基于超高頻RFID技術(shù)的電纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

鄧志飛，鮑光海

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州 350108)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，超過90%的電纜故障發(fā)生在電纜接頭[1]。電纜接頭接觸電阻大，同時又處于封閉空間，散熱條件差，當(dāng)電纜超載運行，電纜接頭溫度迅速上升，過高的溫度將造成電纜接頭的絕緣層迅速老化，接觸電阻將增大，溫度上升，形成惡性循環(huán)，造成嚴(yán)重事故，威脅電網(wǎng)的安全運行。

目前，國內(nèi)大多數(shù)主干電纜的電纜接頭管理仍處于計劃檢修、定期維護的狀態(tài)。采用人工巡檢方式不僅費時費力，而且還不能及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。針對這種情況，國內(nèi)一些科研院校、企業(yè)對電纜接頭溫度在線監(jiān)測展開了研究。目前，對電纜接頭溫度監(jiān)測大多先建立電纜接頭溫度模型[2-5]，利用數(shù)字傳感器[6-7]、光纖[8-10]或紅外設(shè)備[11]測量電纜接頭絕緣層溫度，反推導(dǎo)體溫度。采用模型法在一定程度上可以解決問題，但是監(jiān)測對象分布在全國各地，環(huán)境差異大，部分電纜溝在雨季會被雨水淹沒，建立模型，測量電纜接頭表面溫度，再推算出導(dǎo)體溫度，不僅需要根據(jù)各地環(huán)境條件建立不同模型，工作量巨大，而且在雨季采用這樣方法誤差必然大。

為保證電纜接頭設(shè)備穩(wěn)定工作，降低故障率，本文設(shè)計了一套基于超高頻RFID技術(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集測溫、數(shù)據(jù)記錄、超溫報警、無線數(shù)據(jù)傳輸、CT取源于一體，滿足電纜接頭溫度在線監(jiān)測要求，解決電纜接頭長期通過人工巡檢的困境。

1 系統(tǒng)整體介紹

電纜接頭結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，電纜接頭由設(shè)備套管、接頭、絕緣塞以及端蓋組成，溫度傳感器安裝在接頭內(nèi)部直接測量接頭的溫度。同時在接頭所在電纜上安裝了CT為監(jiān)控主機供電。

圖1 電纜接頭結(jié)構(gòu)圖

電纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，每相接頭都安裝無源無線溫度傳感器，每個電纜接頭具有唯一ID，三相電纜接頭溫度數(shù)據(jù)由一個監(jiān)控主機采集、管理。監(jiān)控主機通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺服務(wù)器。當(dāng)溫度超過閾值時，服務(wù)器發(fā)出報警短信提醒相關(guān)人員。同時開發(fā)與系統(tǒng)配套的手機APP，方便巡檢人員對設(shè)備進行管理，處理各種突發(fā)狀況，及時對損壞的設(shè)備維修、更換。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無源無線溫度傳感器

系統(tǒng)使用的無源無線溫度傳感器LTU32通過接收840～960 MHz的電磁波獲得能量進行溫度測量與傳輸，內(nèi)置的512 bit可擦寫數(shù)據(jù)儲存單元重復(fù)擦寫次數(shù)可達10萬次，傳感器采集到溫度誤差僅為±1.5 ℃。LTU32存儲器由RES、EPC、TID和User組成，各部分存放的內(nèi)容如表1所示。LTU32體積小，尺寸僅為2 mm×2 mm×0.15 mm，方便安裝。

表1 EPC存儲器

2.2 監(jiān)控主機硬件設(shè)計

監(jiān)控主機硬件由溫度采集傳輸電路和電源電路組成。溫度采集傳輸電路包括單片機PIC16F15344及其最小系統(tǒng)電路、射頻通信電路和NB-IoT傳輸電路。電源電路由電源管理電路和CT組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控主機硬件框圖

2.2.1 NB-IoT傳輸電路

CT取源功率有限，NB-IoT通信具有低功耗的特點，系統(tǒng)使用ME3616模組將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器。該模組采用3.3 V供電，在省電模式下工作電流僅為3.5 μA，正常工作模式下工作電流為100 mA。利用ME3616模組進行二次開發(fā)，如圖4所示，包括設(shè)計電壓匹配電路、USIM卡電路、啟動/停止電路、喚醒電路等。

圖4 NB-IoT傳輸模塊實物圖

2.2.2 射頻模塊

射頻模塊MK-YH0104是監(jiān)控主機的核心部分，單片機按照開發(fā)協(xié)議發(fā)送指令給射頻模塊完成對無源無線溫度傳感器的讀寫操作。該模塊工作在超高頻頻段，865～928 MHz，輸出功率軟件可調(diào)，最大通信距離是9 m。該模塊帶有串行接口，可以直接和單片機進行串口通信，該模塊如圖5所示。

