[摘 要]隨著電力設(shè)備監(jiān)測管理需求的日益增長,基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)備受關(guān)注。文章旨在研究和開發(fā)一種高效、準(zhǔn)確、智能的電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng),通過RFID 技術(shù)實現(xiàn)對電力設(shè)備的自動識別、數(shù)據(jù)采集和管理。驗證了該系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)。試驗結(jié)果表明,系統(tǒng)具有良好的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集與處理、報警管理和用戶界面操作等功能,同時具備較高的數(shù)據(jù)采集速度、系統(tǒng)響應(yīng)時間和吞吐量。
[關(guān)鍵詞]RFID 標(biāo)簽;電力設(shè)備;監(jiān)測管理;數(shù)據(jù)
[中圖分類號]TP309 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487(2024)09–0150–03
1 RFID技術(shù)
1.1 RFID技術(shù)的基本原理
RFID(射頻識別技術(shù))是一種通過射頻信號進行非接觸式信息識別與數(shù)據(jù)交換的自動識別技術(shù)。RFID 系統(tǒng)主要由標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3 部分組成。
(1)標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽是附加在物體上的電子標(biāo)簽,內(nèi)含一個小型芯片和天線。當(dāng)標(biāo)簽進入讀寫器的工作區(qū)域時,標(biāo)簽接收來自讀寫器的射頻信號并被激活。
(2)讀寫器。接收并解調(diào)來自標(biāo)簽的射頻信號,將其中的數(shù)據(jù)提取出來。讀寫器不僅負責(zé)接收數(shù)據(jù),還可以向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)。
(3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要進行數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理。其中,數(shù)據(jù)傳輸是標(biāo)簽通過其內(nèi)置天線向讀寫器發(fā)送存儲在芯片中的唯一識別碼及其他相關(guān)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)通過射頻信號的形式進行傳輸,通常采用調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。數(shù)據(jù)處理是讀寫器將獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可對獲取的信息進行存儲、分析和管理,并與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。
1.2 RFID系統(tǒng)組成及工作方式
RFID 系統(tǒng)由多個核心組件構(gòu)成,每個組件在系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用,共同實現(xiàn)對目標(biāo)物體的識別和數(shù)據(jù)傳輸。
1.2.1 RFID系統(tǒng)組成
(1)RFID 標(biāo)簽(Tag)由芯片、天線、封裝材料組成。芯片為標(biāo)簽的核心部分,內(nèi)含存儲器、控制器和通信模塊。存儲器用于保存唯一識別碼及其他數(shù)據(jù),控制器負責(zé)管理數(shù)據(jù)的讀寫操作,通信模塊用于發(fā)送和接收射頻信號。天線用于接收讀寫器發(fā)送的射頻信號并將信號傳遞給芯片,同時將芯片生成的信號發(fā)送回讀寫器。封裝材料可保護芯片和天線的外殼材料,確保標(biāo)簽在各種環(huán)境下的穩(wěn)定工作。
(2) RFID 讀寫器(Reader)由發(fā)射機、接收機、控制器組成。發(fā)射機生成并發(fā)送射頻信號,通過天線將信號傳輸?shù)綐?biāo)簽。接收機接收并解調(diào)標(biāo)簽返回的射頻信號,提取其中的數(shù)據(jù)??刂破鞴芾碜x寫器的操作,包括發(fā)射信號、接收信號、處理數(shù)據(jù)等。
(3)讀寫器天線用于發(fā)送和接收射頻信號,與標(biāo)簽進行通信。天線的設(shè)計影響系統(tǒng)的讀寫距離和性能。
(4)中間件連接讀寫器和后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),負責(zé)數(shù)據(jù)的收集、過濾、處理和傳輸。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存儲和管理從標(biāo)簽獲取的數(shù)據(jù),支持數(shù)據(jù)分析和與其他系統(tǒng)的集成。
1.2.2 RFID系統(tǒng)工作方式
(1)射頻信號發(fā)射。讀寫器通過天線向周圍空間發(fā)送射頻信號。這些信號在標(biāo)簽進入讀寫器的工作范圍時被標(biāo)簽天線接收。
(2)標(biāo)簽激活。被動式標(biāo)簽通過接收射頻信號中的能量激活芯片,主動式標(biāo)簽則由內(nèi)置電池供電。當(dāng)芯片被激活后,標(biāo)簽準(zhǔn)備好響應(yīng)讀寫器的請求。
(3)數(shù)據(jù)傳輸。標(biāo)簽天線將芯片中的數(shù)據(jù)以射頻信號的形式發(fā)送回讀寫器。數(shù)據(jù)傳輸采用調(diào)制技術(shù)將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為射頻信號。
(4)信號接收與解調(diào)。讀寫器天線接收標(biāo)簽返回的射頻信號,通過接收機進行解調(diào)和解碼,提取其中的數(shù)據(jù)。
(5)數(shù)據(jù)處理與傳輸。讀寫器將提取的數(shù)據(jù)傳輸給中間件進行初步處理,如去重、過濾和格式化。處理后的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行進一步存儲和分析。
