RFID技術(shù)在變電站巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 靜，王素珍，賀雪飛

（青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266520）

變電站巡檢是保障變電站順利運(yùn)行的重要措施。傳統(tǒng)的變電站巡檢多是以紙質(zhì)為主的人工巡檢模式，巡檢人員需隨身攜帶大量表格，后期需由人工將巡檢數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，導(dǎo)致巡檢工作量大且效率低下；以紙張為載體的數(shù)據(jù)記錄不靈活，巡檢內(nèi)容有任何改變都需重新印制表格，造成極大的浪費(fèi)。同時(shí)，傳統(tǒng)的巡檢方式無(wú)法對(duì)巡檢工作人員進(jìn)行有效監(jiān)督，巡檢工作人員可以在簽到后不到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地巡檢或偽造巡檢數(shù)據(jù)，因此常出現(xiàn)人員不到位和巡檢不及時(shí)的狀況，從而導(dǎo)致設(shè)備故障處理不及時(shí)而引發(fā)電力事故。

基于上述問(wèn)題，本文提出一種基于RFID的巡檢技術(shù)方案。射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，與傳統(tǒng)的條形碼相比具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)信息更改自如等優(yōu)點(diǎn)[1]。方案運(yùn)用RFID技術(shù)，結(jié)合GPRS無(wú)線通信技術(shù)，解決了巡檢人員到位難、信息采集效率低及上傳不及時(shí)的問(wèn)題，從而滿足了變電站巡檢管理信息化和規(guī)范化的要求。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 RFID的工作原理

典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)由射頻標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成[2]。

RFID工作原理：讀寫(xiě)器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率（低頻、高頻或超高頻）的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻標(biāo)簽獲得能量被激活，將自身編碼等信息通過(guò)卡片內(nèi)置的發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，交由信息處理系統(tǒng)處理，完成預(yù)設(shè)功能和自動(dòng)識(shí)別。

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由巡檢儀、射頻標(biāo)簽及管理服務(wù)器構(gòu)成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

管理服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，綜合管理變電站的巡檢，負(fù)責(zé)人員設(shè)備的信息管理、巡檢任務(wù)的下達(dá)以及巡檢數(shù)據(jù)的處理等，控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作流程。工作開(kāi)始時(shí)由管理服務(wù)器下達(dá)任務(wù)，應(yīng)用系統(tǒng)處理后對(duì)中間件下達(dá)指令，規(guī)定好讀寫(xiě)器讀取射頻標(biāo)簽的類(lèi)別和數(shù)量。讀寫(xiě)器受控發(fā)出微波查詢信號(hào)，在距離射頻標(biāo)簽0~10 m范圍內(nèi)時(shí)，射頻標(biāo)簽收到讀寫(xiě)器的查詢信號(hào)后，將此信號(hào)與標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息合成一體反射回電子標(biāo)簽讀出裝置，讀寫(xiě)器接收到標(biāo)簽反射回的微波合成信號(hào)后，經(jīng)讀寫(xiě)器內(nèi)部微處理器處理后即可將標(biāo)簽儲(chǔ)存的識(shí)別代碼等信息分離讀取出來(lái)。

中間件對(duì)閱讀器傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、匯總、計(jì)算和分組，減少?gòu)拈喿x器傳往服務(wù)器的大量原始數(shù)據(jù)，生成加入了語(yǔ)意解釋的事件數(shù)據(jù)。之后將處理好的巡檢數(shù)據(jù)通過(guò)API端口傳送給應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況對(duì)數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

1.3 系統(tǒng)的工作流程

基于組成系統(tǒng)的三大模塊[3]，可以把系統(tǒng)的工作流程分為以下三部分：

(1)巡檢任務(wù)的下達(dá)

執(zhí)行任務(wù)前，巡檢人員可通過(guò)USB端口將當(dāng)天的巡檢任務(wù)由主機(jī)下載至PDA或由主機(jī)通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)直接下達(dá)，隨后，巡檢人員可根據(jù)任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)巡檢。

(2)巡檢任務(wù)的執(zhí)行

巡檢人員按指定的巡檢路線到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，手持巡檢儀與作業(yè)地點(diǎn)的RFID射頻標(biāo)簽通信，在PDA上顯示出該區(qū)域下的對(duì)應(yīng)檢查設(shè)備，巡檢人員可對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，巡檢完畢后，將設(shè)備檢查結(jié)果錄入PDA上的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。在信號(hào)強(qiáng)的情況下，可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳主機(jī)；當(dāng)信號(hào)較差或無(wú)信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)暫存于PDA的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，等到信號(hào)強(qiáng)時(shí)再回傳或通過(guò)USB接口由局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至管理服務(wù)器。

(3)巡檢數(shù)據(jù)的處理

管理服務(wù)器對(duì)接收的設(shè)備的巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，生成設(shè)備巡檢情況記錄表，隨后進(jìn)行綜合處理，根據(jù)結(jié)果分析出設(shè)備的運(yùn)行狀況并生成報(bào)表，交與有關(guān)部門(mén)做后續(xù)處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RFID數(shù)據(jù)清洗技術(shù)

由于射頻干擾和標(biāo)簽讀取結(jié)構(gòu)等原因，RFID數(shù)據(jù)讀取的可信度較低，因此，系統(tǒng)增加了對(duì)RFID數(shù)據(jù)的預(yù)處理環(huán)節(jié)，使閱讀器讀取的數(shù)據(jù)從時(shí)間序列和數(shù)值上盡可能地接近真實(shí)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

