基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分析與設計

北極星電力安防網(wǎng)訊:電力設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。

目前電力測溫方式主要有三種：(1)熱敏電阻/點偶方式。其缺點是無法實現(xiàn)無線無源，在復雜場合，抗干擾能力弱;(2)光纖方式。其屬于有線方式，會破壞現(xiàn)有電力設備網(wǎng)絡構架;(3)紅外成像方式。其對方向性要求太高，而且由于高壓開關柜內(nèi)部結構復雜，元件互相遮擋較多，其準確性不能滿足要求。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)標簽測溫技術的原理和優(yōu)點，以克服以往所有測溫方式的缺陷，而且系統(tǒng)設計綜合考慮了界面直觀性和數(shù)據(jù)實時性等優(yōu)點，是一個更加可靠實用的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

1基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要用于監(jiān)控電力設備的溫度狀況，設備可以采用移動手持式也可以采用固定式。要達到監(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)點的溫度信息;(2)顯示各監(jiān)控節(jié)點的溫度狀態(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)設備的應用需求，系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

一般的RFID系統(tǒng)可以分為三個部分：標簽、讀卡器、上位機。在本監(jiān)控系統(tǒng)中，擔任RFID系統(tǒng)中的讀卡器主要負責采集和處理標簽信息，并能夠與上位機進行通信及交換數(shù)據(jù);標簽采用的是SAW標簽，貼在需要測量溫度的設備節(jié)點處;讀卡器發(fā)送標簽詢問信息，在獲得標簽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，通過計算得到對應節(jié)點溫度值，并判斷是否超出對應節(jié)點的允許溫度上限值，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)控中心服務器暫存，以備查驗。上位機具有監(jiān)控中心服務器的功能和數(shù)據(jù)存儲功能。

SAW標簽是一種新型的無源標簽，它是一種利用聲表面波傳播原理制成的標簽。聲表面波是一種在壓電固體材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深人固體材料的深度增加而迅速減小的彈性波。聲表面波標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換成聲表面波，聲表面波信息經(jīng)過按某種特定規(guī)律設計的反射柵反射后，再次經(jīng)過叉指換能器被轉換成帶有標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，由于聲表面波在標簽上傳輸時標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簽的溫度信息。

SAW標簽傳遞的溫度參數(shù)信息一般由硬件電路對其實現(xiàn)提取，圖1中的溫度參數(shù)提取模塊即為本設計的溫度信息的提取電路。在RFID系統(tǒng)中，對于無源標簽，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轉換器等一系列的處理后，使用FFT算法對數(shù)字基帶信號進行計算，得到對應標簽的溫度信息。

2系統(tǒng)軟件分析與設計

讀卡器采用ARM 11架構、功能強大的S3C6410處理器，可以支持多個嵌人式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)設計采用Windows CE操作系統(tǒng)，下面主要介紹使用C/C++開發(fā)Windows CE應用程序的過程。系統(tǒng)軟件設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)過兩條不向的路線進行處理。其中一條用于在監(jiān)控系統(tǒng)上進行顯示，繪制溫度一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)和對應的節(jié)點信息，判斷數(shù)值是否超標，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)于中心服務器備份保存。

本W(wǎng)indow CE應用程序開發(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MUM模塊發(fā)送特定的標簽詢問碼。這個詢問碼是規(guī)定的一個8 bit的碼序列，只需設定它發(fā)送的信號頻段保證能被標簽正確地接收即可，信號通過標簽后自動反射回來。發(fā)送完詢問碼后，程序進人等待接收狀態(tài)。

反射回來的信號通過一系列的硬件電路處理后到達處理器的是基帶信號，這個信號包含了標簽的ID和標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)送人到分析器中進行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的ID信息顯示在相應的顯示框中，然后根據(jù)需求對單個節(jié)點進行跟蹤繪制曲線和計算特殊值的處理。

2.2.1溫度信息的實時顯示

采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)其標簽編號分別存放在不同的隊列中。從隊列中讀取的數(shù)據(jù)通過標準化后分別顯示在相應的顯示框中。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，每進行一次采集，數(shù)據(jù)立刻進行更新顯示。

本設計中存放數(shù)據(jù)的隊列使用的是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)實時顯示界面，可以選擇需要跟蹤分析的節(jié)點編號和繪制曲線的溫度范圍，根據(jù)選擇調(diào)用對應隊列中的數(shù)據(jù)來繪制曲線，對單個節(jié)點進行數(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行截圖保存。

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對應類的構造函數(shù)中調(diào)用窗口類的注冊函數(shù)，對窗口類進行注冊，這樣在添加自定義控件時，控件的對應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系、刻度線、暗格和邊框等，因此，設計時定義了一個類用來專門完成有關繪制曲線的操作，只需要調(diào)用對應的類成員函數(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人到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

這一部分數(shù)據(jù)首先用來判斷各個標簽對應的溫度值是否超出了這個標簽溫度的上限值，一旦判斷超出了這個上限值，程序立即啟動GSM模塊將此標簽編號及其對應的設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于特定的手機號碼中。通常這個號碼屬于負責維護此設備的維護人員，這樣就可以使其危險信息在第一時間傳遞到直接負責人手中，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)驗值，為此本系統(tǒng)還提供了對此經(jīng)驗值的校準。在跟蹤繪制單個節(jié)點的溫度一時間曲線時，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，就可以用來校準經(jīng)驗值，使得對應的溫度上限值在特定的情況下能夠更加準確、可靠。

2.3.2數(shù)據(jù)上傳備份

將采集到的數(shù)據(jù)存放在隊列CList中，但是由于大量的存儲需要占用設備的存儲資源，而在移動設備上存儲空間是相當寶貴的，而且要承擔由于系統(tǒng)發(fā)生故障而使數(shù)據(jù)完全丟失的風險，因此不可能使數(shù)據(jù)一直存放在本設備中，需要將數(shù)據(jù)上傳于服務器暫存?zhèn)浞?。這種數(shù)據(jù)傳輸屬于大數(shù)據(jù)量的傳輸，因此本設計選用網(wǎng)口模塊通過接入局域網(wǎng)或者使用GSM網(wǎng)絡上的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務來完成。這兩種方式可根據(jù)不同情況下網(wǎng)絡的可用性來選擇，都可以達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

數(shù)據(jù)上傳自動完成需要對上傳周期和上傳網(wǎng)絡進行設置，在進人監(jiān)控軟件后首先根據(jù)網(wǎng)絡的可用性設置選擇有線還是無線網(wǎng)絡和相應的上傳周期。

3軟件設計效果

軟件運行后首先進人歡迎界面，這里可以選擇“進人監(jiān)控界面”，還是“進人配置界面”，點擊按鈕即可進人相應界面。進人監(jiān)控界面后可以觀察目前監(jiān)控節(jié)點的實時狀態(tài)，進人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。軟件歡迎界面如圖3所示。

點擊圖3所示“進人監(jiān)控界面”按扭后即進人設備節(jié)點的實時溫度監(jiān)控界面，這個界面顯示目前監(jiān)控節(jié)點的實時溫度狀況。在這里可以選擇跟蹤單個節(jié)點分析其數(shù)據(jù)。點擊“繪制曲線”即可進人跟蹤繪制曲線界面，可以選擇跟蹤的節(jié)點和繪制曲線溫度的范圍值。設備節(jié)點監(jiān)控界面如圖4所示。

點擊圖4中所示的“繪制曲線”按扭即可進人跟蹤繪制曲線界面，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。

若點擊圖3所示界面中“進人配置界面”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。其界面設計如圖6所示。

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