能量进行温度测量与传输，内置的512 bit可擦写数据储存单元重复擦写次数可达10万次，传感器采集到温度误差仅为±1.5 ℃。LTU32存储器由RES、EPC、TID和User组成，各部分存放的内容如表1所示。LTU32体积小，尺寸仅为2 mm×2 mm×0.15 mm，方便安装。

表1 EPC存储器

2.2 监控主机硬件设计

监控主机硬件由温度采集传输电路和电源电路组成。温度采集传输电路包括单片机PIC16F15344及其最小系统电路、射频通信电路和NB-IoT传输电路。电源电路由电源管理电路和CT组成，系统硬件框图如图3所示。

图3 监控主机硬件框图

2.2.1 NB-IoT传输电路

CT取源功率有限，NB-IoT通信具有低功耗的特点，系统使用ME3616模组将数据传输到后台服务器。该模组采用3.3 V供电，在省电模式下工作电流仅为3.5 μA，正常工作模式下工作电流为100 mA。利用ME3616模组进行二次开发，如图4所示，包括设计电压匹配电路、USIM卡电路、启动/停止电路、唤醒电路等。

图4 NB-IoT传输模块实物图

2.2.2 射频模块

射频模块MK-YH0104是监控主机的核心部分，单片机按照开发协议发送指令给射频模块完成对无源无线温度传感器的读写操作。该模块工作在超高频频段，865～928 MHz，输出功率软件可调，最大通信距离是9 m。该模块带有串行接口，可以直接和单片机进行串口通信，该模块如图5所示。

图5 MK-YH0104实物图

2.2.3 电源管理电路

系统电源电路由CT取源电路、整流电路、过流保护电路、过压保护电路、储能电路、DC-DC电路以及线性稳压电路组成。由于系统电源来自感应电压，CT提供的功率有限，采用两级线性稳压电路会造成电路功耗高，采用DC-DC电路、线性稳压电路可降低电路损耗，提高电路效率。DC-DC电路为系统提供5 V电压，线性稳压电路提供3.3 V电压，如图6所示。

图6 电源管理部分电路 DC-DC、稳压电路

3 系统软件设计

本系统的软件包含3部分：监控主机单片机程序、后台服务器程序和手机APP应用程序。

3.1 下位机软件设计

3.1.1 主程序设计

单片机上电后，首先单片机进行系统设置，包括配置位设置、IO口配置、PPS配置、串口初始化、定时器初始化设置等。紧接着进入主循环，在主循环中首先查询标签的EPC，电缆温度短期内不会发生突变，因此查询成功后每隔30 min向对应的标签发送查询命令，温度数据采集成功后，使用NB-IoT模块将数据发送给后台，主程序框图如图7所示。

图7 系统主程序框图

3.1.2 NB-IoT通信程序设计

单片机发送AT指令给ME3616完成NB-IoT通信，本文所涉及的AT指令如表2所示。

表2 AT指令集

单片机发送的具体AT指令步骤如下：

(1)发送指令AT*MICCID检查是否安装SIM卡;

(2)发送指令AT+GSN=1，查询产品序列号，将产品序列号作为监测主机的ID;

(3)发送指令AT+ ESOC=1,2,1，创建UDP套接字;

(4)发送指令AT+ESOCON=0,7000,“123.56.70.85”，连接远端服务器;

(5)根据实际温度值和检测主机ID设置AT+ESOCSEND=,,，是AT+ESOC返回的值，是数据长度，是十六进制的ASCII码数据;

(6)发送指令AT+ESOCL=0，关闭套接字;

(7)发送指令AT+CPSMS=1，设置ME3616进入省电模式。

NB-IoT模块通信程序流程图如图8所示。

图8 NB-IoT通信程序框图

3.1.3 射频模块通信程序设计

射频通信程序如图9所示，获取温度数据要执行4条指令，分别是盘点指令、读取校验数据、读取温度命令、温度转换。

图9 射频通信程序框图

对温度传感器读温度前，监控主机先通过盘点命令获取监控主机周围温度传感器的EPC。运行盘点指令前，根据需要设置该指令最大运行时间，射频模块在查询时间规定范围内会返回结果给主机。本系统一台监测主机管理的温度传感器数目少，将查询时间设置5 s足够采集所有温度传感器EPC。

