岳 萍

（1.電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子工程系，四川 成都 610000；2.成都工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，四川 成都 610000）

電力設(shè)備巡檢是確保電力系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的重要工作，以往的人工巡檢方式已經(jīng)逐漸不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、安全、有效的要求。而物聯(lián)網(wǎng)RFID的出現(xiàn)及發(fā)展，為這一訴求提出了很好的解決方案。

RFID射頻識(shí)別技術(shù)，主體包括電子標(biāo)簽和讀卡器兩部分。它們之間不需要接觸，通訊是靠電磁或電感耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在電力巡檢過(guò)程中，采用RFID技術(shù)已經(jīng)逐漸成為主流。但是，就巡檢過(guò)程中的傳輸距離和抗干擾能力分析，未有詳細(xì)的論文進(jìn)行研究總結(jié)。

1 傳輸距離分析

傳輸距離是指讀卡器和電子標(biāo)簽之間的通信距離，其決定因素包括讀寫(xiě)器的發(fā)射功率，天線(xiàn)的性能以及標(biāo)簽的靈敏度，下面分別對(duì)這三點(diǎn)進(jìn)行分析：

1.1 讀寫(xiě)器的發(fā)射功率

目前常用的標(biāo)簽為無(wú)源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽三種。其中無(wú)源標(biāo)簽內(nèi)不含電源，故其通信距離受限制，需較大的功率讀寫(xiě)器，閱讀距離較近；半有源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽內(nèi)部有電池，故可以以較高的發(fā)射功率進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，從而大大提高了傳輸距離。有源標(biāo)簽的電池持續(xù)供電，電池消耗越大，傳輸距離越短，繼而影響系統(tǒng)正常工作，而半有源標(biāo)簽內(nèi)部的電池僅起輔助作用，應(yīng)答器電路能耗較少，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，故壽命更長(zhǎng)，這也成為了RFID的新的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 天線(xiàn)的性能

天線(xiàn)的性能可以從天線(xiàn)的方向性增益、極化方向和天線(xiàn)的波瓣寬度來(lái)分析。

（1）天線(xiàn)的方向性增益越大，其從最大輻射方向上的功率放大越強(qiáng)，該方向上的傳輸距離就越遠(yuǎn).

（2）天線(xiàn)的極化方向：極化方向可以分為直線(xiàn)方向和輻射方向兩種。直線(xiàn)方向的極化可以大大提高傳輸距離。

（3）天線(xiàn)的波瓣寬度：波瓣的寬度越窄，其傳輸?shù)姆较蛐跃驮胶茫瑥亩沟脗鬏斁嚯x就越遠(yuǎn)，缺點(diǎn)是天線(xiàn)的覆蓋范圍也就相對(duì)變小。

1.3 標(biāo)簽的靈敏度

標(biāo)簽的靈敏度越高，傳輸距離越遠(yuǎn)。

在以上三點(diǎn)都確定的情況下，為了提高傳輸距離，就要克服電磁能量在傳輸環(huán)境中的無(wú)效損失，特別是電磁線(xiàn)碰到金屬后轉(zhuǎn)化為電流，會(huì)大大降低可讀距離。如何來(lái)解決這一問(wèn)題，將是提高傳輸距離的一個(gè)研究方向。

2 系統(tǒng)抗干擾分析

RFID系統(tǒng)的抗干擾應(yīng)該從兩方面來(lái)分析，第一方面，是外來(lái)的主觀(guān)惡意干擾，也可以稱(chēng)為系統(tǒng)安全方面，第二方面，是多讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的碰撞干擾。

2.1 安全方面

RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的通信是通過(guò)電磁波的形式進(jìn)行的，屬于非接觸通信。于是安全性方面就存在嚴(yán)重的隱患。這種安全隱患主要包括標(biāo)簽、讀寫(xiě)器以及兩者之間的空中接口三個(gè)部分，其中最主要需要解決的是前端鏈路即讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的通信鏈路的干擾問(wèn)題。

目前可以從兩個(gè)方面對(duì)安全方面的干擾進(jìn)行糾正：一方面是通過(guò)物理方式的安全機(jī)制來(lái)阻止標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行通信，另一方面可以通過(guò)邏輯方法來(lái)提高標(biāo)簽的安全性能。

（1）物理方法

物理方法包括法拉第籠、夾子標(biāo)簽、主動(dòng)干擾法以及天線(xiàn)能量分析法等。這些方法都是從物理方面減小或限定標(biāo)簽的可閱讀區(qū)域，降低其他惡意讀卡的可能性。

（2）邏輯方法

包括訪(fǎng)問(wèn)控制法、認(rèn)證法和加密算法等，這些方法的目的都是為了從訪(fǎng)問(wèn)者身份認(rèn)證層面進(jìn)行控制。

2.2 碰撞干擾

在RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)碰到多個(gè)讀寫(xiě)器和多個(gè)標(biāo)簽分布的情況，他們?cè)诮徊嫱ㄐ胚^(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的交疊碰撞，這也是一種干擾。一般情況下，RFID系統(tǒng)的碰撞分為兩類(lèi)：多標(biāo)簽之間產(chǎn)生的碰撞和多讀寫(xiě)器之間產(chǎn)生的碰撞。

