基于RFID的电力温度监控系统的软件分析与设计

　　在分析和比较现有电力测温技术的基础上，从标签的选用和读卡器的设计两方面介绍了一种新型的射频监控系统的设计方案，重点介绍了系统在Window CE操作系统下的软件功能的设计，并给出了系统软件设计的整体流程图。

　　电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环节。由于电网设备中的触头和接头接触不良而造成的长期承载大电流、触头老化等问题致使其电阻增大，继而长时间发热引起的高压柜，引发线缆烧毁等故障，是电网安全中的一个重要隐患。为尽可能地避免此类电力事故的发生，监控电网中的触头和接头的温度状态尤为重要，因此电力测温是非常必要而且非常有意义的。

　　目前电力测温方式主要有三种：(1)热敏电阻/点偶方式。其缺点是无法实现无线无源，在复杂场合，抗干扰能力弱;(2)光纤方式。其属于有线方式，会破坏现有电力设备网络构架;(3)红外成像方式。其对方向性要求太高，而且由于高压开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，其准确性不能满足要求。这些测温方式在一定程度上存在无法克服的缺陷，因此需要寻求一种更加可靠方便的电力测温方式。

　　为此，本文介绍了一种基于RFID的电力温度监控系统。该系统采用声表面波(SAW)标签测温技术的原理和优点，以克服以往所有测温方式的缺陷，而且系统设计综合考虑了界面直观性和数据实时性等优点，是一个更加可靠实用的电力温度监控系统。

　　本系统主要用于监控电力设备的温度状况，设备可以采用移动手持式也可以采用固定式。要达到监控的目的，大致要求具有如下三个方面的功能：(1)采集各监控节点的温度信息;(2)显示各监控节点的温度状态，并根据需要处理温度数据;(3)分析处理采集到的数据信息，并根据需要发送报警信号。根据设备的应用需求，系统设计框图如图1所示。

　　一般的RFID系统可以分为三个部分：标签、读卡器、上位机。在本监控系统中，担任RFID系统中的读卡器主要负责采集和处理标签信息，并能够与上位机进行通信及交换数据;标签采用的是SAW标签，贴在需要测量温度的设备节点处;读卡器发送标签询问信息，在获得标签ID值的同时提取反射信号与发送信号之间的频率偏移值，通过计算得到对应节点温度值，并判断是否超出对应节点的允许温度上限值，如超出范围，则以一种警告信息形式通过GSM模块发送到特定的手机上，等待得到及时处理。读卡器还需要将采集到的温度信息通过GPRS或通过有线局域网方式上传到监控中心服务器暂存，以备查验。上位机具有监控中心服务器的功能和数据存储功能。

　　SAW标签是一种新型的无源标签，它是一种利用声表面波传播原理制成的标签。声表面波是一种在压电固体材料表面产生和传播、且振幅随深人固体材料的深度增加而迅速减小的弹性波。声表面波标签由叉指换能器和反射栅组成。叉指换能器将接收到的射频信号转换成声表面波，声表面波信息经过按某种特定规律设计的反射栅反射后，再次经过叉指换能器被转换成带有标签编码信息的射频电信号，然后通过天线被发射出去。

　　同时，由于声表面波在标签上传输时标签的温度会影响其频率的变化，因此在接收端提取到接收信号的频率，可以利用这个频率值和之前发射的本振信号频率进行比较得到一个频率偏移值，通过特定的计算便可以得到所测标签的温度信息。

　　SAW标签传递的温度参数信息一般由硬件电路对其实现提取，图1中的温度参数提取模块即为本设计的温度信息的提取电路。在RFID系统中，对于无源标签，读卡器端首先需要发送特定的询问信息，然后等待接收返回的射频信号;返回的射频信号经过环形器、滤波器、混频器、A/D转换器等一系列的处理后，使用FFT算法对数字基带信号进行计算，得到对应标签的温度信息。

　　读卡器采用ARM 11架构、功能强大的S3C6410处理器，可以支持多个嵌人式操作系统。本系统设计采用Windows CE操作系统，下面主要介绍使用C/C++开发Windows CE应用程序的过程。系统软件设计的整体流程图如图2所示。

　　由图2可知，通过温度参数提取电路后的数据经过两条不向的路线进行处理。其中一条用于在监控系统上进行显示，绘制温度一时间曲线分析计算特殊值(最大值、最小值、平均值)信息;另外一条是用来分析参数和对应的节点信息，判断数值是否超标，并根据这一情况决定是否启动GSM短信报警模块，以便在一定的周期上传数据于中心服务器备份保存。

　　首先，程序控制通过MUM模块发送特定的标签询问码。这个询问码是规定的一个8 bit的码序列，只需设定它发送的信号频段保证能被标签正确地接收即可，信号通过标签后自动反射回来。发送完询问码后，程序进人等待接收状态。

