團(tuán)隊(duì)介紹

仝杰，男，工學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師，中國(guó)電科院高級(jí)工程師、優(yōu)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(guó)家留學(xué)基金委(CSC)聯(lián)合獎(jiǎng)學(xué)金公派留德，長(zhǎng)期從事電力物聯(lián)網(wǎng)與智能傳感專業(yè)科研、規(guī)劃、咨詢及標(biāo)準(zhǔn)化工作。主持或作為執(zhí)行負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目10余項(xiàng)；授權(quán)/公布發(fā)明專利30余項(xiàng)，授權(quán)PCT/美國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇，主持或參編國(guó)行企標(biāo)10項(xiàng)；最早開展國(guó)家電網(wǎng)公司電力物聯(lián)網(wǎng)及電力無線(虛擬)專網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)，獲各級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)8項(xiàng)，獲首屆中國(guó)電科院“創(chuàng)新之星”。擔(dān)任中電聯(lián)EPTC電力信息通信專委會(huì)人工智能工作組委員、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力通信專委會(huì)接入網(wǎng)學(xué)組委員、電力行業(yè)信息技術(shù)標(biāo)委會(huì)物聯(lián)網(wǎng)工作組委員。

張鋆，中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，人工智能應(yīng)用研究所，工程師，研究方向?yàn)殡娏χ悄茉O(shè)備與傳感技術(shù)。曾參與多項(xiàng)包含國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金在內(nèi)的縱橫向科技項(xiàng)目，其中“基于在線感知標(biāo)簽的電力資產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目入選國(guó)網(wǎng)公司“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)2019年度最佳實(shí)踐案例”，并在國(guó)網(wǎng)公司“兩會(huì)”期間展出。

張明皓，中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，人工智能應(yīng)用研究所，工程師，研究方向?yàn)殡娏χ悄茉O(shè)備與傳感技術(shù)。曾參與多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金科技項(xiàng)目，發(fā)表多篇EI論文，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng)。

導(dǎo)語(yǔ)

本文面對(duì)各類電力資產(chǎn)分布分散、亟需在線感知的需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款具備感知及數(shù)據(jù)交互能力的在線感知標(biāo)簽（eRFID）。eRFID具有離線讀取和在線感知雙重功能，具備標(biāo)識(shí)、定位、位移、傾斜、振動(dòng)、溫度等多參量感傳一體化特征，基于場(chǎng)-端-云同步數(shù)據(jù)源構(gòu)建廣域資產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)。

項(xiàng)目研究背景

目前電力系統(tǒng)中廣泛使用RFID來實(shí)現(xiàn)電力資產(chǎn)管理，但所使用的RFID標(biāo)簽是被動(dòng)的、離線的，需要通過加裝讀寫器或手持機(jī)來讀取和寫入相關(guān)數(shù)據(jù)。并且由于RFID標(biāo)簽存儲(chǔ)區(qū)容量小，無法存儲(chǔ)電力資產(chǎn)生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)維等相關(guān)過程的完備信息，因此RFID標(biāo)簽只能作為設(shè)備標(biāo)識(shí)（實(shí)物“ID”）使用，并未建立與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有效聯(lián)系。

因此，針對(duì)電力資產(chǎn)分布分散、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、工況多變等特點(diǎn)，采用抗金屬RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能感知技術(shù)、低功耗技術(shù)和高精度室內(nèi)外定位算法，設(shè)計(jì)一款在線eRFID感知標(biāo)簽，支撐電力設(shè)備全景在線感知具有重要意義。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

首先開展雙通道雙界面超高頻RFID讀寫技術(shù)研究，研究超高頻RFID通訊鏈路，研究金屬對(duì)RFID天線影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研制RFID抗金屬微帶天線，提升多參量感知標(biāo)簽現(xiàn)場(chǎng)識(shí)讀距離，針對(duì)讀寫器對(duì)RFID裝置的約束，研究基于IIC串行總線的雙界面讀寫技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字通道和射頻通道橋接，實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字雙界面交互，進(jìn)而研究基于射頻及NB-IoT的雙通道數(shù)據(jù)交互技術(shù)，探索基于雙界面RFID單元的加密驗(yàn)證技術(shù)。

