電力設(shè)備安全可靠性是超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)。由于電網(wǎng)設(shè)備中的觸頭和接頭接觸不良而造成的長期承載大電流、觸頭老化等問題致使其電阻增大，繼而長時間發(fā)熱引起的高壓柜，引發(fā)線纜燒毀等故障，是電網(wǎng)安全中的一個重要隱患。為盡可能地避免此類電力事故的發(fā)生，監(jiān)控電網(wǎng)中的觸頭和接頭的溫度狀態(tài)尤為重要，因此電力測溫是非常必要而且非常有意義的[1]。

    目前電力測溫方式主要有三種：(1)熱敏電阻/點(diǎn)偶方式。其缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)無線無源，在復(fù)雜場合，抗干擾能力弱；(2)光纖方式。其屬于有線方式，會破壞現(xiàn)有電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架；(3)紅外成像方式。其對方向性要求太高，而且由于高壓開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件互相遮擋較多，其準(zhǔn)確性不能滿足要求。這些測溫方式在一定程度上存在無法克服的缺陷，因此需要尋求一種更加可靠方便的電力測溫方式。
    為此，本文介紹了一種基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用聲表面波(SAW)標(biāo)簽測溫技術(shù)的原理和優(yōu)點(diǎn)，以克服以往所有測溫方式的缺陷，而且系統(tǒng)設(shè)計綜合考慮了界面直觀性和數(shù)據(jù)實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)，是一個更加可靠實(shí)用的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)。
1 基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
    本系統(tǒng)主要用于監(jiān)控電力設(shè)備的溫度狀況，設(shè)備可以采用移動手持式也可以采用固定式。要達(dá)到監(jiān)控的目的，大致要求具有如下三個方面的功能：(1)采集各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度信息；(2)顯示各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度狀態(tài)，并根據(jù)需要處理溫度數(shù)據(jù)；(3)分析處理采集到的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)需要發(fā)送報警信號。根據(jù)設(shè)備的應(yīng)用需求，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示[2]。

    一般的RFID系統(tǒng)可以分為三個部分：標(biāo)簽、讀卡器、上位機(jī)。在本監(jiān)控系統(tǒng)中，擔(dān)任RFID系統(tǒng)中的讀卡器主要負(fù)責(zé)采集和處理標(biāo)簽信息，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信及交換數(shù)據(jù)；標(biāo)簽采用的是SAW標(biāo)簽，貼在需要測量溫度的設(shè)備節(jié)點(diǎn)處；讀卡器發(fā)送標(biāo)簽詢問信息，在獲得標(biāo)簽ID值的同時提取反射信號與發(fā)送信號之間的頻率偏移值，通過計算得到對應(yīng)節(jié)點(diǎn)溫度值，并判斷是否超出對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的允許溫度上限值，如超出范圍，則以一種警告信息形式通過GSM模塊發(fā)送到特定的手機(jī)上，等待得到及時處理。讀卡器還需要將采集到的溫度信息通過GPRS或通過有線局域網(wǎng)方式上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器暫存，以備查驗(yàn)。上位機(jī)具有監(jiān)控中心服務(wù)器的功能和數(shù)據(jù)存儲功能。
    SAW標(biāo)簽是一種新型的無源標(biāo)簽[3]，它是一種利用聲表面波傳播原理制成的標(biāo)簽。聲表面波是一種在壓電固體材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深入固體材料的深度增加而迅速減小的彈性波。聲表面波標(biāo)簽由叉指換能器和反射柵組成。叉指換能器將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換成聲表面波，聲表面波信息經(jīng)過按某種特定規(guī)律設(shè)計的反射柵反射后，再次經(jīng)過叉指換能器被轉(zhuǎn)換成帶有標(biāo)簽編碼信息的射頻電信號，然后通過天線被發(fā)射出去。
    同時，由于聲表面波在標(biāo)簽上傳輸時標(biāo)簽的溫度會影響其頻率的變化，因此在接收端提取到接收信號的頻率，可以利用這個頻率值和之前發(fā)射的本振信號頻率進(jìn)行比較得到一個頻率偏移值，通過特定的計算便可以得到所測標(biāo)簽的溫度信息。
    SAW標(biāo)簽傳遞的溫度參數(shù)信息一般由硬件電路對其實(shí)現(xiàn)提取，圖1中的溫度參數(shù)提取模塊即為本設(shè)計的溫度信息的提取電路。在RFID系統(tǒng)中，對于無源標(biāo)簽，讀卡器端首先需要發(fā)送特定的詢問信息，然后等待接收返回的射頻信號；返回的射頻信號經(jīng)過環(huán)形器、濾波器、混頻器、A/D轉(zhuǎn)換器等一系列的處理后，使用FFT算法對數(shù)字基帶信號進(jìn)行計算，得到對應(yīng)標(biāo)簽的溫度信息。
2 系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計
    讀卡器采用ARM11架構(gòu)、功能強(qiáng)大的S3C6410處理器，可以支持多個嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計采用Windows CE操作系統(tǒng)，下面主要介紹使用C/C++開發(fā)Windows CE應(yīng)用程序的過程[4]。系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體流程圖如圖2所示。

