面向電力線纜的無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

馬玉松 姜帆 李建強(qiáng) 皮健

摘要：我國(guó)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)在物流管理、食品溯源、商品防偽等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，大大推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。但在電力行業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域，仍缺少一種多維度、高性能的RFID芯片及相關(guān)配置來(lái)滿足特殊環(huán)境下的應(yīng)用需求。文章設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)耐候性、無(wú)源、超高頻、具有多維互動(dòng)和可擴(kuò)展功能的電力資產(chǎn)管理芯片，配套讀取移動(dòng)端并對(duì)接相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)，適用于電力資產(chǎn)巡檢運(yùn)維及精確查找定位，滿足人、機(jī)、物之間的多維互動(dòng)，可有效提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的信息化、規(guī)范化和智能化水平。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；多維；電力資產(chǎn)；巡檢運(yùn)維

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.043

中圖分類號(hào)：TM 73，TP 391.44? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

Application and Development of Wireless Radio Frequency Identification Technology for Power Cables

MA Yusong， JIANG Fan， LI Jianqiang， PI Jian

（Beijing Zhixin Microelectronics Technology Co.， Ltd.， Beijing 102299， China）

Abstract： Wireless radio frequency identification technology is widely used in logistics management， food traceability， product anti-counterfeiting and other industries in China， greatly promoting the healthy development of the Internet of Things industry. However， in industrial fields such as the power industry， there is still a lack of multi-dimensional and high-performance RFID chips and related configurations to meet the application needs in special environments. This article designs a power asset management chip with strong weather resistance， passive， ultra-high frequency， multi-dimensional interaction and scalability functions. It is matched with mobile devices and connected to relevant business platforms. It is suitable for power asset inspection， operation and precise positioning， meeting the multi-dimensional interaction between people， machines， and objects， and can effectively improve the informatization， standardization， and intelligence level of on-site operations.

Keywords： RFID technology; multidimensional; electricity assets; inspection and operation maintenance

隨著電力線纜日常維護(hù)工作量大幅增長(zhǎng)[1-2]，目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的主流技術(shù)是采用RFID（Radio Frequency Identification）進(jìn)行定位標(biāo)識(shí)[3-5]，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備信息的規(guī)范化和模型化[6]。所以設(shè)計(jì)一種適用于電力行業(yè)且互動(dòng)性較好的多維電力資產(chǎn)管理芯片，用于開展電力線纜信息化管理、強(qiáng)化電力線纜信息的整合、細(xì)化線纜數(shù)據(jù)的歸檔工作、完善配電線纜集中監(jiān)控管理，提升電力設(shè)備線纜信息化、智能化水平勢(shì)在必行。

1? ?整體框架設(shè)計(jì)

筆者根據(jù)電力線纜資產(chǎn)管理現(xiàn)狀，在電力電纜管理工作中以RFID電子標(biāo)簽無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)為主要手段，結(jié)合PDA標(biāo)簽掃描技術(shù)和可視化訪問平臺(tái)，構(gòu)建電纜業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)施線纜的身份識(shí)別和精細(xì)管理。

電纜業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要包含計(jì)劃管理、數(shù)據(jù)交叉互換、可視化管理等功能，附屬設(shè)備包括RFID電子標(biāo)簽、移動(dòng)終端等；移動(dòng)終端的主要功能是工作計(jì)劃管控和現(xiàn)場(chǎng)定位相關(guān)信息記錄，其主要由計(jì)劃導(dǎo)入模塊、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊等組成，電纜業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

2? ?技術(shù)原理與方案

2.1 主要性能要求

電纜業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集和處理需要具備較強(qiáng)的適用性、寬泛的實(shí)用性和容易推廣等要求，相關(guān)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求。①電力線纜排障便捷。在工作中電力線纜排布錯(cuò)綜復(fù)雜，需盡可能縮短排查電力線纜故障時(shí)間。②適應(yīng)性強(qiáng)。主要表現(xiàn)為經(jīng)久耐用，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各類復(fù)雜環(huán)境。③識(shí)別率高。具備讀寫功能，能與后臺(tái)軟件進(jìn)行信息交互和移植。④具備后臺(tái)軟件更新及維護(hù)功能。能夠滿足軟件有效維護(hù)要求，提升電力線纜信息維護(hù)可操作性?；谝陨弦螅O(shè)計(jì)思路如圖2所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)手段