2.2.1 多標(biāo)簽防碰撞

在RFID系統(tǒng)中，通常會(huì)遇到在一個(gè)讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍內(nèi)有多個(gè)標(biāo)簽的情形。當(dāng)這多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)時(shí)，這些數(shù)據(jù)交疊在一起就產(chǎn)生了我們所說(shuō)的多標(biāo)簽碰撞。

解決多標(biāo)簽碰撞的算法很多，下面以三種算法為例進(jìn)行介紹。

（1）面向比特的二進(jìn)制樹(shù)形搜索防碰撞算法

這種算法的原理是基于卡片的曼徹斯特編碼序列號(hào)，該序列號(hào)具有唯一性。依據(jù)這種編碼方式，當(dāng)讀寫(xiě)器接收到標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，就可以判斷通信過(guò)程中是否發(fā)生碰撞以及發(fā)生碰撞的具體位置。

（2）面向時(shí)隙的防沖突機(jī)制

時(shí)隙是個(gè)取值范圍由讀寫(xiě)器指定的序號(hào)。當(dāng)兩張以上標(biāo)簽同時(shí)進(jìn)入讀寫(xiě)器的讀取范圍內(nèi)時(shí)，讀寫(xiě)器向標(biāo)簽發(fā)出呼叫命令，該命令中指定時(shí)隙的范圍，讓標(biāo)簽在這個(gè)指定的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)作為自己的臨時(shí)識(shí)別號(hào)。然后由讀寫(xiě)器開(kāi)始叫號(hào)，叫到則選中，沒(méi)叫到則繼續(xù)，這種方法的缺點(diǎn)就是有可能始終選不出一張卡片。

（3）位和時(shí)隙相結(jié)合的防沖突機(jī)制

這種機(jī)制一方面使得每張標(biāo)簽也有一個(gè)唯一的序列號(hào)，另一方面讀寫(xiě)器也使用時(shí)隙叫號(hào)的方式，只是這里的號(hào)不再是標(biāo)簽隨機(jī)選擇的，而是那個(gè)唯一的序列號(hào)中的一部分。

2.2.2 多讀寫(xiě)器防碰撞

隨著RFID系統(tǒng)大規(guī)模的應(yīng)用，越來(lái)越多的場(chǎng)合需要建構(gòu)RFID讀寫(xiě)器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)視整個(gè)覆蓋的區(qū)域。此時(shí)，多個(gè)讀寫(xiě)器之間的可讀范圍就會(huì)產(chǎn)生重合，從而產(chǎn)生干擾碰撞。解決方法大概分為以下幾種：集中式和分布式、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)算法、實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)算法等，這里不再贅述。

3 傳輸距離與抗干擾的平衡分析

無(wú)線(xiàn)信號(hào)在空中傳輸?shù)膿p耗計(jì)算公式如下所示：

式中Lfs為傳輸損耗，d為傳輸距離，f為頻率。 從式中可以看出，傳輸損耗與頻率成正比。所以說(shuō)，頻率越高，損耗越大。為了提高傳輸距離，就應(yīng)該適當(dāng)提高讀寫(xiě)器的發(fā)射頻率。超高頻的電子標(biāo)簽的頻率可以選擇960MHz和2.4GHz，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)這兩種頻率進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，2.4GHz的傳輸速率高，但是信號(hào)弱，傳輸距離短，容易出現(xiàn)漏卡的現(xiàn)象。

表1 960MHz和2.4GHz的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

在電力巡檢系統(tǒng)中，側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該放在傳輸速率上還是傳輸距離上呢？首先，在巡檢系統(tǒng)中，電力智能模塊有位于低矮處的，也有位于幾米的高處的，那么傳輸距離就是一個(gè)重要指標(biāo)。而在該系統(tǒng)中，往往單次傳送的數(shù)據(jù)量很小，一般1～5秒鐘一次，一次發(fā)送幾個(gè)字節(jié)，持續(xù)時(shí)間約1ms左右，其他時(shí)間均處于休眠狀態(tài)。因此，傳輸速度并不是需要考慮的重點(diǎn)。

另外，由于2.4GHz頻段是不需要許可證的開(kāi)放頻段，因此該頻段內(nèi)開(kāi)發(fā)了許多如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee等無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備。如果電力巡檢系統(tǒng)也采用2.4GHz頻段，則在整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)將會(huì)增加大量移動(dòng)的2.4GHz干擾信號(hào)源，因此應(yīng)當(dāng)慎重考慮2.4GHz射頻卡的使用。

通過(guò)以上分析，對(duì)傳輸距離和抗干擾進(jìn)行平衡分析，得出應(yīng)當(dāng)選用960MHz的超高頻頻段，標(biāo)簽采用半有源標(biāo)簽，采用方向增益大的天線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；軟件上編寫(xiě)合理的防碰撞算法，來(lái)盡量減小不可避免的各類(lèi)干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)基于RFID的電力巡檢系統(tǒng)的傳輸距離的影響因素以及干擾產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終得出了平衡這兩者的最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。