基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID接地線管理裝置設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司 崔若涵 吳 昊 柴 俊 陸增潔 安 帥 上海久隆電力（集團(tuán)）有限公司 費(fèi)嘉祿

針對(duì)數(shù)量多、使用頻繁的接地線已形成成套的接地線使用管理規(guī)定?，F(xiàn)有的接地線管理措施中，多采用專用記錄本人工記錄接地線的使用。接地線管理需要借具人和出借人履行手續(xù)并進(jìn)行詳細(xì)記錄和登記，手續(xù)較為繁瑣，且平均登記記錄時(shí)間大于15分鐘。接地線出庫(kù)后，只能通過(guò)人為的記錄獲取接地線的信息，信息途徑單一、容錯(cuò)率小，存在因人員疏忽漏登記或忘拆導(dǎo)致帶接地線合閘的可能。尤其是在交接班時(shí)，交接人員也可能因繁忙或疏忽未交待清楚設(shè)備位置狀態(tài)。這些情況一旦發(fā)生都可能引起誤操作事故，后果不堪設(shè)想。若記錄發(fā)生遺漏或錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間未校正，則會(huì)導(dǎo)致接地線當(dāng)前狀態(tài)無(wú)法確證，會(huì)提高電力系統(tǒng)故障發(fā)生率。

接地線在國(guó)外被比喻為生命線，由此可見(jiàn)接地線的重要程度。國(guó)外關(guān)于接地線的使用管理規(guī)范也非常多種多樣化，從接地線顏色、使用流程、記錄方法、施工與監(jiān)督等方面，多角度的對(duì)接地線的使用和管理制定了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但也局限于通過(guò)制度上的調(diào)整和人為的記錄與監(jiān)督來(lái)保障接地線正確的使用和管理。

綜上所述，現(xiàn)有針對(duì)接地線的防務(wù)操作管理系統(tǒng)，主要是通過(guò)制度和人為的方式來(lái)避免誤操作的可能，加上現(xiàn)有設(shè)備自帶的一些五防邏輯判斷、帶電顯示器等輔助五防功能，能有效降低操作失誤率。實(shí)際上，在國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)重大安全事故中，帶電掛接地線或帶地線送電的惡性誤操作事故仍時(shí)有發(fā)生，雖然目前的“五防”裝置通過(guò)對(duì)變電站內(nèi)接地樁的閉鎖強(qiáng)制按程序操作來(lái)避免地線的誤裝、漏拆，但卻不能解決變電站內(nèi)臨時(shí)接地線的安全拆卸問(wèn)題，對(duì)領(lǐng)出的接地線是否已掛接、掛接在什么位置、作業(yè)完成后是否均拆卸等工作環(huán)節(jié)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控確定，使得現(xiàn)有的防誤系統(tǒng)存在安全漏洞[1]，帶地線合閘行為無(wú)法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和制止。

1 總體設(shè)計(jì)方案

從現(xiàn)有的管理制度來(lái)看，在變電站中對(duì)變壓器掛接地線的管理目前無(wú)法做到相對(duì)閉鎖，且反饋時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)該問(wèn)題，本設(shè)計(jì)使用基于物聯(lián)網(wǎng)射頻技術(shù)的RFID接地線管理裝置，可準(zhǔn)實(shí)時(shí)的反應(yīng)各個(gè)接地點(diǎn)和接地線狀態(tài)的反饋。在通訊方面，由于電站內(nèi)電磁干擾較強(qiáng)，在硬件技術(shù)選型上選用了物聯(lián)網(wǎng)射頻技術(shù)--RFID技術(shù)，擬在接地點(diǎn)端增加一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的感應(yīng)通信裝置，它做到遠(yuǎn)程管控，現(xiàn)場(chǎng)模擬圖清晰提醒狀態(tài)，以供施工人員參考。反饋信號(hào)攜帶的信息包括接地線器具編號(hào)、感應(yīng)裝置編號(hào)，以及詳細(xì)的房間信息、位置信息、位置工作狀態(tài)信息，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還有更加安全、可靠，且RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)設(shè)備從其他設(shè)備收集數(shù)據(jù)的方式能夠完美解決。