(6)數(shù)據(jù)存儲與分析。后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲和管理,可進行實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)分析和報表生成等操作。同時,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行集成,實現(xiàn)信息共享和協(xié)同工作。
2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計
基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計需綜合考慮硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu),以確保系統(tǒng)的可靠性、擴展性和高效性。
2.1.1 硬件架構(gòu)
硬件架構(gòu)設(shè)計包括RFID 標(biāo)簽、RFID 讀寫器、天線、數(shù)據(jù)采集終端和通信設(shè)備等部分。這些硬件共同構(gòu)成了系統(tǒng)的物理層,實現(xiàn)對電力設(shè)備的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。
每個電力設(shè)備都附有一個RFID 標(biāo)簽,標(biāo)簽內(nèi)存儲設(shè)備的唯一標(biāo)識碼及其他相關(guān)信息。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)簽類型,如耐高溫、防水等特性標(biāo)簽。
RFID 讀寫器分布在電力設(shè)備的關(guān)鍵監(jiān)測點,用于讀取和寫入RFID 標(biāo)簽信息。其通過天線與標(biāo)簽通信,采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
天線配合讀寫器使用,負責(zé)射頻信號的發(fā)射和接收。天線的類型和安裝位置直接影響系統(tǒng)的讀寫距離和覆蓋范圍。根據(jù)實際需求選擇合適的天線類型,如全向天線或定向天線。
數(shù)據(jù)采集終端配備必要的計算和存儲能力,負責(zé)初步處理和緩存采集到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集終端可是工業(yè)PC、嵌入式系統(tǒng)或移動設(shè)備,具備與讀寫器和后臺系統(tǒng)通信的能力。
通信設(shè)備包括有線和無線通信設(shè)備,用于將數(shù)據(jù)采集終端收集到的數(shù)據(jù)傳輸至后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。常用的通信方式有以太網(wǎng)、WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)(如4G/5G)等。
2.1.2 軟件架構(gòu)
軟件架構(gòu)設(shè)計涵蓋數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和用戶界面等功能模塊,構(gòu)成系統(tǒng)的邏輯層。數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)從RFID 讀寫器獲取數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行初步處理,如數(shù)據(jù)解碼、去重和格式轉(zhuǎn)換。該模塊需要具備高效的數(shù)據(jù)處理能力和穩(wěn)定的通信能力,確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。
數(shù)據(jù)處理與存儲模塊負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行進一步處理和分析,包括數(shù)據(jù)校驗、過濾、存儲和統(tǒng)計分析。采用高效的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(如SQL 數(shù)據(jù)庫或NoSQL 數(shù)據(jù)庫)進行數(shù)據(jù)存儲,確保數(shù)據(jù)的安全性和可追溯性。
業(yè)務(wù)邏輯模塊實現(xiàn)電力設(shè)備監(jiān)測管理的核心業(yè)務(wù)邏輯,如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障報警、維護記錄管理等。根據(jù)實際需求設(shè)計靈活的業(yè)務(wù)流程和規(guī)則,確保系統(tǒng)能夠滿足不同場景的應(yīng)用需求。
用戶界面模塊提供友好的圖形用戶界面(GUI),方便用戶進行數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備管理和系統(tǒng)配置。用戶界面需要支持多種終端設(shè)備(如PC、平板電腦、智能手機),提供良好的用戶體驗。
通信與接口模塊負責(zé)與外部系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)交換,如與物聯(lián)網(wǎng)平臺、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的接口(如RESTful API、WebSocket),確保系統(tǒng)的互操作性和擴展性。
2.1.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)
基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。
2.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計
系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊設(shè)計決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和功能性。在電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)中,關(guān)鍵模塊設(shè)計涵蓋了RFID 標(biāo)簽與讀寫器選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、以及用戶界面設(shè)計等方面。