    由圖2可知，通過溫度參數(shù)提取電路后的數(shù)據(jù)經(jīng)過兩條不同的路線進(jìn)行處理。其中一條用于在監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行顯示，繪制溫度-時間曲線分析計算特殊值(最大值、最小值、平均值)信息；另外一條是用來分析參數(shù)和對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息，判斷數(shù)值是否超標(biāo)，并根據(jù)這一情況決定是否啟動GSM短信報警模塊，以便在一定的周期上傳數(shù)據(jù)于中心服務(wù)器備份保存。
    本W(wǎng)indow CE應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境為VS2005，Window CE操作系統(tǒng)采用6.0版本。
2.1 溫度參數(shù)提取
    由于數(shù)據(jù)采集部分主要由硬件電路完成，因此軟件設(shè)計主要完成簡單的控制和最后對數(shù)據(jù)的處理。
    首先，程序控制通過CC1101模塊發(fā)送特定的標(biāo)簽詢問碼。這個詢問碼是規(guī)定的一個8 bit的碼序列，只需設(shè)定它發(fā)送的信號頻段保證能被標(biāo)簽正確地接收即可，信號通過標(biāo)簽后自動反射回來。發(fā)送完詢問碼后，程序進(jìn)入等待接收狀態(tài)。
    反射回來的信號通過一系列的硬件電路處理后到達(dá)處理器的是基帶信號，這個信號包含了標(biāo)簽的ID和標(biāo)簽所在物體的溫度信息。通過抽樣判斷從信號幅度中可以得到ID值；數(shù)據(jù)送入到分析器中進(jìn)行FFT計算，便可以得到溫度參數(shù)信息；通過對比頻率偏移與溫度之間的關(guān)系即可以確定物體溫度。
2.2 監(jiān)控狀態(tài)顯示和跟蹤繪制曲線
    本部分主要功能是把從射頻端口采集到的信息按照對應(yīng)的ID信息顯示在相應(yīng)的顯示框中，然后根據(jù)需求對單個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤繪制曲線和計算特殊值的處理。
2.2.1 溫度信息的實(shí)時顯示
    采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)其標(biāo)簽編號分別存放在不同的隊(duì)列中。從隊(duì)列中讀取的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化后分別顯示在相應(yīng)的顯示框中。數(shù)據(jù)顯示始終和數(shù)據(jù)采集保持同步，數(shù)據(jù)采集周期為50 ms，每進(jìn)行一次采集，數(shù)據(jù)立刻進(jìn)行更新顯示。
    本設(shè)計中存放數(shù)據(jù)的隊(duì)列使用的是CList類，這個類可以定義其存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型，并具有豐富的成員函數(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作。
2.2.2 數(shù)據(jù)跟蹤和分析處理
    在數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面，可以選擇需要跟蹤分析的節(jié)點(diǎn)編號和繪制曲線的溫度范圍，根據(jù)選擇調(diào)用對應(yīng)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)來繪制曲線，對單個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤來觀察數(shù)據(jù)的變化情況，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計算某個范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值以及可以對繪制曲線的界面進(jìn)行截圖保存[5]。
    在VS2005開發(fā)環(huán)境中，繪制曲線使用自定義控件來完成。但在使用自定義控件之前必須在對話框?qū)?yīng)類的構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用窗口類的注冊函數(shù)，對窗口類進(jìn)行注冊，這樣在添加自定義控件時，控件的對應(yīng)類名欄填寫的類才可以使用。跟蹤曲線的繪制由MoveTo()和LineTo()完成，只要使其繪制直線的區(qū)間足夠短，由無數(shù)的直線段連接起來的線直觀上便可以表示是連續(xù)變化的曲線。由于繪制曲線首先需要繪制坐標(biāo)系、刻度線、暗格和邊框等，因此，設(shè)計時定義了一個類用來專門完成有關(guān)繪制曲線的操作，只需要調(diào)用對應(yīng)的類成員函數(shù)即可。
2.3 危險信號報警和數(shù)據(jù)上傳
    數(shù)據(jù)的另外一條的處理途徑就是進(jìn)入到GSM和備份上傳處理模塊，主要完成危險信號報警和數(shù)據(jù)上傳功能。
2.3.1 危險信號報警
    這一部分?jǐn)?shù)據(jù)首先用來判斷各個標(biāo)簽對應(yīng)的溫度值是否超出了這個標(biāo)簽溫度的上限值，一旦判斷超出了這個上限值，程序立即啟動GSM模塊將此標(biāo)簽編號及其對應(yīng)的設(shè)備編號和此溫度值一起通過GSM模塊使用AT指令發(fā)送文本形式的SM于特定的手機(jī)號碼中。通常這個號碼屬于負(fù)責(zé)維護(hù)此設(shè)備的維護(hù)人員，這樣就可以使其危險信息在第一時間傳遞到直接負(fù)責(zé)人手中，使出現(xiàn)的問題能得到及時處理。
    這個上限容值的最初值是取于經(jīng)驗(yàn)值，為此本系統(tǒng)還提供了對此經(jīng)驗(yàn)值的校準(zhǔn)。在跟蹤繪制單個節(jié)點(diǎn)的溫度-時間曲線時，通過分析其在通常情況下的曲線變化情況，可以得到數(shù)據(jù)變化的最大值、最小值和平均值，這些值經(jīng)過正常工作情況下的多次統(tǒng)計，就可以用來校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)值，使得對應(yīng)的溫度上限值在特定的情況下能夠更加準(zhǔn)確、可靠。
2.3.2 數(shù)據(jù)上傳備份
    將采集到的數(shù)據(jù)存放在隊(duì)列CList中，但是由于大量的存儲需要占用設(shè)備的存儲資源，而在移動設(shè)備上存儲空間是相當(dāng)寶貴的，而且要承擔(dān)由于系統(tǒng)發(fā)生故障而使數(shù)據(jù)完全丟失的風(fēng)險，因此不可能使數(shù)據(jù)一直存放在本設(shè)備中，需要將數(shù)據(jù)上傳于服務(wù)器暫存?zhèn)浞荨＿@種數(shù)據(jù)傳輸屬于大數(shù)據(jù)量的傳輸，因此本設(shè)計選用網(wǎng)口模塊通過接入局域網(wǎng)或者使用GSM網(wǎng)絡(luò)上的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來完成。這兩種方式可根據(jù)不同情況下網(wǎng)絡(luò)的可用性來選擇，都可以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?br/>     數(shù)據(jù)上傳自動完成需要對上傳周期和上傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，在進(jìn)入監(jiān)控軟件后首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可用性設(shè)置選擇有線還是無線網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的上傳周期。
3 軟件設(shè)計效果
    軟件運(yùn)行后首先進(jìn)入歡迎界面，這里可以選擇“進(jìn)入監(jiān)控界面”，還是“進(jìn)入配置界面”，點(diǎn)擊按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)界面。進(jìn)入監(jiān)控界面后可以觀察目前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)，進(jìn)入配置界面后可以配置數(shù)據(jù)上傳的周期和所使用的網(wǎng)絡(luò)[6]。軟件歡迎界面如圖3所示。