物聯(lián)網(wǎng)在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，在資源方面可對(duì)現(xiàn)有資源進(jìn)行高效利用，也最大程度減少了人力和時(shí)間成本，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)采集十分效率，在安全性上也更加高效。整個(gè)系統(tǒng)的分層如下：展現(xiàn)層。采用Web網(wǎng)頁(yè)和小程序的方式，為電站內(nèi)工作人員、運(yùn)檢人員提供更加直觀的交互頁(yè)面；業(yè)務(wù)層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、加工、等業(yè)務(wù)層面操作；服務(wù)層。提供接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集到服務(wù)器和其他服務(wù)；數(shù)據(jù)層。使用mysql數(shù)據(jù)庫(kù)作為底層庫(kù)，對(duì)配置文件進(jìn)行配置；信息傳輸層。支撐整個(gè)項(xiàng)目的信息基礎(chǔ)硬件、操作系統(tǒng)等，影響信息傳輸及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2 接地線裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件的選型

根據(jù)實(shí)地勘察，選用了高頻定位讀寫器、RFID讀寫器和高頻抗金屬標(biāo)簽。首先根據(jù)變電站環(huán)境對(duì)傳輸條件進(jìn)行測(cè)試，最終選用了高頻抗金屬標(biāo)簽放在接地線上，接地點(diǎn)旁使用高頻定位讀寫器，檢測(cè)施工過(guò)程中的接地線上的高頻標(biāo)簽，檢測(cè)的狀態(tài)信息通過(guò)遠(yuǎn)距離433MHz無(wú)線上傳給RFID讀寫器。RFID讀寫器起到集中的作用，它匯集各高頻定位讀寫器上傳來(lái)的數(shù)據(jù)，緩存后按照指定格式上傳至服務(wù)器。硬件設(shè)備主要有高頻定位讀寫器、RFID集中器、高頻抗金屬標(biāo)簽。

2.2 RFID集中器功能及流程設(shè)計(jì)

RFID技術(shù)是一種無(wú)線射頻識(shí)別即射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification）[2]，是屬于物聯(lián)網(wǎng)射頻技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻的方式進(jìn)行非接觸式雙向數(shù)據(jù)通信，利用無(wú)線射頻技術(shù)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，來(lái)識(shí)別目標(biāo)和獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)的目的。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)就是利用無(wú)線電波來(lái)進(jìn)行通信的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID主要由電子標(biāo)簽、閱讀器和射頻天線組成。電子標(biāo)簽即射頻卡由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線、用戶標(biāo)簽和射頻天線質(zhì)檢的通信。閱讀器主要用于讀取標(biāo)簽的內(nèi)部信息，天線主要在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。其基本原理是通過(guò)感應(yīng)頭和標(biāo)簽質(zhì)檢的電磁耦合或電感耦合來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到對(duì)標(biāo)簽物品的自動(dòng)識(shí)別[3]。無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)通過(guò)無(wú)線電波零接觸的信息交換技術(shù)和信息存儲(chǔ)技術(shù)，通過(guò)無(wú)線通信結(jié)合數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)技術(shù)然后連接數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)非接觸式的雙向通信來(lái)達(dá)到識(shí)別的目的，用于數(shù)據(jù)交換，組合成一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。在識(shí)別系統(tǒng)中通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的讀寫與通信。此外RFID還是唯一可實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)別的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[4]。

RFID的基本工作原理：當(dāng)標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)入閱讀器后接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，將得到的能量發(fā)送出在芯片中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，或由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)出特定頻率的信號(hào)，閱讀器讀取信息并解碼后再進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)處理。RFID設(shè)備工作原理是閱讀器發(fā)送一組特定頻率的無(wú)線電波能量，再使用內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)推送出去，閱讀器就會(huì)按照推送順序接收到解讀好的數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)器做相應(yīng)處理。

圖1 RFID讀寫器與電子標(biāo)簽的原理圖

RFID高頻定位讀寫器和電子標(biāo)簽質(zhì)檢的信息交互方式及能量感應(yīng)方式可分為感應(yīng)耦合與后向散射耦合兩種，由于電站環(huán)境復(fù)雜、能量干擾相比其他環(huán)境嚴(yán)重，所以選擇后向散射耦合方式來(lái)使用高頻。閱讀器和標(biāo)簽是半雙工通信方式，閱讀器的組成模塊包括耦合模塊、收發(fā)模塊、接口單元和控制模塊[5]。

2.3 特殊環(huán)境下的硬件選型分析

針對(duì)此項(xiàng)目選用RFID是因其具有以下優(yōu)勢(shì)：

電站室內(nèi)易潮濕、電磁干擾較為嚴(yán)重，在這種特殊環(huán)境下選用設(shè)備的特性具有嚴(yán)格要求，一般須有防磁、防水、耐高溫等特點(diǎn)，這樣在電站中才能保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性。射頻技術(shù)的實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)、使用壽命、效率、安全性等優(yōu)點(diǎn)十分符合電站內(nèi)使用環(huán)境。它大大改善了從前對(duì)信息處理的不便捷因素，保證了工作的順利進(jìn)行，而且射頻技術(shù)識(shí)別同樣有密碼保護(hù)，不易被偽造，安全性較高。