圖5 MK-YH0104實物圖

2.2.3 電源管理電路

系統(tǒng)電源電路由CT取源電路、整流電路、過流保護電路、過壓保護電路、儲能電路、DC-DC電路以及線性穩(wěn)壓電路組成。由于系統(tǒng)電源來自感應(yīng)電壓，CT提供的功率有限，采用兩級線性穩(wěn)壓電路會造成電路功耗高，采用DC-DC電路、線性穩(wěn)壓電路可降低電路損耗，提高電路效率。DC-DC電路為系統(tǒng)提供5 V電壓，線性穩(wěn)壓電路提供3.3 V電壓，如圖6所示。

圖6 電源管理部分電路 DC-DC、穩(wěn)壓電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件包含3部分：監(jiān)控主機單片機程序、后臺服務(wù)器程序和手機APP應(yīng)用程序。

3.1 下位機軟件設(shè)計

3.1.1 主程序設(shè)計

單片機上電后，首先單片機進行系統(tǒng)設(shè)置，包括配置位設(shè)置、IO口配置、PPS配置、串口初始化、定時器初始化設(shè)置等。緊接著進入主循環(huán)，在主循環(huán)中首先查詢標(biāo)簽的EPC，電纜溫度短期內(nèi)不會發(fā)生突變，因此查詢成功后每隔30 min向?qū)?yīng)的標(biāo)簽發(fā)送查詢命令，溫度數(shù)據(jù)采集成功后，使用NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺，主程序框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序框圖

3.1.2 NB-IoT通信程序設(shè)計

單片機發(fā)送AT指令給ME3616完成NB-IoT通信，本文所涉及的AT指令如表2所示。

表2 AT指令集

單片機發(fā)送的具體AT指令步驟如下：

(1)發(fā)送指令A(yù)T*MICCID檢查是否安裝SIM卡;

(2)發(fā)送指令A(yù)T+GSN=1，查詢產(chǎn)品序列號，將產(chǎn)品序列號作為監(jiān)測主機的ID;

(3)發(fā)送指令A(yù)T+ ESOC=1,2,1，創(chuàng)建UDP套接字;

(4)發(fā)送指令A(yù)T+ESOCON=0,7000,“123.56.70.85”，連接遠端服務(wù)器;

(5)根據(jù)實際溫度值和檢測主機ID設(shè)置AT+ESOCSEND=,,，是AT+ESOC返回的值，是數(shù)據(jù)長度，是十六進制的ASCII碼數(shù)據(jù);

(6)發(fā)送指令A(yù)T+ESOCL=0，關(guān)閉套接字;

(7)發(fā)送指令A(yù)T+CPSMS=1，設(shè)置ME3616進入省電模式。

NB-IoT模塊通信程序流程圖如圖8所示。

圖8 NB-IoT通信程序框圖

3.1.3 射頻模塊通信程序設(shè)計

射頻通信程序如圖9所示，獲取溫度數(shù)據(jù)要執(zhí)行4條指令，分別是盤點指令、讀取校驗數(shù)據(jù)、讀取溫度命令、溫度轉(zhuǎn)換。

圖9 射頻通信程序框圖

對溫度傳感器讀溫度前，監(jiān)控主機先通過盤點命令獲取監(jiān)控主機周圍溫度傳感器的EPC。運行盤點指令前，根據(jù)需要設(shè)置該指令最大運行時間，射頻模塊在查詢時間規(guī)定范圍內(nèi)會返回結(jié)果給主機。本系統(tǒng)一臺監(jiān)測主機管理的溫度傳感器數(shù)目少，將查詢時間設(shè)置5 s足夠采集所有溫度傳感器EPC。

溫度傳感器數(shù)據(jù)需要通過校準(zhǔn)，否則數(shù)據(jù)無效。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)儲存在User儲存區(qū)0x80地址處。傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)有正負之分，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為負數(shù)時，數(shù)據(jù)以負數(shù)的補碼形式表示。

讀溫指令用于查詢指定天線范圍內(nèi)的傳感器溫度數(shù)據(jù)。在執(zhí)行讀溫指令前，也需要設(shè)置該指令的最大查詢時間，射頻模塊會在該時間范圍內(nèi)返回數(shù)據(jù)給單片機。這里設(shè)置最大查詢時間為1 s。

讀溫指令返回的數(shù)據(jù)格式如表3所示，Header是數(shù)據(jù)有效位，2個Header都為F時，傳感器采集的數(shù)據(jù)才有效。Data[18∶3]是未經(jīng)校準(zhǔn)前的溫度數(shù)據(jù)。

表3 返回數(shù)據(jù)格式

實際溫度可由式(1)轉(zhuǎn)換得到。

(1)

式中：t為溫度，℃；D1為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；D2為Data[18∶3]。

3.2 后臺服務(wù)器設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計直接影響系統(tǒng)運行效率，系統(tǒng)使用MySQL對數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，根據(jù)實際需求，數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