    點(diǎn)擊圖3所示“進(jìn)入監(jiān)控界面”按扭后即進(jìn)入設(shè)備節(jié)點(diǎn)的實(shí)時溫度監(jiān)控界面，這個界面顯示目前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的實(shí)時溫度狀況。在這里可以選擇跟蹤單個節(jié)點(diǎn)分析其數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“繪制曲線”即可進(jìn)入跟蹤繪制曲線界面，可以選擇跟蹤的節(jié)點(diǎn)和繪制曲線溫度的范圍值。設(shè)備節(jié)點(diǎn)監(jiān)控界面如圖4所示。
    點(diǎn)擊圖4中所示的“繪制曲線”按扭即可進(jìn)入跟蹤繪制曲線界面，如圖5所示。在這個界面可以選定曲線的起始和終止位置，分析數(shù)據(jù)的特殊值，可以抓取繪制曲線圖像，也可以選擇圖像暫停繪制和開始從頭繪制圖像。

    若點(diǎn)擊圖3所示界面中“進(jìn)入配置界面”按扭就可以配置備份數(shù)據(jù)上傳的周期和選用的網(wǎng)絡(luò)。其界面設(shè)計如圖6所示。

    本文所述的監(jiān)控設(shè)備采用射頻識別與聲表面波相結(jié)合的技術(shù)測量節(jié)點(diǎn)溫度信息，設(shè)計從實(shí)用性和可靠性方面對已有監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，使得設(shè)備更加實(shí)用可靠，而且界面更加直觀。
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