一種多目標RFID 電能標簽采集終端的改進與實現(xiàn)

魯 然，徐永進，黃小瓊，宋 磊，江 嵐，武占河，石金保

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司營銷服務中心，杭州 311100；2.華立科技股份有限公司，杭州 310023）

0 引言

電力系統(tǒng)中的電能采集終端設備，用于采集區(qū)域電能表信息，采集終端正常運行是保障電力用戶信息順利采集的前提，因此準確掌握采集終端的技術指標、適應環(huán)境類型、機械性能等信息，合理維護與使用采集終端設備是十分關鍵的[1]。為解決數(shù)據(jù)采集成功率低、采集靈敏度差的問題，電能終端數(shù)據(jù)采集方法成為相關學者當前的重點研究課題。

目前，已有學者對電能終端數(shù)據(jù)采集方法開展研究。文獻[2]提出基于RFID（射頻識別）技術的智能電能表全壽命管理系統(tǒng)，引用RFID 技術實現(xiàn)智能電能表檢測、抄讀等功能，并搭建云平臺管理系統(tǒng)，完成電能終端的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理。該方法能夠輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、管理及分析等功能，但未考慮多電能終端存在的情況，難以實現(xiàn)多目標同時采集，且成功率較低。文獻[3]提出基于RFID 數(shù)據(jù)終端的電力設備巡檢系統(tǒng)，采用RFID 標簽識讀技術采集數(shù)據(jù)，完成了手持式電力設備運行巡檢管理終端設計。該系統(tǒng)硬件部分輕便靈活、攜帶方便，采集信息準確可靠，便于管理，但該方法標簽數(shù)據(jù)的碰撞概率較高，導致靈敏度較低。

根據(jù)上述分析，多電能終端數(shù)據(jù)的同時采集和避免標簽數(shù)據(jù)碰撞是當前電能終端數(shù)據(jù)采集方法急需解決的問題，因此提出基于RFID 射頻收發(fā)電路優(yōu)化的采集終端全壽命溯源技術。電能采集終端全壽命溯源技術是一種監(jiān)管電能采集設備的科技化手段，是未來電能設備信息監(jiān)督與管理的主流方向。RFID 技術是一種自動識別對象信息的新型數(shù)據(jù)通信技術。優(yōu)化射頻收發(fā)電路，實現(xiàn)對多個采集目標的同時溯源[4-5]，為電能采集終端設置多個RFID 標簽，內(nèi)容包括技術指標、機械性能、適應環(huán)境、功能要求、電氣性能等，并將標簽編碼，是實現(xiàn)相關應用的關鍵。但是，避免標簽碰撞是核心問題，只有避免多目標碰撞，才能保證用戶通過溯源服務端即可查詢電能采集終端的全壽命使用信息。

1 RFID 射頻多標簽收發(fā)電路改進設計

1.1 多目標標簽的邏輯關系設計

設計基于RFID 射頻收發(fā)電路優(yōu)化中，多標簽選取是核心問題，選取的標簽以及各個標簽的計算關系，如圖1 所示。

首先借鑒分布式系統(tǒng)的框架構成，構建分布式溯源數(shù)據(jù)庫指標標簽，包含服務器、數(shù)據(jù)模塊以及網(wǎng)絡硬件設施等；溯源數(shù)據(jù)庫下設溯源數(shù)據(jù)交換服務單元、使用過程監(jiān)管單元以及公眾溯源服務單元等相關標簽信息[6]；在溯源數(shù)據(jù)交換服務中設置SaaS（軟件服務化）平臺實現(xiàn)私有化系統(tǒng)接入功能。電能采集終端全壽命溯源技術后期可融合物聯(lián)網(wǎng)技術，結合多標簽的優(yōu)勢，整合電能采集終端使用的標簽數(shù)據(jù)信息，支持溯源門戶服務端、移動APP 服務端等多類型終端服務[7]，向監(jiān)管部門、生產(chǎn)部門以及使用企業(yè)提供全面、可靠的電能采集終端全壽命溯源信息，相關標簽信息形成較為穩(wěn)定的邏輯關系。