設(shè)備產(chǎn)品信息表存放設(shè)備的ID、生產(chǎn)信息、安裝日期、經(jīng)緯度信息、設(shè)備型號等。

系統(tǒng)后期數(shù)據(jù)量大，設(shè)計設(shè)備溫度最值表，存放設(shè)備溫度最值信息，提高系統(tǒng)查詢效率。

人員信息表存放人員姓名、性別、公司職位、聯(lián)系電話、人員管理的設(shè)備ID、登錄密碼等。

設(shè)備故障事件表存放設(shè)備ID、故障類型、故障日期等。

設(shè)備溫度信息表存放設(shè)備ID、設(shè)備溫度及時間。

權(quán)限信息表存放管理人員個人信息及權(quán)限。

3.2.2 servlet程序設(shè)計

設(shè)計servlet程序之前需要先在Eclipse安裝插件Tomcat，Tomcat是一款輕量型WEB應(yīng)用服務(wù)器，安裝完Tomcat后，手機APP才可以通過web服務(wù)與服務(wù)器建立通信。Servlet程序設(shè)計包括解析來自APP命令、連接數(shù)據(jù)庫、根據(jù)命令編寫SQL語句、數(shù)據(jù)庫操作、以及調(diào)用類HttpServletResponse的write方法將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機APP，如圖11所示。

圖11 servlet程序框圖

3.2.3 UDP通信程序設(shè)計

Java為UDP協(xié)議提供了2個重要的類，DatagramPacket類和DatagramSocket類，借助這2個類可以輕松實現(xiàn)服務(wù)器上UDP通信程序，具體步驟分為創(chuàng)建接收數(shù)組、創(chuàng)建DatagramPacket對象、創(chuàng)建DatagramSocket對象，調(diào)用receive方法、解析數(shù)據(jù)包，如圖12所示。

圖12 服務(wù)器UDP接收端流程圖

3.3 手機APP設(shè)計

為方便相關(guān)人員對設(shè)備的管理，開發(fā)一款配套的手機APP，根據(jù)用戶需求，APP設(shè)計了以下功能：

(1)設(shè)備實時溫度信息查詢；

(2)設(shè)備歷史溫度信息查詢；

(3)設(shè)備導(dǎo)航定位功能；

(4)設(shè)備溫度預(yù)警值管理；

(5)設(shè)備溫度報警值管理；

(6)用戶管理相關(guān)功能。

手機APP共設(shè)計了11張界面，實時溫度查詢功能和設(shè)備導(dǎo)航功能是本套APP的重要功能，由于篇幅關(guān)系，重點介紹這2種功能的界面設(shè)計。

圖13是APP的實時溫度查詢界面，用戶在選擇設(shè)備地址和設(shè)備狀態(tài)之后，點擊查詢按鍵，程序會開辟一個線程獲取該地設(shè)備實時溫度數(shù)據(jù)。紅色字體的溫度值表示該電纜接頭溫度超出閾值，黑色字體的溫度值表示電纜接頭溫度在正常區(qū)間，“無”表示該電纜接頭處于離線狀態(tài)。

圖13 實時溫度查詢界面

圖14是APP的設(shè)備導(dǎo)航功能界面，APP設(shè)備導(dǎo)航、定位功能使用百度地圖SDK進行二次開發(fā)，該功能根據(jù)用戶所處的實時位置以及監(jiān)測點位置進行路徑規(guī)劃。

圖14 設(shè)備導(dǎo)航界面

4 系統(tǒng)測試

4.1 通信測試

射頻通信情況決定了系統(tǒng)能否有效運行，因此在系統(tǒng)安裝之前，有必要做射頻通信實驗。測試結(jié)果如表4所示，根據(jù)測試結(jié)果，射頻通信最大傳輸距離大約是5 m，實際中電纜溝寬度大約是1 m，因此滿足實際要求。

表4 射頻通信測試表

4.2 系統(tǒng)現(xiàn)場測試

圖15是該系統(tǒng)管理的電纜接頭數(shù)據(jù)，該電纜接頭溫度基本處于合格區(qū)間，說明電纜接頭設(shè)備狀態(tài)良好。

圖15 電纜接頭實測數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

電纜接頭故障是造成電纜輸電網(wǎng)絡(luò)故障的主要原因，溫度作為反映電纜接頭工作狀態(tài)的重要參數(shù)，實現(xiàn)電纜接頭溫度在線監(jiān)測具有重要意義。本文提出的電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)使用的無源無線溫度傳感器可以直接安裝在電纜接頭內(nèi)部，直接監(jiān)測電纜接頭溫度，顯著提高測量精度。同時系統(tǒng)采用CT取源，無需外部安裝其他電源，解決了現(xiàn)場監(jiān)測裝置供電難題。通過一系列實驗證明了該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性。該系統(tǒng)的出現(xiàn)有效解決了目前電力電纜接頭依靠人工巡檢的困境，為建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)提供技術(shù)支持。