圖2 RFID設(shè)備與終端間信號(hào)傳輸

同時(shí)，在信號(hào)傳輸上使用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)卡通過(guò)專用的網(wǎng)元設(shè)備支持基礎(chǔ)通信服務(wù)，并提供通信狀態(tài)管理和通信鑒權(quán)等職能通道服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)通信特點(diǎn)有：通信能力強(qiáng)，不管是使用GPRS通信還是短信通信，根據(jù)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景可切換不同通信方式；可向用戶提供使用終端的位置信息、IP等信息；對(duì)用戶開(kāi)放賬單信息查詢，對(duì)消費(fèi)記錄、流量使用等查詢；對(duì)于用戶的費(fèi)用統(tǒng)計(jì)報(bào)表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；根據(jù)用戶的使用情況來(lái)提供多種費(fèi)用套餐。

2.4 基于物聯(lián)網(wǎng)信息通信設(shè)計(jì)

針對(duì)通信，不但要做到通信順暢，還要保證數(shù)據(jù)的安全傳輸，因此采用了帶物聯(lián)網(wǎng)卡的路由器設(shè)備。近距無(wú)線傳輸技術(shù)包含WIFI、手機(jī)藍(lán)牙、UWB、MTC、ZigBee、NFC，數(shù)據(jù)信號(hào)覆蓋面積則一般在幾十厘米到五百米相互之間。近距無(wú)線傳輸技術(shù)具體運(yùn)用在局域網(wǎng)絡(luò)，例如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、加工廠生產(chǎn)車間連接網(wǎng)絡(luò)、商務(wù)辦公連接網(wǎng)絡(luò)。

Wi-Fi被普遍用于移動(dòng)物聯(lián)卡應(yīng)用實(shí)例，最普遍的是做為從網(wǎng)關(guān)ip到聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線路由器的路由協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)卡硬件和外觀與普通SIM卡相似。加載針對(duì)智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的專業(yè)化功能，采用專用號(hào)段，滿足智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對(duì)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的管理需求。使用物聯(lián)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)RFID集中器向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)具有高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)用戶與普通用戶在網(wǎng)絡(luò)上的分離，提供了可靠性和穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)通信。

3 接地線裝置軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是圍繞展示接地點(diǎn)狀態(tài)和管理接地線為目的而搭建，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，軟件方面通過(guò)接受物聯(lián)網(wǎng)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)接地點(diǎn)狀態(tài)（是否接入接地線）和接地線進(jìn)行管理。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的變電站掛接地線管理裝置的研究?jī)?nèi)容，將研究的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為軟件代碼從而實(shí)現(xiàn)軟件的初步功能。開(kāi)發(fā)軟件使用的是IDEA2019版本，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選用的Java，軟件的環(huán)境配置使用jdk1.8版本、mysql5.6版本。

在軟件研發(fā)階段，使用測(cè)試工具Insomnia或postman進(jìn)行接口測(cè)試，項(xiàng)目中單元測(cè)試使用springboot中的Junit，需要導(dǎo)入依賴springboot-starter-test，主要數(shù)據(jù)流向、常規(guī)報(bào)錯(cuò)處理和邏輯錯(cuò)誤處理進(jìn)行調(diào)試，保證用戶使用的體驗(yàn)感。在與硬件關(guān)聯(lián)時(shí)使用udp來(lái)接收傳輸數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在程序中進(jìn)行處理，得到所需要的信息（接地點(diǎn)id和接地線id），在顯示上為保證實(shí)時(shí)有效的顯示使用了websocket技術(shù)。在項(xiàng)目中先使用分段調(diào)試，再根據(jù)功能調(diào)試，最后模擬真實(shí)應(yīng)用環(huán)境總體調(diào)試，保證了軟件在運(yùn)行過(guò)程中的安全性和效率性。

圖3 程序功能流程圖

3.1 程序流程圖

在小程序中入口處進(jìn)入程序，通過(guò)用戶名密碼方式登錄程序，在程序中可查看接地點(diǎn)上是否接上了接地線，在頁(yè)面上會(huì)有紅色標(biāo)識(shí)提示，接地線快到質(zhì)檢日期或已過(guò)期在小程序中都可直觀看到。該裝置還有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)展示屏幕，該屏幕上標(biāo)識(shí)哪個(gè)接地點(diǎn)掛載上了接地線可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)的顯示。