2.2.1 一種適用于線纜的超高頻發(fā)光電子標(biāo)簽

本文介紹一款基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的RFID標(biāo)簽，在設(shè)計(jì)中綜合考慮邏輯電路設(shè)計(jì)、優(yōu)化策略、系統(tǒng)集成等理論基礎(chǔ)，進(jìn)而建立多維RFID標(biāo)簽理論模型。在此基礎(chǔ)上，通過傳感模塊替換和電路修正等研究，使標(biāo)簽在傳統(tǒng)的功能基礎(chǔ)上，擴(kuò)展溫濕度、亮光顯示等其他特征功能，可實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別、集成管理優(yōu)化等目的。

標(biāo)簽主要包括外殼、天線、導(dǎo)光柱三部分。其中，外殼達(dá)到防水防塵IP67的防護(hù)等級(jí)，提高了電子標(biāo)簽的工作壽命；天線采用可靠性高的柔性覆銅板作為基礎(chǔ)材料，并配置阻抗匹配環(huán)、UHF射頻芯片和貼片LED燈等附件，通過調(diào)節(jié)阻抗匹配環(huán)的大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻抗的功能，達(dá)到電子標(biāo)簽的最優(yōu)讀取距離的目的；UHF射頻芯片具有整流功能，在設(shè)備讀取標(biāo)簽的過程中，由阻抗匹配環(huán)接收能量，將其快速傳遞至UHF射頻芯片，從而點(diǎn)亮貼片LED燈；導(dǎo)光柱安裝在貼片LED燈的開窗位置，加強(qiáng)貼片LED燈光指向性，提高電子標(biāo)簽的可視距離。

2.2.2 配套超高頻RFID手持式識(shí)讀設(shè)備

PDA（Personal Digital Assistant）被稱作掌上電腦，工業(yè)領(lǐng)域使用的PDA主要由條形碼掃描儀、RFID讀寫器、POS機(jī)等組成，其內(nèi)置開放的操作系統(tǒng)，支持軟、硬件升級(jí)。本電纜業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中配套的手持式移動(dòng)終端RFID讀寫器，其技術(shù)特點(diǎn)是將讀、寫功能集成在手掌握持的機(jī)器上，實(shí)現(xiàn)快速、精確地識(shí)別電子標(biāo)簽，使用極為方便。

在軟件設(shè)計(jì)方面確保各項(xiàng)功能模塊化、清晰化，軟件功能模塊主要包括PDA應(yīng)用軟件模塊、協(xié)議處理模塊、串口通信及協(xié)議分析模塊、標(biāo)簽操作處理模塊和標(biāo)簽協(xié)議控制模塊，如圖3所示。

PDA應(yīng)用軟件模塊主要功能是提供現(xiàn)場(chǎng)操作界面和標(biāo)簽管理界面；協(xié)議處理模塊功能是應(yīng)用軟件和底層系統(tǒng)的連接橋梁；串口通信及協(xié)議分析模塊功能是接收協(xié)議處理模塊發(fā)送的各項(xiàng)指令；標(biāo)簽操作處理模塊功能是匯總和處理相關(guān)標(biāo)簽操作；系統(tǒng)控制及狀態(tài)模塊功能是針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部工作的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制并對(duì)系統(tǒng)的多種狀態(tài)進(jìn)行查詢；標(biāo)簽協(xié)議控制模塊功能是發(fā)出電子標(biāo)簽的命令波形[6]。

2.2.3 軟件系統(tǒng)

