劉宇明 李 輝 蘇 進(jìn)

(云南電網(wǎng)公司電力調(diào)度中心,云南 昆明 650011)

1 前 言

隨著電力通信網(wǎng)的不斷擴(kuò)大,通信設(shè)備數(shù)量不斷增加,對(duì)通信設(shè)備巡視檢查,掌握現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備運(yùn)行狀況的信息尤其重要。傳統(tǒng)的人工巡檢方式存在諸多問(wèn)題,主要表現(xiàn)為:

1)人工填寫方式存在人為因素,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整,更新不及時(shí)。

2)無(wú)法對(duì)工作情況進(jìn)行有效監(jiān)管。

3)缺乏強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與決策支持功能。為解決上述問(wèn)題,達(dá)到變電站通信設(shè)備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制管理的目的,使用射頻技術(shù),通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)的所有通信設(shè)備的生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、檢修日期、檢修記錄、巡檢記錄等關(guān)鍵信息寫入安裝在設(shè)備上的射頻標(biāo)簽中,利用無(wú)線閱讀器將讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)有的光纖通訊鏈路和局域網(wǎng)傳輸回來(lái),通過(guò)接口接入到資源管理系統(tǒng)中進(jìn)行顯示,并且根據(jù)不同的權(quán)限對(duì)站內(nèi)的信息進(jìn)行控制,并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程寫入。

2 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù) (RFID),俗稱電子標(biāo)簽。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),可工作于各種環(huán)境。RFID技術(shù)的基本工作原理為:標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后,接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào),憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息,或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào);解讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

相比傳統(tǒng)的條形碼識(shí)別技術(shù),電子標(biāo)簽具有傳輸距離遠(yuǎn)、多標(biāo)簽讀寫、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì),因此無(wú)線射頻技術(shù)比條碼更加適合于變電站通訊設(shè)備的運(yùn)行管理。電子標(biāo)簽分為有源和無(wú)源兩種,有源電子標(biāo)簽又稱主動(dòng)標(biāo)簽,標(biāo)簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給,同時(shí)標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分地轉(zhuǎn)換為電子標(biāo)簽與閱讀器通訊所需的射頻能量。讀/寫距離較遠(yuǎn) (約在 100米至1500米),體積較大,與無(wú)源標(biāo)簽相比成本高,能量耗盡后需更換電池,增加了維護(hù)人員工作量。相比而言,無(wú)源的電子標(biāo)簽更適合應(yīng)用于變電站通信設(shè)備維護(hù),無(wú)源電子標(biāo)簽 (被動(dòng)標(biāo)簽)沒(méi)有內(nèi)裝電池,在閱讀器的讀出范圍之外時(shí),電子標(biāo)簽處于無(wú)源狀態(tài),在閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時(shí),電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。無(wú)源電子標(biāo)簽一般均采用反射調(diào)制方式完成電子標(biāo)簽信息向閱讀器的傳送。在接收到閱讀器發(fā)出的微波信號(hào)后,將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作,一般可做到免維護(hù),成本很低并具有很長(zhǎng)的使用壽命,比主動(dòng)標(biāo)簽更小也更輕,相應(yīng)的射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1米,典型情況為 4到 6米,最大可達(dá) 10米以上。閱讀器天線一般均為定向天線,只有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽可被讀/寫。

基于上述原因,此次設(shè)計(jì)選擇了無(wú)源超高頻電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備信息,工作頻率使用超高頻標(biāo)簽設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的 920MHz,電子標(biāo)簽與閱讀器之間的讀取距離為 10米左右,完全能夠滿足通信機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜間數(shù)據(jù)讀取。并且由于無(wú)源標(biāo)簽體積很小,可以內(nèi)嵌入工業(yè) PDA內(nèi)部,便于運(yùn)維人員作為手持式的移動(dòng)終端使用。

3 模塊設(shè)計(jì)及安裝

電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)主要包括 4個(gè)硬件模塊,分別是電子標(biāo)簽、閱讀器、天線及手持終端。各模塊的作用如下:

1)電子標(biāo)簽:由耦合元件及芯片組成,每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼,安置在設(shè)備上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象,標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)有設(shè)備的相關(guān)信息,并且可以更新。標(biāo)簽采用 2CM＊3CM抗金屬表面滴塑單面背膠封裝,每一個(gè)設(shè)備上粘貼一枚標(biāo)簽。

2)閱讀器:閱讀器通過(guò)無(wú)線方式讀取各設(shè)備電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)的信息。

