一種RFID和SAW相結合的電力溫度監控系統設計

謝小芳 李虎陽 左安康

摘要：該文目的是設計一種應用在電力系統中，有效監控電力設備保證其安全運行的監控系統。溫度是電力設備安全運行的重要指標，監控關鍵節點溫度值可有效地反映電力系統的運行狀態。該文在分析電力系統應用需求的基礎上，介紹了該電力監控系統的整體方案設計，并對數據傳輸模塊，射頻模塊等重要模塊進行了分析說明，最后介紹了系統軟件設計，并給出了實際應用中測溫標簽的安裝節點示意圖。

關鍵詞：射頻識別;聲表面波;電力測溫;方案設計

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0282-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The main purpose of this paper is to design a system that can be applied in the power system to monitor the electrical equipments. Because the temperature is an important index of power equipment， to monitor temperature value of the key nodes can monitor the operation state of the power system effectively. Firstly based on the analysis of power system specific application requirements， the paper introduces the system overall design. Secondly The article analyzes the data transmission module， RF module and other important modules and gives each module 's hardware circuit design respectively. Finally the paper introduces the system software design and shows the diagram of nodes where the tabs are mounted in practical application system and the system 's practical monitoring interface。

Key words： RFID; SAW; temperature measurement in the power system; scheme design

1 背景

近年來，電力安全問題被廣泛關注，它關系人們生活的方方面面，影響著人們的生活，因此迫切地需要安全可靠的監控設備和監控措施來確保電力系統的安全，人們在很多方面進行了探索，提出了一些有效的措施和解決方式。目前的監控設備大部分采用如下一些方式實現，但都存在不足。1）熱敏電阻/電偶方式，不能實現無線無源，抗干擾能力弱。2）光纖方式，屬于有線方式，會破壞現有電力設備構架，高壓情況下還會出現漏電、爬電隱患。3）紅外成像方式[1]，由于高壓開關柜內部結構復雜，元件互相遮擋較多，通過紅外圖譜間接獲取溫度數據其準確性不能滿足要求。

射頻識別（RFID）[2]是目前比較主流，應用較多的射頻技術，將其應用在電力監控系統中，使用標簽來標識每一個監控節點，使得監控更加高效可靠。聲表面波（SAW）[3]是一種能夠在壓電襯底表面傳輸的頻率波，其振幅隨深入壓電襯底深度呈指數變化，其頻率也隨本身附著物體的溫度不同而變化。本文結合RFID技術與SAW技術，深入分析設計出一種應用在電力測溫方面的監控系統。

2 系統整體方案設計

本系統主要任務是監控電力設備的安全運行狀態，主要通過采集貼在各電力設備重要節點上標簽的參數來得到所需信息。系統整體設計框圖如下圖1所示[4]。

系統采用射頻標簽采集電力設備溫度信息，并實時顯示在系統LCD上。系統分析采集參數信息，一旦發現超標標簽，立馬啟動短信報警。具有鋰電池供電和充電功能，并設計有多重通信，可固定亦可移動，能夠方便有效的監控當前設備狀態，最大限度地排除隱患，減少、杜絕電力系統重大事故的發生。

3 各主要功能模塊設計

本系統核心處理器采用S3C6410，運行 window CE嵌入式操作系統。

3.1 電源模塊

電源模塊提供了整個系統運行基礎。鋰電池供電同時具有隨機充電功能，使用mini USB接口。

充電控制芯片采用CN3062，一款廣泛應用于各種移動設備上的電池充電控制芯片，可以使用USB口或者交流適配器實現充電，輸入電壓范圍4.35V～6V，電源電壓掉電后可自動進入低電壓睡眠模式，自動再充電，電池溫度檢測功能，具有充電狀態和充電完成雙指示輸出。

由于系統模塊需要3.3V，5V，1.8V等多種電壓值，需要將5V轉換成各種所需電壓值。

使用mini USB進行充電時，只使用了mini-USB的VBUS管腳，并不影響USB的數據傳輸功能，因此其數據傳輸功能可以正常使用，在充電的同時可以進行數據的傳輸。