　　反射回来的信号通过一系列的硬件电路处理后到达处理器的是基带信号，这个信号包含了标签的ID和标签所在物体的温度信息。通过抽样判断从信号幅度中可以得到ID值;数据送人到分析器中进行FFT计算，便可以得到温度参数信息;通过对比频率偏移与温度之间的关系即可以确定物体温度。

　　本部分主要功能是把从射频端口采集到的信息按照对应的ID信息显示在相应的显示框中，然后根据需求对单个节点进行跟踪绘制曲线和计算特殊值的处理。

　　采集到的数据根据其标签编号分别存放在不同的队列中。从队列中读取的数据通过标准化后分别显示在相应的显示框中。数据显示始终和数据采集保持同步，数据采集周期为50 ms，每进行一次采集，数据立刻进行更新显示。

　　本设计中存放数据的队列使用的是CList类，这个类可以定义其存放数据的数据类型，并具有丰富的成员函数，可以方便地实现数据的操作。

　　在数据实时显示界面，可以选择需要跟踪分析的节点编号和绘制曲线的温度范围，根据选择调用对应队列中的数据来绘制曲线，对单个节点进行数据跟踪来观察数据的变化情况，并对数据进行分析处理，计算某个范围内数据的最大值、最小值、平均值以及可以对绘制曲线的界面进行截图保存。

　　在VS2005开发环境中，绘制曲线使用自定义控件来完成。但在使用自定义控件之前必须在对话框对应类的构造函数中调用窗口类的注册函数，对窗口类进行注册，这样在添加自定义控件时，控件的对应类名栏填写的类才可以使用。跟踪曲线的绘制由MoveTo()和LineTo()完成，只要使其绘制直线的区间足够短，由无数的直线段连接起来的线直观上便可以表示是连续变化的曲线。由于绘制曲线首先需要绘制坐标系、刻度线、暗格和边框等，因此，设计时定义了一个类用来专门完成有关绘制曲线的操作，只需要调用对应的类成员函数即可。

　　数据的另外一条的处理途径就是进人到GSM和备份上传处理模块，主要完成危险信号报警和数据上传功能。

　　这一部分数据首先用来判断各个标签对应的温度值是否超出了这个标签温度的上限值，一旦判断超出了这个上限值，程序立即启动GSM模块将此标签编号及其对应的设备编号和此温度值一起通过GSM模块使用AT指令发送文本形式的SM于特定的手机号码中。通常这个号码属于负责维护此设备的维护人员，这样就可以使其危险信息在第一时间传递到直接负责人手中，使出现的问题能得到及时处理。

　　这个上限容值的最初值是取于经验值，为此本系统还提供了对此经验值的校准。在跟踪绘制单个节点的温度一时间曲线时，通过分析其在通常情况下的曲线变化情况，可以得到数据变化的最大值、最小值和平均值，这些值经过正常工作情况下的多次统计，就可以用来校准经验值，使得对应的温度上限值在特定的情况下能够更加准确、可靠。

　　将采集到的数据存放在队列CList中，但是由于大量的存储需要占用设备的存储资源，而在移动设备上存储空间是相当宝贵的，而且要承担由于系统发生故障而使数据完全丢失的风险，因此不可能使数据一直存放在本设备中，需要将数据上传于服务器暂存备份。这种数据传输属于大数据量的传输，因此本设计选用网口模块通过接入局域网或者使用GSM网络上的GPRS数据业务来完成。这两种方式可根据不同情况下网络的可用性来选择，都可以达到数据传输的目的。

　　数据上传自动完成需要对上传周期和上传网络进行设置，在进人监控软件后首先根据网络的可用性设置选择有线还是无线网络和相应的上传周期。

　　软件运行后首先进人欢迎界面，这里可以选择“进人监控界面”，还是“进人配置界面”，点击按钮即可进人相应界面。进人监控界面后可以观察目前监控节点的实时状态，进人配置界面后可以配置数据上传的周期和所使用的网络。软件欢迎界面如图3所示。

　　点击图3所示“进人监控界面”按扭后即进人设备节点的实时温度监控界面，这个界面显示目前监控节点的实时温度状况。在这里可以选择跟踪单个节点分析其数据。点击“绘制曲线”即可进人跟踪绘制曲线界面，可以选择跟踪的节点和绘制曲线温度的范围值。设备节点监控界面如图4所示。

　　点击图4中所示的“绘制曲线”按扭即可进人跟踪绘制曲线所示。在这个界面可以选定曲线的起始和终止位置，分析数据的特殊值，可以抓取绘制曲线图像，也可以选择图像暂停绘制和开始从头绘制图像。

　　若点击图3所示界面中“进人配置界面”按扭就可以配置备份数据上传的周期和选用的网络。其界面设计如图6所示。

　　本文所述的监控设备采用射频识别与声表面波相结合的技术测量节点温度信息，设计从实用性和可靠性方面对已有监控设备进行了优化，使得设备更加实用可靠，而且界面更加直观。