3)天線:與閱讀器配合使用,增加信號(hào)傳輸?shù)墓β省?/p>

4)手持終端:運(yùn)維人員通過(guò)手持終端實(shí)時(shí)查詢芯片信息,并將巡檢訊息上傳至電子標(biāo)簽芯片上。

無(wú)源的電子標(biāo)簽由定向天線來(lái)進(jìn)行標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取,讀取的范圍是以天線為基點(diǎn)的扇形幅面。為保障天線波幅可以覆蓋全部電子標(biāo)簽,必須為天線的架設(shè)選擇合適的位置。

4 應(yīng)用實(shí)例

經(jīng)過(guò)對(duì)射頻技術(shù)的進(jìn)一步研究,決定用 Zig-Bee技術(shù)取代電子標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ZigBee技術(shù)是 IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞,相比其他射頻通訊技術(shù),ZigBee技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì):

1)低功耗。

2)工作在 20～250 kbps的較低速率,分別提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,完全滿足變電站運(yùn)維管理應(yīng)用需求。

3)相鄰節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離一般介于 10～100 m之間,如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

4)短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快。

5)高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65536個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

相比無(wú)源電子標(biāo)簽,ZigBee節(jié)點(diǎn)是有源標(biāo)簽,使用電池供電,由于功耗低,對(duì)維護(hù)人員增加的工作量很少,成本優(yōu)勢(shì)超越無(wú)源電子標(biāo)簽。由于變電站中每?jī)蓚€(gè)機(jī)柜之間的距離不超過(guò) 10米,所以系統(tǒng)可以選擇任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)連接,通訊轉(zhuǎn)發(fā)功能由 ZigBee的自動(dòng)路由功能解決了,每一個(gè)機(jī)柜上的終端數(shù)據(jù)均可實(shí)時(shí)傳送到系統(tǒng)中。

重要的問(wèn)題是將 ZigBee模塊與手持式的 PDA進(jìn)行整合,形成運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)使用的移動(dòng)式終端。

標(biāo)準(zhǔn)的 Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,根據(jù)功能的不同可以分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò),成為協(xié)調(diào)器或者路由器的子節(jié)點(diǎn)后,可以主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包,也可以詢問(wèn)它的父節(jié)點(diǎn)是否有發(fā)送給它的數(shù)據(jù)包并接收。路由器包含終端節(jié)點(diǎn)的所有功能,此外還可以作為父節(jié)點(diǎn)允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,對(duì)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配,維護(hù)鄰居設(shè)備表等。協(xié)調(diào)器除了包含路由器的所有功能外,還包括創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的功能。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn),上電后根據(jù)地址范圍,加入由數(shù)據(jù)集中器建立的Zigbee網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)集中器作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接受終端節(jié)點(diǎn)加入。

由于在變電站現(xiàn)場(chǎng)并不需要 ZigBee的自動(dòng)路由功能和自愈功能,手持式終端與各機(jī)柜上的ZigBee終端之間是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的單一傳輸模式,所以可以對(duì)其軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化,將手持機(jī)上的 Zig-Bee模塊作為單一的協(xié)調(diào)器來(lái)設(shè)計(jì),這樣就大大降低了手持機(jī)內(nèi)嵌 ZigBee模塊的功耗,使其可以直接嵌入在工業(yè) PDA的內(nèi)部,直接使用 PDA內(nèi)部直供的 3.7V電源。

此外,由于功耗的下降,MCU及外圍電路的尺寸大大降低,可以直接固定在手持機(jī)的內(nèi)部。使用手持機(jī)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員與機(jī)柜上的 ZigBee終端的距離很近,可以把 ZigBee的 1/4波長(zhǎng)天線做成金屬絲天線也安裝在手持機(jī)的內(nèi)部而無(wú)需外引,大大降低了機(jī)械設(shè)計(jì)的難度,整個(gè) ZigBee模塊均被嵌入在 PDA中間。

5 結(jié) 論

在將射頻技術(shù)應(yīng)用于通信設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,先后選取了無(wú)源電子標(biāo)簽和 Zig-Bee兩種方案,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝及實(shí)際需求,最后通過(guò) ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維管理系統(tǒng),成本控制在了最低的范圍,現(xiàn)場(chǎng)安裝極為簡(jiǎn)單,只需將自備電池的 ZigBee終端采用粘貼的方式固定在機(jī)柜上,然后選擇一處供電簡(jiǎn)便、距離網(wǎng)絡(luò)接口近的位置安放 ZigBee的協(xié)調(diào)器即可完成系統(tǒng)的構(gòu)建。通過(guò)對(duì)方案的進(jìn)一步優(yōu)化,可將該系統(tǒng)推廣應(yīng)用于變電站運(yùn)維中。