電力設備安全可靠性是超大規模輸配電和電網安全保障的重要環節。由于電網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，繼而長時間發熱引起的高壓柜，引發線纜燒毀等故障，是電網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生，監控電網中的觸頭和接頭的溫度狀態尤為重要，因此電力測溫是非常必要而且非常有意義的[1]。

    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，會破壞現有電力設備網絡構架；(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的電力溫度監控系統。該系統采用聲表面波(SAW)標簽測溫技術的原理和優點，以克服以往所有測溫方式的缺陷，而且系統設計綜合考慮了界面直觀性和數據實時性等優點，是一個更加可靠實用的電力溫度監控系統。
1 基于RFID的電力溫度監控系統設計
    本系統主要用于監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。要達到監控的目的，大致要求具有如下三個方面的功能：(1)采集各監控節點的溫度信息；(2)顯示各監控節點的溫度狀態，并根據需要處理溫度數據；(3)分析處理采集到的數據信息，并根據需要發送報警信號。根據設備的應用需求，系統設計框圖如圖1所示[2]。

    一般的RFID系統可以分為三個部分：標簽、讀卡器、上位機。在本監控系統中，擔任RFID系統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據；標簽采用的是SAW標簽，貼在需要測量溫度的設備節點處；讀卡器發送標簽詢問信息，在獲得標簽ID值的同時提取反射信號與發送信號之間的頻率偏移值，通過計算得到對應節點溫度值，并判斷是否超出對應節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或通過有線局域網方式上傳到監控中心服務器暫存，以備查驗。上位機具有監控中心服務器的功能和數據存儲功能。
    SAW標簽是一種新型的無源標簽[3]，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生和傳播、且振幅隨深入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，聲表面波信息經過按某種特定規律設計的反射柵反射后，再次經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信息一般由硬件電路對其實現提取，圖1中的溫度參數提取模塊即為本設計的溫度信息的提取電路。在RFID系統中，對于無源標簽，讀卡器端首先需要發送特定的詢問信息，然后等待接收返回的射頻信號；返回的射頻信號經過環形器、濾波器、混頻器、A/D轉換器等一系列的處理后，使用FFT算法對數字基帶信號進行計算，得到對應標簽的溫度信息。
2 系統軟件分析與設計
    讀卡器采用ARM11架構、功能強大的S3C6410處理器，可以支持多個嵌入式操作系統。本系統設計采用Windows CE操作系統，下面主要介紹使用C/C++開發Windows CE應用程序的過程[4]。系統軟件設計的整體流程圖如圖2所示。

    由圖2可知，通過溫度參數提取電路后的數據經過兩條不同的路線進行處理。其中一條用于在監控系統上進行顯示，繪制溫度-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和對應的節點信息，判斷數值是否超標，并根據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據于中心服務器備份保存。
    本Window CE應用程序開發環境為VS2005，Window CE操作系統采用6.0版本。
2.1 溫度參數提取
    由于數據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據的處理。
    首先，程序控制通過CC1101模塊發送特定的標簽詢問碼。這個詢問碼是規定的一個8 bit的碼序列，只需設定它發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。發送完詢問碼后，程序進入等待接收狀態。
    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；數據送入到分析器中進行FFT計算，便可以得到溫度參數信息；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 監控狀態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，然后根據需求對單個節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
    采集到的數據根據其標簽編號分別存放在不同的隊列中。從隊列中讀取的數據通過標準化后分別顯示在相應的顯示框中。數據顯示始終和數據采集保持同步，數據采集周期為50 ms，每進行一次采集，數據立刻進行更新顯示。
    本設計中存放數據的隊列使用的是CList類，這個類可以定義其存放數據的數據類型，并具有豐富的成員函數，可以方便地實現數據的操作。
2.2.2 數據跟蹤和分析處理
    在數據實時顯示界面，可以選擇需要跟蹤分析的節點編號和繪制曲線的溫度范圍，根據選擇調用對應隊列中的數據來繪制曲線，對單個節點進行數據跟蹤來觀察數據的變化情況，并對數據進行分析處理，計算某個范圍內數據的最大值、最小值、平均值以及可以對繪制曲線的界面進行截圖保存[5]。
    在VS2005開發環境中，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中調用窗口類的注冊函數，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間足夠短，由無數的直線段連接起來的線直觀上便可以表示是連續變化的曲線。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，只需要調用對應的類成員函數即可。
2.3 危險信號報警和數據上傳
    數據的另外一條的處理途徑就是進入到GSM和備份上傳處理模塊，主要完成危險信號報警和數據上傳功能。
2.3.1 危險信號報警
    這一部分數據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，使出現的問題能得到及時處理。
    這個上限容值的最初值是取于經驗值，為此本系統還提供了對此經驗值的校準。在跟蹤繪制單個節點的溫度-時間曲線時，通過分析其在通常情況下的曲線變化情況，可以得到數據變化的最大值、最小值和平均值，這些值經過正常工作情況下的多次統計，就可以用來校準經驗值，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 數據上傳備份
    將采集到的數據存放在隊列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發生故障而使數據完全丟失的風險，因此不可能使數據一直存放在本設備中，需要將數據上傳于服務器暫存備份。這種數據傳輸屬于大數據量的傳輸，因此本設計選用網口模塊通過接入局域網或者使用GSM網絡上的GPRS數據業務來完成。這兩種方式可根據不同情況下網絡的可用性來選擇，都可以達到數據傳輸的目的。
    數據上傳自動完成需要對上傳周期和上傳網絡進行設置，在進入監控軟件后首先根據網絡的可用性設置選擇有線還是無線網絡和相應的上傳周期。
3 軟件設計效果
    軟件運行后首先進入歡迎界面，這里可以選擇“進入監控界面”，還是“進入配置界面”，點擊按鈕即可進入相應界面。進入監控界面后可以觀察目前監控節點的實時狀態，進入配置界面后可以配置數據上傳的周期和所使用的網絡[6]。軟件歡迎界面如圖3所示。

    點擊圖3所示“進入監控界面”按扭后即進入設備節點的實時溫度監控界面，這個界面顯示目前監控節點的實時溫度狀況。在這里可以選擇跟蹤單個節點分析其數據。點擊“繪制曲線”即可進入跟蹤繪制曲線界面，可以選擇跟蹤的節點和繪制曲線溫度的范圍值。設備節點監控界面如圖4所示。
    點擊圖4中所示的“繪制曲線”按扭即可進入跟蹤繪制曲線界面，如圖5所示。在這個界面可以選定曲線的起始和終止位置，分析數據的特殊值，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“進入配置界面”按扭就可以配置備份數據上傳的周期和選用的網絡。其界面設計如圖6所示。

    本文所述的監控設備采用射頻識別與聲表面波相結合的技術測量節點溫度信息，設計從實用性和可靠性方面對已有監控設備進行了優化，使得設備更加實用可靠，而且界面更加直觀。
參考文獻
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[4] 汪兵.Windows CE嵌入式高級編程及其實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2008.
[5] 尹定平，朱冰蓮，田學隆.Windows環境下圖像處理軟件的設計[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2001，13(Z1)：37-40.
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