3.2 數(shù)據(jù)流程及格式設(shè)計(jì)

在服務(wù)器端接收到RFID集中器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求格式：2021-03-24 13:29:01.370 INFO 152207:收到客戶端[ip:192.168.1.200]連接；2021-03-24 13:29:04.992 INFO 152207:服務(wù)端收到客戶端[192.168.1.200]報(bào)文：FEFB00100107000180000 50100010507EC1B95315B6AFEFA；2021-03-24 13:29:04.997 INFO 152207:>>>>>>now time::2021-03-24 13:29:04；2021-03-24 13:29:04.997 INFO 152207:tagIdParam>>>>>>>>>>::TagIdVO(tagIdList=[00010507,EC1B9531],timestamp=1616563744993)；++++00010507；2021-03-24 13:29:05.099 WARN 152207:調(diào)用結(jié)果：true。

服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)為一個(gè)list數(shù)組，里面存放著接地點(diǎn)上高頻定位讀寫器的唯一ID和接地線上標(biāo)簽的唯一ID，拿到了接地點(diǎn)上高頻定位讀寫的ID和接地線上標(biāo)簽ID就可知道哪一條接地線接到了哪一個(gè)接地點(diǎn)上，在經(jīng)過(guò)服務(wù)器內(nèi)部程序處理后就可在顯示終端上看到接地點(diǎn)上是否連接上了接地線。

程序中建立了接地線和接地點(diǎn)關(guān)聯(lián)表，關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)為接地線上標(biāo)簽ID和接地點(diǎn)上高頻定位讀寫器ID，表中兩個(gè)唯一標(biāo)識(shí)關(guān)聯(lián)，并存在一個(gè)狀態(tài)字段type，該字段在同時(shí)接收到接地點(diǎn)上RFID高頻定位讀寫器ID和接地線上標(biāo)簽ID時(shí)改變其值為1，在收到只是接地點(diǎn)上高頻定位讀寫器ID和00000000時(shí)改變其數(shù)值為2，以此在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄其是否接入狀態(tài)。在接地線質(zhì)檢日期判斷上，將日期通過(guò)SimpleDateFormat類對(duì)日期進(jìn)行格式限定和轉(zhuǎn)換，在使用日期算法對(duì)規(guī)定質(zhì)檢期限和質(zhì)檢日期進(jìn)行毫秒計(jì)算，若小于闊值則提示工作人員該接地線需質(zhì)檢。

在辦公室的終端上，使用物聯(lián)網(wǎng)通信向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求來(lái)獲取數(shù)據(jù)，可查看需要質(zhì)檢的接地線、電站內(nèi)是否有正在使用的接地點(diǎn)（已經(jīng)掛上接地線）、新增接地點(diǎn)、更換接地線等一系列功能，項(xiàng)目中使用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)點(diǎn)有RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)卡通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕彩址享?xiàng)目的應(yīng)用需求。

總結(jié)：本項(xiàng)目主要結(jié)合了應(yīng)用程序，綜合了程序的優(yōu)點(diǎn)，提升了便捷性，將受到的信息傳給指定服務(wù)器，在服務(wù)器中完成狀態(tài)的更改和接地線的管理，使接地線的管理更加清楚明確，減輕了相關(guān)人員的工作?？朔穗娬緝?nèi)的環(huán)境干擾問(wèn)題，也使接地線管理更加智能化、便捷化。使用軟件管理最大的優(yōu)勢(shì)就是不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，尤其是接地線管理，安全十分重要，通過(guò)這種科學(xué)有效的措施，不斷的提高電網(wǎng)設(shè)備健康水平，為電網(wǎng)的可靠供電和安全穩(wěn)定運(yùn)行打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

展望：本項(xiàng)目旨在解決目前接地線使用管理主要靠人為記錄接地線的行為信息，以及五防強(qiáng)制閉鎖功能中還不能做到變壓器在掛接地線時(shí)防誤功能的問(wèn)題。通過(guò)一種基于物聯(lián)網(wǎng)通信的裝置和信號(hào)感應(yīng)裝置以供作業(yè)人員了解，防止因施工結(jié)束時(shí)未及時(shí)拆除接地線、遺漏拆除接地線而造成的一系列安全事故的發(fā)生，提高電網(wǎng)的安全性。在通過(guò)小程序進(jìn)行規(guī)范管理，對(duì)接地線的管理和人員的分配都有著重要的效率提升，有著很好的發(fā)展前景。