圖1 多標簽的邏輯關系

1.2 多標簽RFID 讀寫器射頻收發(fā)電路優(yōu)化設計

由上文可知，在多標簽信息采集中，RFID讀寫器是溯源系統(tǒng)中的核心部分，其原理是通過無線射頻識別信號獲取溯源目標的相關數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)高速運動物體的溯源識別。本文通過對射頻收發(fā)電路的優(yōu)化，使RFID 讀寫器可以同時識別多個RFID 標簽，實現(xiàn)多個電能用戶端的實時、自動溯源。

1.2.1 多標簽讀寫器與電子標簽的通信邏輯結構設計

多標簽電子標簽與讀寫器是RFID 技術溯源電能采集終端信息的主要構成，二者通過網(wǎng)絡連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通信邏輯關系如圖2 所示。

讀寫器讀取電子標簽內(nèi)容時，首先向電子標簽發(fā)射一定頻率的無線電波能量，電子標簽接觸發(fā)射天線生成感應電流激發(fā)能量[8]。然后電子標簽經(jīng)內(nèi)部發(fā)射天線將數(shù)據(jù)編碼傳輸至外部，即向系統(tǒng)天線發(fā)射載波信號，讀寫器接收載波信號后解調(diào)，得到電能采集終端的信息數(shù)據(jù)[9]。最后讀寫器將數(shù)據(jù)傳遞至RFID 終端程序讀取并處理。因此，從圖2 可以看出，如果要實現(xiàn)多標簽讀取，射頻收發(fā)電路是關鍵。

1.2.2 多標簽射頻收發(fā)電路改進設計

圖2 RFID 技術通信邏輯結構

為實現(xiàn)多個采集目標同時溯源，對RFID 讀寫器的射頻收發(fā)電路進行優(yōu)化設計。讀寫器必須持續(xù)對電子標簽供電才符合EPC C1 Gen2 的協(xié)議要求，在設計讀寫器射頻電路時，需要2 片CC1100 芯片，分別負責數(shù)據(jù)發(fā)送與接收[10]。為持續(xù)向電子標簽供電，接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)采用同一根天線。

濾波電路向兩級放大電路輸送信號，信號被放大后傳輸至天線。CC1100 芯片發(fā)射功率上限不符合協(xié)議標準，所以增設外部功放功能，實現(xiàn)方式為：為射頻收發(fā)電路設置兩極放大結構，前級功放采用放大倍數(shù)恒定、工作頻率為1 100 MHz～2.8 GHz 的線性放大器，型號為AD8353，若要得到20 dB 的增益，相應的運行頻率需在900 MHz 頻段；后級功放通過MAAP-007649-000100功放器件實現(xiàn)最大線性輸出功率為2 W 的目標，器件增益達到19 dB，器件的工作頻率區(qū)間為820 MHz～1 000 MHz。圖3 是工作頻率為915 MHz 時CC1100 芯片射頻收發(fā)電路圖。

如圖3 所示，通過電路中的兩極放大結構，能夠使RFID 讀寫器同時采集多個終端的電力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多個采集目標同時溯源。

1.3 多RFID 標簽防碰撞算法設計

1.3.1 電子射頻標簽編碼編寫

圖3 CC1100 芯片射頻收發(fā)電路圖

電能采集終端從投入使用時便安裝RFID 溯源標簽，在使用的各個階段不斷寫入相關信息，可追溯采集終端的全壽命信息。采集終端的監(jiān)管者以及相關管理人員可根據(jù)要求查詢RFID 標簽信息，全面掌握采集終端的使用年限等信息[11]。此次設計的專變采集終端、RFID 電子標簽編碼為10 進制，共計20 位，編碼內(nèi)容如下：采集終端的技術指標為標簽編碼的1—6 位，功能要求、電氣性能分別體現(xiàn)在編碼的7—8 位、9—10 位；11—14 位、15—18 位編碼分別表示采集終端的機械性能與質(zhì)量管理，采集終端的產(chǎn)品則采用編碼的后兩位表示。

1.3.2 RFID 碰撞成因分析

RFID 多標簽信號識別與處理可通過防碰撞技術實現(xiàn)，是RFID 技術的重要功能。標簽識別具有全球信息唯一性，讀取和識別標簽的唯一信息是RFID 技術完成電能采集終端溯源的最終目標，由此分析附帶標簽的采集終端的信息與身份，對應處理其數(shù)據(jù)[12]。射頻區(qū)存在單個標簽與多個標簽的讀寫處理方式有所差異，直接讀寫只適用于射頻區(qū)存在一個標簽的情況；當射頻區(qū)存在多個標簽時容易發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，即多個標簽均會應答讀寫器發(fā)出的信號，彼此干擾，導致讀寫器讀寫失敗。