温度传感器数据需要通过校准，否则数据无效。校准数据储存在User储存区0x80地址处。传感器的校准数据有正负之分，校准数据为负数时，数据以负数的补码形式表示。

读温指令用于查询指定天线范围内的传感器温度数据。在执行读温指令前，也需要设置该指令的最大查询时间，射频模块会在该时间范围内返回数据给单片机。这里设置最大查询时间为1 s。

读温指令返回的数据格式如表3所示，Header是数据有效位，2个Header都为F时，传感器采集的数据才有效。Data[18∶3]是未经校准前的温度数据。

表3 返回数据格式

实际温度可由式(1)转换得到。

(1)

式中：t为温度，℃；D1为校准数据；D2为Data[18∶3]。

3.2 后台服务器设计

3.2.1 数据库设计

数据库设计直接影响系统运行效率，系统使用MySQL对数据统一管理，根据实际需求，数据库设计如图10所示。

图10 数据库设计

设备产品信息表存放设备的ID、生产信息、安装日期、经纬度信息、设备型号等。

系统后期数据量大，设计设备温度最值表，存放设备温度最值信息，提高系统查询效率。

人员信息表存放人员姓名、性别、公司职位、联系电话、人员管理的设备ID、登录密码等。

设备故障事件表存放设备ID、故障类型、故障日期等。

设备温度信息表存放设备ID、设备温度及时间。

权限信息表存放管理人员个人信息及权限。

3.2.2 servlet程序设计

设计servlet程序之前需要先在Eclipse安装插件Tomcat，Tomcat是一款轻量型WEB应用服务器，安装完Tomcat后，手机APP才可以通过web服务与服务器建立通信。Servlet程序设计包括解析来自APP命令、连接数据库、根据命令编写SQL语句、数据库操作、以及调用类HttpServletResponse的write方法将数据发送给手机APP，如图11所示。

图11 servlet程序框图

3.2.3 UDP通信程序设计

Java为UDP协议提供了2个重要的类，DatagramPacket类和DatagramSocket类，借助这2个类可以轻松实现服务器上UDP通信程序，具体步骤分为创建接收数组、创建DatagramPacket对象、创建DatagramSocket对象，调用receive方法、解析数据包，如图12所示。

图12 服务器UDP接收端流程图

3.3 手机APP设计

为方便相关人员对设备的管理，开发一款配套的手机APP，根据用户需求，APP设计了以下功能：

(1)设备实时温度信息查询；

(2)设备历史温度信息查询；

(3)设备导航定位功能；

(4)设备温度预警值管理；

(5)设备温度报警值管理；

(6)用户管理相关功能。

手机APP共设计了11张界面，实时温度查询功能和设备导航功能是本套APP的重要功能，由于篇幅关系，重点介绍这2种功能的界面设计。

图13是APP的实时温度查询界面，用户在选择设备地址和设备状态之后，点击查询按键，程序会开辟一个线程获取该地设备实时温度数据。红色字体的温度值表示该电缆接头温度超出阈值，黑色字体的温度值表示电缆接头温度在正常区间，“无”表示该电缆接头处于离线状态。

图13 实时温度查询界面

图14是APP的设备导航功能界面，APP设备导航、定位功能使用百度地图SDK进行二次开发，该功能根据用户所处的实时位置以及监测点位置进行路径规划。

图14 设备导航界面

4 系统测试

4.1 通信测试

射频通信情况决定了系统能否有效运行，因此在系统安装之前，有必要做射频通信实验。测试结果如表4所示，根据测试结果，射频通信最大传输距离大约是5 m，实际中电缆沟宽度大约是1 m，因此满足实际要求。

表4 射频通信测试表

4.2 系统现场测试

图15是该系统管理的电缆接头数据，该电缆接头温度基本处于合格区间，说明电缆接头设备状态良好。

图15 电缆接头实测数据

5 结束语

电缆接头故障是造成电缆输电网络故障的主要原因，温度作为反映电缆接头工作状态的重要参数，实现电缆接头温度在线监测具有重要意义。本文提出的电缆接头温度监测系统使用的无源无线温度传感器可以直接安装在电缆接头内部，直接监测电缆接头温度，显著提高测量精度。同时系统采用CT取源，无需外部安装其他电源，解决了现场监测装置供电难题。通过一系列实验证明了该系统在实际应用中的可行性。该系统的出现有效解决了目前电力电缆接头依靠人工巡检的困境，为建设泛在电力物联网提供技术支持。