(1) RFID 標(biāo)簽與讀寫器選擇。根據(jù)電力設(shè)備的使用環(huán)境和監(jiān)測需求選擇適用的RFID 標(biāo)簽??紤]標(biāo)簽的尺寸、耐溫性、防水性和讀寫距離等因素,選擇符合要求的標(biāo)簽型號。在讀寫器選擇方面,選擇具備穩(wěn)定性高、讀寫距離遠、抗干擾能力強的RFID讀寫器。根據(jù)實際情況選擇合適的讀寫器類型(如固定式或手持式)、工作頻率(如低頻、高頻、超高頻)、通信接口(如RS232、RS485、Ethernet)等參數(shù)。在天線設(shè)計上,根據(jù)電力設(shè)備的布局和尺寸設(shè)計合適的天線安裝方案,確保天線能夠覆蓋到所有需要監(jiān)測的設(shè)備區(qū)域。選擇天線類型和功率,優(yōu)化天線布局,確保讀寫器與標(biāo)簽之間的穩(wěn)定通信。
(2)數(shù)據(jù)采集與處理。設(shè)計高效的數(shù)據(jù)采集方案,確保及時獲取電力設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和運行信息。采集模塊應(yīng)具備對多個標(biāo)簽同時進行識別和數(shù)據(jù)讀取的能力,提高采集效率。
設(shè)計數(shù)據(jù)處理算法和流程,對采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理、校驗和過濾。確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性,排除錯誤數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)。采用合適的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫技術(shù),對數(shù)據(jù)進行存儲和管理,支持快速查詢和數(shù)據(jù)分析。
(3)用戶界面設(shè)計。設(shè)計直觀、易用的用戶界面,滿足用戶對設(shè)備監(jiān)測和管理的操作需求。界面布局合理,功能分類清晰,操作流程簡潔明了,減少用戶的學(xué)習(xí)成本和操作復(fù)雜度。實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備位置定位、報警管理等功能模塊。界面應(yīng)具備多樣化的數(shù)據(jù)展示方式,如列表、圖表、地圖等,方便用戶根據(jù)實際需求查看數(shù)據(jù)和分析趨勢。
3 試驗與結(jié)果分析
3.1 試驗設(shè)計與方法
在基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)的開發(fā)過程中,試驗設(shè)計能夠驗證系統(tǒng)的功能性和性能指標(biāo),確保系統(tǒng)能夠滿足實際需求。
(1)試驗設(shè)計。驗證系統(tǒng)各項功能是否符合需求規(guī)格書中的要求,評估系統(tǒng)的性能指標(biāo)和響應(yīng)速度,評估系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
(2)試驗方法。①利用仿真軟件搭建系統(tǒng)模型,模擬真實環(huán)境中的各種情況進行測試;②在真實的電力設(shè)備監(jiān)測場景中進行測試,驗證系統(tǒng)在實際使用環(huán)境下的性能和可靠性;③與其他類似系統(tǒng)進行對比試驗,評估系統(tǒng)在功能和性能上的優(yōu)勢和劣勢;④對系統(tǒng)進行負載測試,評估系統(tǒng)在高負載情況下的性能表現(xiàn)和穩(wěn)定性。
3.2 試驗結(jié)果與分析
(1)功能測試結(jié)果。對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測,設(shè)備在線率為平均98.5%,異常報警發(fā)生頻率約3 次/h。在數(shù)據(jù)采集與處理上,系統(tǒng)平均數(shù)據(jù)采集量為120 個標(biāo)簽/s,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達到99.8%,數(shù)據(jù)完整性維持在95%以上。在報警管理方面,該系統(tǒng)報警觸發(fā)平均時間為10 s,通過郵件通知的報警占比達到80%。在用戶界面操作方面,呈現(xiàn)出用戶操作平均響應(yīng)時間為2 s,95% 的用戶對界面易用性給予4 星以上評價。
(2)性能測試結(jié)果。在數(shù)據(jù)采集速度性能測試結(jié)果方面,系統(tǒng)最大并發(fā)采集數(shù)量達到180 個標(biāo)簽/s,滿足大規(guī)模設(shè)備監(jiān)測需求。在系統(tǒng)響應(yīng)時間性能測試結(jié)果上,用戶界面操作平均響應(yīng)時間為2 s,報警處理平均響應(yīng)時間在15 s 以內(nèi)。在系統(tǒng)吞吐量性能測試結(jié)果上,系統(tǒng)每秒處理數(shù)據(jù)量達到2 000 條,支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理需求。
4 結(jié)束語
通過對基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)的開發(fā)研究及試驗結(jié)果分析,設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測表明系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電力設(shè)備狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況。在數(shù)據(jù)采集與處理方面,系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的數(shù)據(jù)采集速度和準(zhǔn)確性。在報警管理方面,保證了對設(shè)備異常情況的及時響應(yīng)。用戶界面操作方面,系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的用戶體驗。
因此,基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)在功能和性能方面表現(xiàn)出良好的指標(biāo),能夠滿足電力設(shè)備監(jiān)測管理的需求。然而,系統(tǒng)仍存在一些改進空間,如進一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性、提升用戶體驗等方面。未來可針對這些問題進行系統(tǒng)優(yōu)化和改進,以滿足不斷發(fā)展的電力設(shè)備監(jiān)測需求。
參考文獻
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