1.3.3 防碰撞算法設計

采集終端使用壽命較長、包含信息類型廣、數(shù)據(jù)規(guī)模大，所以采集終端的全壽命溯源應采用多個電子標簽，并具備防碰撞功能[13]。為此設計自適應多叉樹防碰撞算法實現(xiàn)電能采集終端的防碰撞。算法高效率運行的前提是可基于分支標簽數(shù)量自適應獲取搜索叉數(shù)。采集終端的RFID 系統(tǒng)應用曼徹斯特編碼便于讀取全部碰撞位信息[14-21]。多叉樹算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)防碰撞過程中并不是全部碰撞信息都被利用，如：二叉樹搜索算法只使用第一位碰撞位信息，四叉樹算法只使用前兩位碰撞位信息。碰撞位數(shù)與標簽數(shù)量成正比，碰撞位占全部比特位概率隨標簽數(shù)量的增加而增大。基于上述分析定義碰撞因子，最大化利用碰撞位信息。

碰撞因子如式（1）所示，即碰撞比特與標簽響應比特位的比值：

式中：λ 為碰撞因子；nc為時隙內(nèi)碰撞比特；n 為標簽響應比特位。

待識別標簽數(shù)據(jù)即為碰撞因子內(nèi)容。定義傳統(tǒng)中符合查詢標準的待識別標簽數(shù)量為N，標簽響應長度為n 比特，隨機比特有可能不產(chǎn)生碰撞，所以得到：

由公式（2）可知，標簽數(shù)量與碰撞因子成正比，標簽數(shù)量增加或減少時，碰撞因子隨之升高或降低，證明帶識別標簽數(shù)量信息包含在碰撞因子內(nèi)。

若存在N 個待識別標簽，標簽識別概率v（1）=（1-1/B）N-1時的系統(tǒng)叉數(shù)是B、搜索深度是1；識別概率為v（k）=[1-v（1）]k-1時的搜索深度是k。此時需搜索的平均深度為：

由于1-v（1）＜1，基于等比數(shù)列得到求和方法為：

所需時隙數(shù)均值為：

二叉樹、四叉樹、八叉樹搜索所需的時隙數(shù)均值，分別用T2，T4，T8表示：

由式（8）—（10）可知：僅對比二叉樹與四叉樹，若N＞3，四叉樹優(yōu)于二叉樹；僅對比四叉樹與八叉樹，若N≥5，八叉樹優(yōu)于四叉樹，結合式（2）選取碰撞因子為：

2 技術測試

2.1 測試平臺構建

測試在某電力公司展開，選取該電力公司的20 個電能采集終端及其電子射頻標簽作為測試對象，采集標簽樣本待使用。電能采集終端溯源測試平臺的數(shù)據(jù)庫服務器為Microsoft SQL Server 2016，采用C# 編程語言研發(fā)本文提出的溯源技術。電能標簽采集終端測試流程如圖4 所示。

在PC 機中運行溯源后臺服務程序，測試采用的PC 機以及相關硬件設施信息如表1 所示。

2.2 RFID 標簽的防碰撞技術測試

測試本文設計RFID 標簽的防碰撞功能，基于20 個電能采集終端RFID 標簽樣本測試防碰撞算法的運行性能。采用文獻[2]、文獻[3]方法作為對比，對比3 個方法的碰撞概率、時隙數(shù)情況，驗證電力數(shù)據(jù)采集靈敏度，結果如表2 與表3 所示。