RFID數(shù)據(jù)讀取的低可信度主要與其采用的無(wú)線射頻信號(hào)有關(guān)，當(dāng)標(biāo)簽和閱讀器數(shù)量多時(shí)，信號(hào)干擾加強(qiáng)，更增加了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。RFID數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性主要表現(xiàn)為漏讀、多讀、臟讀和亂序四個(gè)方面。本文采用Smooth數(shù)據(jù)清洗算法[4]解決這個(gè)問(wèn)題。具體算法示例如圖2所示，在第一次讀到EPC事件時(shí)，產(chǎn)生evGlimpsed事件，在事件間隔時(shí)間不超過(guò)1格時(shí)，始終處于is-Glimpsed的狀態(tài)，在第三次讀到該EPC事件時(shí)，產(chǎn)生evObserved事件，當(dāng)兩個(gè)事件單位沒(méi)有讀到該EPC事件時(shí)，則產(chǎn)生evLost事件。該算法中cGlimpsed_Timeout和cObserved_Timeout的設(shè)置起到了平滑事件流、清洗漏讀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的作用[5]。

2.2 RFID中間件

RFID中間件是實(shí)現(xiàn)RFID硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過(guò)濾和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的一種中間程序[6]，是RFID應(yīng)用部署運(yùn)作的中樞。它介于讀寫(xiě)器模塊與應(yīng)用系統(tǒng)之間，將RFID讀寫(xiě)器讀取的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)中間件提取、解密、過(guò)濾及格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入管理服務(wù)器，并通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)反應(yīng)在程序界面上，供操作者瀏覽、選擇、修改和查詢[7]。

PDA選用Windows CE操作系統(tǒng)，應(yīng)用VS2008平臺(tái)下的C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，C#調(diào)用RFID中間件提供的通用API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID射頻卡的初始化、讀、寫(xiě)、Key值驗(yàn)證和關(guān)閉等操作。

流程初始，通過(guò)DllImport經(jīng)由指定的API端口引用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)[8]，之后初始化RFID射頻卡。完畢后，系統(tǒng)根據(jù)指示開(kāi)始偵測(cè)，尋找有效范圍內(nèi)的RFID卡片，如果檢測(cè)到相應(yīng)的射頻標(biāo)簽，則開(kāi)始讀取其Key值。若與系統(tǒng)指定相匹配，則可以對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取；若不匹配，則檢驗(yàn)下一標(biāo)簽的Key值，依此循環(huán)，直至任務(wù)完成，如圖3所示。

2.3 RFID的安全機(jī)制

RFID技術(shù)在快速發(fā)展的同時(shí)也暴露出其自身存在的各種安全隱患，如信息泄露和隱私問(wèn)題等。本文運(yùn)用Key值更新隨機(jī)Hash鎖的方法來(lái)解決RFID運(yùn)用中的安全問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了安全高效的讀取訪問(wèn)控制。

(1)首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建包括H(Key)、ID、Key、Pointer四 列 的 數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，主鍵為 H(Key)。

(2)鎖定標(biāo)簽，閱讀器隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)值回送給該標(biāo)簽作為標(biāo)簽ID的Key值，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立初始記錄(H(Key)，ID，Key，0))，標(biāo)簽存儲(chǔ)接收到的Key值進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

(3)解鎖標(biāo)簽,數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)R傳送給閱讀器，由閱讀器將詢問(wèn)消息Query和R發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽根據(jù)接收到的R和自身 Key值計(jì)算出H(Key)和H(Key‖R)回送給閱讀器，隨后自行計(jì)算H(ID‖R)和Key*=S(Key)（此時(shí)Key值不更新）。

圖3 RFID操作流程圖

(4)閱讀器查找數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，若找到記錄 i：(H(Keyi)，IDk，Keyi，Pointeri)，則計(jì)算 H(Keyi‖R)， 并 比 較 H(Keyi‖R)與 接 收 到 的 H(Key‖R)， 若 不 相等，則忽略此消息；若相等,則計(jì)算 H(IDk‖R)，并將 IDk和H(IDk‖R)的值傳送給閱讀器。

(5)閱讀器將 H(IDk‖R)發(fā)送給標(biāo)簽，數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算Key*i=S(keyi)和 H(Key*i)。若 Pointeri=0，則添加新記錄 J：(H(Key*i)，IDk，Keyi，i)， 并 修 改 i 為(H(Keyi)，IDk，Keyi，j)；若Pointeri!=0，則找到第Pointeri條記錄并修改成(H(Keyi)，IDk，Keyi，i)。

(6)標(biāo)簽將接收到的H(IDk‖R)與第 2步中計(jì)算的H(ID‖R)作比較。若相等，則將自身的Key值更新為Key*，進(jìn)入解鎖狀態(tài)；若不相等，則保持沉默。

該巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)巡檢方式的種種弊端，既對(duì)巡檢人員進(jìn)行了有效的監(jiān)督，杜絕了玩忽職守現(xiàn)象，又實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化辦公的要求，提高了巡檢效率和設(shè)備管理水平。該系統(tǒng)的應(yīng)用必將提高電力生產(chǎn)的安全運(yùn)行水平，有著廣闊的發(fā)展前景。

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