面向現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，研究微型化多參量感知技術(shù)，完成環(huán)境溫度度、設(shè)備溫度、設(shè)備振動(dòng)等參量全面感知，開展BDS/RFID/BLE感傳一體化技術(shù)研究，形成室內(nèi)外高精度定位算法，進(jìn)而針對(duì)多天線、多器件、多干擾，研究小型化集成化一二次融合設(shè)計(jì)。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取電和部署空間約束，研究研究多參量感知標(biāo)簽低功耗控制技術(shù)，研究超低功耗優(yōu)化算法模型，基于雙界面RFID技術(shù)的研究低功耗振動(dòng)喚醒算法，同時(shí)研究高能電池充放電特性，開展高性能供電單元設(shè)計(jì)研究，進(jìn)而面向電網(wǎng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用完成多參量感知標(biāo)簽試制和試點(diǎn)運(yùn)行。

研究方法如圖1。

圖1 課題研究方法

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

（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(shù)。多參量感知標(biāo)簽使用雙界面超高頻讀寫技術(shù)，通過I2C接口將RFID單元與NB-IoT單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使RFID中的數(shù)據(jù)不需要人員采集即可直接通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)平臺(tái)。提出多層次加密驗(yàn)證技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多參量感知標(biāo)簽安全接入。

（2）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁、金屬環(huán)境，提出了一種抗金屬微帶天線設(shè)計(jì)方法。深入研究金屬對(duì)RFID天線影響基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種短路短截線饋電結(jié)構(gòu)，將金屬表面設(shè)計(jì)為微帶天線的接地平面，從而達(dá)到抗金屬的效果，通過測(cè)試在電力現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下靈敏度為-14dBm，識(shí)讀距離為8m，可以達(dá)到遠(yuǎn)距離識(shí)讀要求。

（3）基于BDS/BLE/RFID感傳一體技術(shù)，提出室、內(nèi)外高精度定位方法。研究基于北斗和NB-IoT雙模技術(shù)的室外高精度定位設(shè)計(jì)，針對(duì)MCU內(nèi)存、運(yùn)算能力和功耗的限值，提出了一種基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)的加權(quán)四邊距定位算法，實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)備位置的就地計(jì)算，進(jìn)而結(jié)合多參量傳感，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備全景感知。

（4）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備功耗約束，提出了一種多參量感知標(biāo)簽喚醒方法，實(shí)現(xiàn)其超低功耗運(yùn)行，整機(jī)系統(tǒng)平均功耗可以低至217.8uW?；陔p界面RFID單元實(shí)現(xiàn)虛擬開關(guān)，切實(shí)解決設(shè)備物理開關(guān)帶來的防水、防塵等防護(hù)問題。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種eRFID在線感知標(biāo)簽， eRFID在線感知標(biāo)簽基于射頻識(shí)別、北斗定位、多維傳感及安全連接等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力資產(chǎn)在線物聯(lián)。

基于電力資產(chǎn)多維感知技術(shù)，通過標(biāo)識(shí)、定位、振動(dòng)等多參量傳感器，可在標(biāo)簽內(nèi)部實(shí)現(xiàn)感傳一體，實(shí)現(xiàn)電力資產(chǎn)全壽命周期的身份編碼與狀態(tài)感知有機(jī)結(jié)合；通過資產(chǎn)設(shè)備標(biāo)簽內(nèi)部的大容量存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息邊緣側(cè)存儲(chǔ)，并結(jié)合設(shè)備地理位置信息在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的在線展示，支撐智慧供應(yīng)鏈及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

引用本文

張鋆, 張明皓, 仝杰, 李蕩, 雷煜卿, 張樹華. 用于電力資產(chǎn)在線感知的eRFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(11): 2296-2305. Zhang Jun, Zhang Minghao, Tong Jie, Li Dang, Lei Yuqing, Zhang Shuhua. A eRFID Tag Design for Online Perception of Power Assets. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(11): 2296-2305.