圖4 電能標簽采集終端測試流程

表1 測試硬件設施配置

表2 碰撞概率對比

表3 時隙數(shù)對比

表2 與表3 數(shù)據(jù)顯示，采集終端的標簽數(shù)量不斷提升，防碰撞算法的碰撞概率與時隙數(shù)也隨之增加，文獻[3]方法的平均碰撞概率為34.4%，文獻[2]方法的平均碰撞概率為31%，而本文方法的平均碰撞概率為22.2%。由此可知，文獻[3]方法的碰撞概率最高，文獻[2]方法的碰撞概率次之，而本文設計的防碰撞算法的碰撞概率最低，說明算法增加自適應環(huán)節(jié)后顯著減少了多個標簽數(shù)據(jù)的碰撞，降低了標簽數(shù)據(jù)讀取與寫入的干擾，提高了電力數(shù)據(jù)采集的靈敏度，用戶可獲取準確、全面的電能采集終端全壽命信息。同時，隨著采集終端的標簽數(shù)量不斷增加，文獻[3]方法的平均時隙數(shù)為2 124，文獻[2]方法的平均時隙數(shù)為2 227，而本文方法的平均時隙數(shù)為1 818。由此可知，文獻[2]方法時隙數(shù)最高，文獻[3]方法時隙數(shù)次之，而本文設計算法的時隙數(shù)最低，說明算法采用兩級放大結構優(yōu)化射頻收發(fā)電路，使RFID 讀寫器同時識別多個RFID 標簽，實現(xiàn)多個采集目標同時溯源。本文采用的自適應多叉樹防碰撞算法提升了時隙利用率，改善了RFID 射頻標簽數(shù)據(jù)防碰撞效果。

2.3 采集速度分析

設置1 000 個電能采集終端，分別采用文獻[2]方法、文獻[3]方法和本文方法測試采集速度。讀取過程中RFID 讀寫器的載波信號如圖5 所示。

圖5 RFID 讀寫器的載波信號

測試3 種方法同時采集1 000 個電能采集終端數(shù)據(jù)的速度，結果見圖6。

圖6 3 種方法的采集速度對比

通過圖6 能夠看出，文獻[2]和文獻[3]方法的采集速度隨著電能采集終端個數(shù)的增加而大幅增加，當采集終端個數(shù)達到1 000 個時，文獻[2]和文獻[3]方法的采集速度分別為240 個/s 和215 個/s。而本文方法的采集速度較為平穩(wěn)，不會隨著采集終端個數(shù)的增加而產(chǎn)生明顯的波動，采集終端為1 000 個/s 時，本文方法的采集速度為75 個/s。

2.4 電力數(shù)據(jù)采集成功率分析

在此基礎上，分別采用文獻[2]方法、文獻[3]方法和本文方法測試1 000 個電能采集終端數(shù)據(jù)的成功率，其對比結果如圖7 所示。

圖7 3 種方法的采集成功率對比

分析圖7 可知，當電能采集終端數(shù)據(jù)由200個增加到1 000 個時，文獻[2]方法的平均采集成功率為59%，文獻[3]方法的平均采集成功率為69%，而本文方法的平均采集成功率為90%。由此可知，本文方法能夠?qū)Χ鄠€電能用戶端自動溯源，有效提高多標簽電能采集終端數(shù)據(jù)的成功率。

根據(jù)上述實驗結果能夠得出，采用本文方法的電能采集終端數(shù)據(jù)采集成功率較高、碰撞概率較低，能夠有效提高電力數(shù)據(jù)采集的靈敏度，且采集速度較快，應用本文方法能夠獲取準確全面的電力數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)采集耗時較短，效率較高。

3 結語

本文將RFID 射頻收發(fā)電路優(yōu)化技術應用在電能采集終端全壽命溯源中，向用戶提供一種可查詢、可追溯采集終端使用信息的有效方式。本文構建的電能采集終端主要包括讀寫器、電子射頻標簽、溯源服務端三部分，通過優(yōu)化讀寫器射頻收發(fā)電路完成多目標溯源，向電子標簽發(fā)射特殊信號，標簽響應后輸出采集終端的相關信息傳遞至溯源服務端。用戶讀取電能采集終端的技術指標、機械性能、功能要求等信息，便于實時掌握電能采集終端全壽命使用情況，為電能采集終端日常維護工作提供依據(jù)。實驗結果表明該方法能夠同時采集多終端數(shù)據(jù)，且碰撞概率較低，具有一定的實際應用性。

目前，本文研究的電能采集終端溯源技術仍存在一些不足之處，在射頻標簽數(shù)據(jù)處理、服務端構建等方面仍需完善。以RFID 技術為指導的電能采集終端溯源技術正在構建一個集跟蹤、查詢、維修等功能為一體的完整技術體系，最終可實現(xiàn)電能采集設備溯源的制度化與規(guī)范化。