3.2 LCD顯示模塊與外部USB存儲

本監控系統采用系統實時顯示監控節點狀態功能，因此系統必需一個顯示設備，我們采用的是4.3寸的TFT LCD液晶屏，24bit的RGB接口，其分辨率達到480× 272，高亮度和對比率，LCD屏使用專用LCD屏排線與系統底板相連接。

外部USB存儲主要設計需求是，需要對目前監控狀態以及單個節點溫度-時間曲線進行抓取，存儲于外部USB移動設備中，以備文檔書寫和分析數據時使用。

3.3 網絡連接模塊設計

本系統需要將監控信息上傳于監控中心，為了滿足不同環境應用，本系統設計無線和有線兩種接入方式。有線接入方式，網絡控制器芯片為DM9000AE，芯片支持IEEE 802.3u的以太網標準，同樣也支持IEEE 802.3x全雙工以太網數據鏈路層的流控方法。

無線連接方式選擇GPRS/GSM模塊出于兩種考慮，一是電力設備故障危害大，緊急程度高，采用GSM使用AT指令發送短信方式，以便負責人員及時收到信息，第一時間做出反應。二是系統需要所有監控信息暫時保存以備后期的查驗。終端設備配有大容量的存儲空間是不經濟的，可通過GPRS將數據上傳于服務器。

3.4 SAW標簽信息采集模塊

這一部分是整個系統功能最重要的實現部分，系統向SAW標簽發送詢問信息，標簽收到詢問信息后，反射信號回系統，通過分析反射信號提取溫度信息。

由發送模塊和接收模塊組成。發送模塊采用由CC1101組成的簡單無線發送電路。采用SPI接口和處理器連接。接收模塊主要目的是提取反射的標簽ID信息和其攜帶的溫度信息。

根據SAW標簽特性，接收到射頻脈沖通過叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面傳播。反射柵對入射表面波部分反射，并返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射聲脈沖串轉變成射頻電脈沖串。物體的溫度會影響在其表面傳播的聲表面波頻率，接收端接收到反射信號，與發射的本振信號頻率比較得到頻率偏移值，經FFT算法得到頻率偏移值所對應的物體溫度值。這里采用一種超外差接收機制實現對反射信號中溫度信息的提取[5]，通過環形器，濾波器，混頻器，A/D轉換器等一系列硬件處理提取數據。

如下圖2所示為射頻發送和接收模塊的組成框圖。

4 系統軟件設計與驗證

系統軟件主要分為三條主線，一、實時采集溫度信息進行顯示，根據需要繪制溫度-時間跟蹤曲線、分析數據計算特殊值，抓取截圖存于外部設備。二、是分析收到溫度信息，判斷危險情況啟動GSM發送報警信息。三、定期將數據通過GPRS上傳于服務器。

系統采用SAW標簽采集溫度信息，所測溫度精度高，可以有效地檢測電力設備的溫度變化情況，確保其安全運行。實際系統應用時，SAW標簽通過一個簡單的安裝固定夾安裝于下圖中的各個節點處。

5 結束語

研究基于SAW和RFID技術相結合的電力溫度監控系統，有機結合了ARM高效的控制技術、基于RFID的可靠無線通信技術，SAW的高精度設計出一種能夠應用在電力系統中有效的監控電力設備溫度信息的系統，這將大大降低電力安全事故的發生，保證了電力系統的正常運行。

參考文獻：

[1] 李錚， 黃俊， 劉美玲. 基于嵌入式的紅外電力監控系統的設計[J]. 電視技術， 2011（5）.

[2] 張暉， 王東輝. RFID技術及其應用的研究[J]. 微計算機信息， 2007（11）.

[3] 劉積學， 段成麗. SAW傳感器及其在無源標示器中的應用[J]. 壓電與聲光， 2005（6）.

[4] 劉云. 基于ARM的高頻遠距離RFID讀寫器的研究與設計[D]. 蘇州： 蘇州大學， 2009.

[5] 李旭梅， 黃俊， 劉鴻. 基于零中頻的聲表面波射頻識別收發機的設計[J]. 電子技術應用， 2013， 39（2）： 9-11.

【通聯編輯：謝媛媛】