電力線纜的身份信息、位置信息、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)計(jì)劃管理等數(shù)據(jù)可以用后臺(tái)服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)，并具有處理、篩選、管理相關(guān)信息的功能。其次，在數(shù)據(jù)管理應(yīng)用方面應(yīng)具備模型搭建容易、數(shù)據(jù)共享性強(qiáng)、訪問可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此利用軟件工程中的瀑布模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理采用PHP+Java結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)前端人機(jī)交互界面和后端數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理，并以Json數(shù)據(jù)格式作為數(shù)據(jù)接口的交互標(biāo)準(zhǔn)，可同時(shí)滿足PC平臺(tái)和手持移動(dòng)平臺(tái)雙標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)交互數(shù)據(jù)接入，從而在模塊實(shí)用性和數(shù)據(jù)重用性方面做到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

軟件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)一步擴(kuò)展電力電纜管理相關(guān)的其他功能需求，例如，電力電纜現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、故障搶修、設(shè)備全壽命周期管理等相關(guān)應(yīng)用功能，功能擴(kuò)充只需要滿足數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)接口協(xié)議互通，便可對(duì)模塊進(jìn)行擴(kuò)展和界面更新。

3? ?電纜智能化巡檢現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 智能定位與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)簽安裝

因電網(wǎng)特殊的使用環(huán)境，戶外使用要滿足防水等級(jí)達(dá)到IP67以上、抗金屬疲勞等要求。另外芯片還具有抗電磁干擾、耐高溫、耐低溫、耐候、阻燃、防塵等特性。圖4為電子標(biāo)簽現(xiàn)場(chǎng)安裝場(chǎng)景實(shí)例。

3.2 手持終端測(cè)試

工作人員在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中，通過配套的手持PDA讀取設(shè)備掃描芯片，讀取到芯片號(hào)段之后，選擇相應(yīng)的號(hào)段，進(jìn)行點(diǎn)亮操作，對(duì)應(yīng)電力線纜超高頻發(fā)光LED電子標(biāo)簽被點(diǎn)亮，便于工作人員快速檢索定位資產(chǎn)，上傳巡視檢修作業(yè)記錄，提高資產(chǎn)管理運(yùn)行維護(hù)精益化水平。

手持PDA可以做到電力線纜和光纜各類信息自動(dòng)更新，在設(shè)備數(shù)據(jù)采集有效距離內(nèi)，終端能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)更新、智慧識(shí)別和讀寫等功能，作業(yè)人員能夠便捷、快速地對(duì)班組和工區(qū)管理人員制定的工作計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)管理、更新和提醒。在發(fā)生電力線纜故障時(shí)，能及時(shí)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行任務(wù)關(guān)聯(lián)、添加和顯示，進(jìn)而按照電纜和光纜發(fā)生故障的定位點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航，并及時(shí)連接到平臺(tái)，對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行報(bào)備處理。系統(tǒng)具備區(qū)域內(nèi)海量電力線纜數(shù)據(jù)庫(kù)，為作業(yè)人員及時(shí)提供電力線纜信息比對(duì)查閱功能。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PDA與業(yè)務(wù)系統(tǒng)也可以進(jìn)行消息交互與反饋，進(jìn)一步增強(qiáng)了電力線纜和光纜的智能化管理水平。

3.3 實(shí)用化展示

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員將手持PDA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至電纜業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)后，各類電力電纜、光纜的運(yùn)維記錄、故障記錄等數(shù)據(jù)自動(dòng)更新至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。在系統(tǒng)生成包含人員作業(yè)時(shí)間、巡檢線路的表單，并關(guān)聯(lián)電力電纜標(biāo)簽、維修記錄等關(guān)鍵信息。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)開發(fā)了一種新型RFID標(biāo)簽和超高頻RFID手持式識(shí)讀設(shè)備，研制了一套面向電力線纜業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其具備現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃管理、電力線纜故障查找、電力電纜資產(chǎn)管理等功能，在電力資產(chǎn)全壽命周期管理上達(dá)到了信息化、智能化的各項(xiàng)要求。在此基礎(chǔ)上預(yù)留了系統(tǒng)功能拓展空間，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用和數(shù)據(jù)采集范圍，對(duì)于傳統(tǒng)的配網(wǎng)和信通運(yùn)維工作有一定的參考和借鑒價(jià)值。

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