中國電科院張鋆、張明皓等：電力資產在線感知的eRFID標簽設計

來源：電氣新科技

仝杰，男，工學博士，碩士研究生導師，中國電科院高級工程師、優秀專家人才、人工智能所智能傳感研究室主任。曾獲德意志DAAD-國家留學基金委(CSC)聯合獎學金公派留德，長期從事電力物聯網與智能傳感專業科研、規劃、咨詢及標準化工作。主持或作為執行負責人承擔國家科技重大專項、國家發改委、國家自然科學基金、國網公司科技項目10余項；授權/公布發明專利30余項，授權PCT/美國發明專利1項，發表論文30余篇，主持或參編國行企標10項；最早開展國家電網公司電力物聯網及電力無線(虛擬)專網頂層設計，獲各級科技獎勵8項，獲首屆中國電科院“創新之星”。擔任中電聯EPTC電力信息通信專委會人工智能工作組委員、中國電機工程學會電力通信專委會接入網學組委員、電力行業信息技術標委會物聯網工作組委員。
張鋆，中國電力科學研究院有限公司，人工智能應用研究所，工程師，研究方向為電力智能設備與傳感技術。曾參與多項包含國家重點研發計劃、國家自然科學基金在內的縱橫向科技項目，其中“基于在線感知標簽的電力資產物聯網”項目入選國網公司“泛在電力物聯網建設2019年度最佳實踐案例”，并在國網公司“兩會”期間展出。
張明皓，中國電力科學研究院有限公司，人工智能應用研究所，工程師，研究方向為電力智能設備與傳感技術。曾參與多項國家重點研發計劃、國家自然科學基金科技項目，發表多篇EI論文，申請國家發明專利10余項。
導語
本文面對各類電力資產分布分散、亟需在線感知的需求，基于物聯網技術，設計了一款具備感知及數據交互能力的在線感知標簽（eRFID）。eRFID具有離線讀取和在線感知雙重功能，具備標識、定位、位移、傾斜、振動、溫度等多參量感傳一體化特征，基于場-端-云同步數據源構建廣域資產物聯網。
項目研究背景
目前電力系統中廣泛使用RFID來實現電力資產管理，但所使用的RFID標簽是被動的、離線的，需要通過加裝讀寫器或手持機來讀取和寫入相關數據。并且由于RFID標簽存儲區容量小，無法存儲電力資產生產、運輸、倉儲、運維等相關過程的完備信息，因此RFID標簽只能作為設備標識（實物“ID”）使用，并未建立與設備運行狀態的有效聯系。
因此，針對電力資產分布分散、運行環境復雜、工況多變等特點，采用抗金屬RFID技術、物聯網技術、智能感知技術、低功耗技術和高精度室內外定位算法，設計一款在線eRFID感知標簽，支撐電力設備全景在線感知具有重要意義。
論文方法及創新點
首先開展雙通道雙界面超高頻RFID讀寫技術研究，研究超高頻RFID通訊鏈路，研究金屬對RFID天線影響，在此基礎上進行研制RFID抗金屬微帶天線，提升多參量感知標簽現場識讀距離，針對讀寫器對RFID裝置的約束，研究基于IIC串行總線的雙界面讀寫技術，構建數字通道和射頻通道橋接，實現射頻數字雙界面交互，進而研究基于射頻及NB-IoT的雙通道數據交互技術，探索基于雙界面RFID單元的加密驗證技術。
面向現場實際應用，研究微型化多參量感知技術，完成環境溫度度、設備溫度、設備振動等參量全面感知，開展BDS/RFID/BLE感傳一體化技術研究，形成室內外高精度定位算法，進而針對多天線、多器件、多干擾，研究小型化集成化一二次融合設計。
針對現場取電和部署空間約束，研究研究多參量感知標簽低功耗控制技術，研究超低功耗優化算法模型，基于雙界面RFID技術的研究低功耗振動喚醒算法，同時研究高能電池充放電特性，開展高性能供電單元設計研究，進而面向電網實際現場應用完成多參量感知標簽試制和試點運行。
研究方法如圖1。
圖1 課題研究方法

本文創新點：
（1）基于雙界面RFID讀寫單元，提出了多通道雙界面超高頻RFID讀寫技術。多參量感知標簽使用雙界面超高頻讀寫技術，通過I2C接口將RFID單元與NB-IoT單元進行數據交互，使RFID中的數據不需要人員采集即可直接通過NB-IoT網絡發送至數據平臺。提出多層次加密驗證技術，實現多參量感知標簽安全接入。
（2）針對現場復雜電磁、金屬環境，提出了一種抗金屬微帶天線設計方法。深入研究金屬對RFID天線影響基礎上，設計了一種短路線饋電結構，將金屬表面設計為微帶天線的接地平面，從而達到抗金屬的效果，通過測試在電力現場環境下靈敏度為-14dBm，識讀距離為8m，可以達到遠距離識讀要求。
（3）基于BDS/BLE/RFID感傳一體技術，提出室、內外高精度定位方法。研究基于北斗和NB-IoT雙模技術的室外高精度定位設計，針對MCU內存、運算能力和功耗的，提出了一種基于低功耗藍牙技術的加權四邊距定位算法，實現了電力設備位置的就地計算，進而結合多參量傳感，實現電力設備全景感知。
（4）針對現場電力設備功耗約束，提出了一種多參量感知標簽喚醒方法，實現其超低功耗運行，整機系統平均功耗可以低至217.8uW。基于雙界面RFID單元實現虛擬開關，切實解決設備物理開關帶來的防水、防塵等防護問題。
結論
本文設計了一種eRFID在線感知標簽， eRFID在線感知標簽基于射頻識別、北斗定位、多維傳感及安全連接等先進技術，實現電力資產在線物聯。
基于電力資產多維感知技術，通過標識、定位、振動等多參量傳感器，可在標簽內部實現感傳一體，實現電力資產全壽命周期的身份編碼與狀態感知有機結合；通過資產設備標簽內部的大容量存儲，實現設備信息邊緣側存儲，并結合設備地理位置信息在線監測，實現網架結構的在線展示，支撐智慧供應鏈及泛在電力物聯網建設。