基于超高频RFID技术的电缆接头温度在线监测系统

邓俊麒

摘要：随着城市建设的快速发展，高压电力电缆比例逐渐增大，已成为城市电网重要组成部分。高压电缆的运行状态监测是城市电网安全运行的重要保障。由于电缆制造工艺、施工质量、老化等原因，加之长时间大电流运行，高压电缆接头处发热严重，导致故障频发。因此，及时准确了解电缆接头处的温度参数有利于合理评估电缆运行状况。基于此，本文章对基于超高频RFID技术的电缆接头温度在线监测系统进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：超高频RFID技术；电缆接头温度；在线监测系统

引言

无线射频识别即射频识别技术（RadioFrequencyIdentification,RFID），是自动识别技术的一种，可通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。

1RFID系统的工作原理

一套完整的RFID系统由读写器(Reader)、电子标签(Tag)和数据管理系统三部分组成。其工作原理是RFID系统中的Reader向Tag发送无线射频电波；Tag接收Reader发射的电波并将其转化为工作电能，启动Tag内芯片的电路工作，并将Tag内存储的信息数据发射出去；Reader接收Tag发射的数据电波进行解码、转换并导入计算机软件系统，从而完成整个RFID的数据识别过程。如果按照能源供给方式划分，RFID还可以分为无源RFID（被动式）、有源RFID（主动式）以及半有源RFID。其特点是：无源RFID读写距离较近，造价低，除非损坏，不然几乎没有使用寿命限制，但是因为能量全部来自读写器，所以需要大功率的读写装置支持；而有源RFID由于自身带有能量供给，所以可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本自然也会高一些，较适用于远距离读写的应用场合，使用寿命也有限制，但是优势是对于读写装置的依赖性较小；半有源RFID顾名思义是前两者的结合，简单地说，就是近距离激活定位，远距离识别及上传。

2RFID技术的优势

1）扫描识别方面：RFID标签识别更加准确，识别距离可控，机动性较强，可以做到穿透性和无屏障阅读。2）抗污染能力及耐用性：RFID标签可以制作成防水、防尘、防油污等形式，数据保存在RFID标签中，安全可靠。3）可重复使用：RFID标签可以重复的更新、修改、删除其中的数据，可以实现周转使用，也可以作为更新数据使用。4）价格低：市场上RFID标签的价格从几角钱到十元钱不等，根据实际使用环境进行定做，成本价格低，使用方便。

3电缆接头传热特征分析

由于电缆接头与本体沿半径方向均可认为是各向同性，取接头最厚的径向截面进行分析，用径向热阻描述电缆接头及本体径向导热的差异，用轴向热阻描述电缆接头轴向传热的差异，建立描述电缆接头及本体散热过程的二维轴向热路模型。θ_ｊ、θ′_ｊ分别为电缆接头的导体温度与表面温度，θ_ｃ、θ′_ｃ分别为本体的导体温度与表面温度，Ｑ_ｃ为导体损耗，Ｑ_１为电缆主绝缘的介质损耗，Ｑ_２为电缆本体的护套损耗，Ｒｘ为电缆接头与本体之间铜芯的轴向热阻，Ｒ_ｃｉ为电缆本体各层的径向热阻，Ｒ_ci为电缆接头各层的径向热阻。

4系统软件设计

4.1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30min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。

4.2读取器硬件设计

读取器是在线监测系统的核心，主要完成与传感器、测试后台之间的交互。由于传感器响应信号衰减时间一般只有几十微秒，故读取器的射频收发电路采用分立器件实现。本系统读取器的硬件框架主要由读取天线、射频收发开关、频率合成单元、发射机单元、接收机单元、数字信号处理器（ＤＳＰ）主控单元等组成。其中，频率合成单元产生两路中频信号源，作为激励信号和响应信号的本振。

4.3基于属性的访问控制

在RFID系统中，设备通常扮演多个角色。例如，当检测到层的访问控制标签时，读取器是对象。对象然后从传输层的后端服务器接收命令，成为对象。如果网络规模较大，则需要多个不同设备（用户）频繁交互。因此，接入控制机构应具有足够的灵活性和可扩展性。在属性访问控制中，通过识别对象属性和对象特征来解决在复杂情况下大规模用户的属性控制和动态扩展的问题。因此，基于接入的接入控制是RFID接入控制的理想选择。

4.4基于RFID技术的无线电台站监管系统

系统实现监管一个地区所有的台站设备的资料数字化，给每个合法台站粘贴可读写的RFID电子标签，建立完善的设备数据字典，数据实行集中化管理，建设以地区资料库为核心的台站数据中心，从而实现对台站的监督和管理的追踪和对各相关单位在台站的使用等各环节中操作的监管。工作流程可分为三部分：预发卡、数据同步和检查验证。在进行无线电设备登记时，使用预发卡功能模块，通过扫描枪扫描设备的出厂号码或型号等参数（没有条码可手工输入），通过超高频读卡器给设备发卡，将RFID标签粘贴到设备上，用高拍仪抓拍设备图片录入系统，将以上数据通过内网或电信公司的VPN上传到后台服务器，使设备出厂号、卡号和图片成为关联数据。

4.5入侵容忍技术

抗入侵技术是使系统能够继续执行该服务的方法，向系统赋予特定的生存性，实现在RFID系统入侵、发生故障时系统的自我恢复。当系统的一些节点或设备受到损伤或攻击或控制时，为了避免整个系统的完全故障那个中心的想法是引起某种侵入耐性机制。

4.6ervlet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。

5RFID技术发展所面临的机遇及挑战

已经到来的物联网时代在带给大家方便的同时，也在信息安全等方面给我们带来了巨大挑战。RFID技术在我国起步比较晚，应用时间相对较短，技术上还不是非常成熟，但目前已逐渐广泛应用到了相关领域。RFID技术在医疗数字化管理、档案管理、贵重物品物流、检验检疫、酒店管理、海关监管、车辆自动识别、智能化包装以及特定人员的追踪管理和监控、门禁安保、电子票证、防伪等方面也有所应用，其他领域一些新的应用也在不断拓展。随着我国社会关键服务领域和重点基础行业（如涉及银行、证券、电力、民航、电信网等）都依赖于工业互联网及物联网感知业务，国家基础领域和关键基础设施的动态信息安全性还远远不够。尽管物联网存在信息安全等诸多问题，但国内已经着手针对物联网进行物联网信息安全等标准的研究与制定工作。

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。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。

参考文献

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