中国电科院张鋆、张明皓等：电力资产在线感知的eRFID标签设计

来源：电气新科技

仝杰，男，工学博士，硕士研究生导师
，中国电科院高级工程师、优秀专家人才
、人工智能所智能传感研究室主任。曾获德意志DAAD-国家留学基金委(CSC)联合奖学金公派留德，长期从事电力物联网与智能传感专业科研、规划、咨询及标准化工作
。主持或作为执行负责人承担国家科技重大专项、国家发改委、国家自然科学基金、国网公司科技项目10余项；授权/公布发明专利30余项
，授权PCT/美国发明专利1项

，发表论文30余篇，主持或参编国行企标10项；最早开展国家电网公司电力物联网及电力无线(虚拟)专网顶层设计，获各级科技奖励8项，获首届中国电科院“创新之星”
。担任中电联EPTC电力信息通信专委会人工智能工作组委员、中国电机工程学会电力通信专委会接入网学组委员
、电力行业信息技术标委会物联网工作组委员。
张鋆，中国电力科学研究院有限公司

，人工智能应用研究所，工程师，研究方向为电力智能设备与传感技术
。曾参与多项包含国家重点研发计划、国家自然科学基金在内的纵横向科技项目
，其中“基于在线感知标签的电力资产物联网”项目入选国网公司“泛在电力物联网建设2019年度最佳实践案例”
，并在国网公司“两会”期间展出。
张明皓，中国电力科学研究院有限公司，人工智能应用研究所，工程师
，研究方向为电力智能设备与传感技术
。曾参与多项国家重点研发计划、国家自然科学基金科技项目
，发表多篇EI论文，申请国家发明专利10余项。
导语
本文面对各类电力资产分布分散、亟需在线感知的需求，基于物联网技术，设计了一款具备感知及数据交互能力的在线感知标签（eRFID）
。eRFID具有离线读取和在线感知双重功能，具备标识、定位、位移、倾斜
、振动、温度等多参量感传一体化特征

，基于场-端-云同步数据源构建广域资产物联网
。
项目研究背景
目前电力系统中广泛使用RFID来实现电力资产管理，但所使用的RFID标签是被动的、离线的
，需要通过加装读写器或手持机来读取和写入相关数据
。并且由于RFID标签存储区容量小，无法存储电力资产生产、运输、仓储
、运维等相关过程的完备信息，因此RFID标签只能作为设备标识（实物“ID”）使用，并未建立与设备运行状态的有效联系。
因此
，针对电力资产分布分散、运行环境复杂
、工况多变等特点，采用抗金属RFID技术
、物联网技术、智能感知技术、低功耗技术和高精度室内外定位算法，设计一款在线eRFID感知标签
，支撑电力设备全景在线感知具有重要意义
。
论文方法及创新点
首先开展双通道双界面超高频RFID读写技术研究，研究超高频RFID通讯链路，研究金属对RFID天线影响，在此基础上进行研制RFID抗金属微带天线

，提升多参量感知标签现场识读距离，针对读写器对RFID装置的约束，研究基于IIC串行总线的双界面读写技术
，构建数字通道和射频通道桥接

，实现射频数字双界面交互
，进而研究基于射频及NB-IoT的双通道数据交互技术，探索基于双界面RFID单元的加密验证技术
。
面向现场实际应用，研究微型化多参量感知技术，完成环境温度度、设备温度、设备振动等参量全面感知，开展BDS/RFID/BLE感传一体化技术研究，形成室内外高精度定位算法，进而针对多天线、多器件
、多干扰，研究小型化集成化一二次融合设计。
针对现场取电和部署空间约束，研究研究多参量感知标签低功耗控制技术
，研究超低功耗优化算法模型
，基于双界面RFID技术的研究低功耗振动唤醒算法，同时研究高能电池充放电特性
，开展高性能供电单元设计研究，进而面向电网实际现场应用完成多参量感知标签试制和试点运行。
研究方法如图1
。
图1 课题研究方法

本文创新点
：
（1）基于双界面RFID读写单元，提出了多通道双界面超高频RFID读写技术。多参量感知标签使用双界面超高频读写技术

，通过I2C接口将RFID单元与NB-IoT单元进行数据交互，使RFID中的数据不需要人员采集即可直接通过NB-IoT网络发送至数据平台。提出多层次加密验证技术
，实现多参量感知标签安全接入。
（2）针对现场复杂电磁
、金属环境，提出了一种抗金属微带天线设计方法。深入研究金属对RFID天线影响基础上
，设计了一种短路线馈电结构

，将金属表面设计为微带天线的接地平面，从而达到抗金属的效果，通过测试在电力现场环境下灵敏度为-14dBm
，识读距离为8m
，可以达到远距离识读要求
。
（3）基于BDS/BLE/RFID感传一体技术
，提出室、内外高精度定位方法。研究基于北斗和NB-IoT双模技术的室外高精度定位设计

，针对MCU内存、运算能力和功耗的，提出了一种基于低功耗蓝牙技术的加权四边距定位算法
，实现了电力设备位置的就地计算，进而结合多参量传感
，实现电力设备全景感知。
（4）针对现场电力设备功耗约束，提出了一种多参量感知标签唤醒方法，实现其超低功耗运行，整机系统平均功耗可以低至217.8uW。基于双界面RFID单元实现虚拟开关，切实解决设备物理开关带来的防水
、防尘等防护问题。
结论
本文设计了一种eRFID在线感知标签， eRFID在线感知标签基于射频识别
、北斗定位、多维传感及安全连接等先进技术，实现电力资产在线物联。
基于电力资产多维感知技术
，通过标识
、定位、振动等多参量传感器，可在标签内部实现感传一体，实现电力资产全寿命周期的身份编码与状态感知有机结合；通过资产设备标签内部的大容量存储，实现设备信息边缘侧存储
，并结合设备地理位置信息在线监测
，实现网架结构的在线展示，支撑智慧供应链及泛在电力物联网建设。