摘要：射频识别技术已经被广泛地应用到各行各业。在电力设备故障检测中，由于部分电气设备测温困难，提出一种将温度传感器嵌入到标签测温的方法。本文以RFID技术为立足点，分析该技术的原理及测温系统的结构，针对测温过程中存在的多标签碰撞与安全等级较低等问题，改进了基于查询树的防碰撞算法并建立RFID关键密钥交换协议。
1电力设备温度检测
电力设备在出现故障时，通常会伴随温度的异常变化。因此，对电力设备的温度监测是电力设备安全监控最为有效、经济的方式，对电力设备的安全运行具有重大意义。
随着泛在电力物联网的稳步推进，配电设备的可靠性直接影响配电网电力系统正常运行，乃至影响到整个电力系统。电力设备在出现故障时，通常会伴随温度的异常变化。对电力设备的温度监测是电力设备安全监控最为有效、经济的方式。
目前配电设备常用的测温方法有红外测温[1]、无线测温有源技术。红外测温[2]是通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图，实现大范围的，物体表面的温度测量，；有源无线测温技术的测温范围在-50℃~127℃，精度较高，能够实现点温测量；目前的测温技术仍存在一些不容忽视的问题，如：（1）受光亮或抛光金属表面影响较大，影响测量结果；（2）采用电池供电，使用寿命有限，易发生电解液泄漏，造成安全问题；（3）在恶劣环境与狭小的空间环境测温困难。
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图1RFID系统构建
射频识别技术(RFID)[3]，是一种新兴自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。为电力设备内部及红外测温无法覆盖区域的温度监测提供了最优解决方案。同时也为电力设备的温度检测系统构建提供了新的思路。
2基于RFID温度检测系统构建
RFID系统有两个基本器件：一个询问器(或阅读器)和几个应答器(或标签)。无线无源传感器，部署灵活，各传感器具有唯一ID，传感器通过ID识别，不存在部署数量限制的缺陷。无源芯片传感技术，突破当前各类电力设备温度监测技术存在的局限性，通过将温度传感器嵌入到超高频射频标签内，在同一芯片内实现“温度感知”和“射频识别技术”的融合，在进行温度检测时，将标签安放在电力设备表面。当高压开关柜、环网柜、电容器组等设备出现故障时，标签内置的温度传感器检测到温度的变化，通过电磁波耦合及反向散射将温度信息发送到阅读器，最后通过终端软件对所发生故障进行评估。布局方式如下：
由于RFID电子标签芯片为无源方式，需要通过天线从电磁场中感应电压供内部电路使用。因此，对于无源RFID标签芯片的低功耗研究尤为重要，下图为标签的低功耗设计：
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图2标签的低功耗设计
基于RFID设备测温[4]的优点有：（1）能够节省大量的更换成本；不需要供电电源，可以节省维护成本；（2）标签完全密封，因而具有良好的防水、防尘、防污损、防磁、防静电等性能，能适合在温、湿度变化大、灰尘多、难以保持卡面清洁的恶劣环境条件下工作；（3）不受尺寸大小和形状之限制，可以制备成小型化和多样化的形状，以配合应用于不同场合，不对设备产生损伤[5]。
但是，由于电力系统中需要监测的故障点过多，标签数量过于密集，来自多个标签的同时查询响应会导致显著的标签冲突，造成RFID阅读器与电子标签的数据信息交换发生不可预知的丢失与错误。另外，在传送温度信息的过程中，会存在信息泄露，非法入侵等问题，数据传输的安全性对于RFID系统也是不可忽视的。
3RFID系统的优化方案
针对在电力测温中RFID系统存在的问题，下面提出两种优化方案：
3.1RFID系统的防碰撞算法
在RFID应用系统的一个阅读器的天线作用范围内，常常同时存在多个标签，当阅读器发出查询命令后，往往会引起多个标签同时响应，这些响应信息在共享的无线信道上发生碰撞，使响应信号难以被阅读器辨认，从而引起多标签碰撞。阅读器为完成对所有标签的识别，应将这些发生碰撞的标签区分开来，再与它们逐个通信，阅读器完成这些工作所使用的算法就是多标签防碰撞算法。
常见的防碰撞算法有两种：①基于Aloha的算法，又称为随机性算法；②基于树的算法，又称为确定性算法[6]。
表1两种防碰撞算法特点
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在RFID系统中，由于每个标签都由ID区分开来，所以一般采用防止标签冲突的查询树算法，这种算法是由跟踪元技术发展而来，可以直接检测到碰撞元的位置。但是当标签数量过大时，标签之间的反向散射链路频率存在较大偏差，会导致这种算法的准确度下降。
在优化的二进制树分裂算法中，减少分割子集的时间可以显著地提高该算法的性能。本算法首先设置了标签冲突的阈值，其次设置空闲槽检测机制，当连续碰撞的标签数量超过阈值时，系统首先检测空闲槽的状态，若空闲槽过多，就将存在冲突的子集引入空闲槽处理；若空闲槽数量过大导致浪费，那么空闲槽检测机制就会减少槽的数量，以达到最高的利用率，减少分割子集的时间。
3.2建立RFID关键密钥交换协议
密钥建立过程就是在两个或多个参与方之间建立共享密钥，以便后续数据加密使用。安全协议是以密码学为基础的消息交换协议，其目的是在网络环境中提供各种安全服务。安全协议是网络安全的一个重要组成部分，我们需要通过安全协议进行实体之间的认证、在实体之间安全地分配密钥或其它各种秘密、确认发送和接收的消息的非否认性等，也是建立在密码体制基础上的一种交互通信协议，它运用密码算法和协议逻辑来实现认证和密钥分配等目标。
4结语
在RFID技术测温的背景下，利用这一技术测温的优势，将温度传感器嵌入到RFID系统中，可以适应大部分恶劣的测温条件，对难以测量温度的部分电力设备也有稳定的测量性能。分析RFID测温系统的结构特点，在带来方便性和可靠性的同时，系统本身依旧存在一些问题，对防碰撞协议的优化及安全性的提高分别给出了解决方案。
参考文献
[1]红外热成像技术在电力系统设备故障检测中的应用研究,林群武,安徽理工大学,2016,TM507
[2]红外诊断技术在电气设备状态检测中的研究与应用,李德刚，山东大学,2010,TM507;TN219
[3] Abductive reasoning network based diagnosis system for fault section estimation in power systems. Yann-Chang Huang. Power Delivery, IEEE Transactions on . 2002
[4]射频识别技术在高速公路收费系统中的应用，俞杰，李因易，宋麟钰，信息与电脑（理论版）,2019,U495;TP391.44
[5]基于RFID技术的高压开关柜无线无源测温系统简介,任刚,张鑫,许翔，中国新通信,2019,TM591;TP391.44
[6]计算机网络安全基础[M].北京：清华大学出版社,2016.03.
论文作者:钱喜鹤1,邵叶晨2,郭强3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/13
标签：测温论文; 标签论文; 算法论文; 温度论文; 电力设备论文; 技术论文; 无源论文; 《基层建设》2019年第29期论文;