魯 然，徐永進(jìn)，黃小瓊，宋 磊，江 嵐，武占河，石金保

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，杭州 311100；2.華立科技股份有限公司，杭州 310023）

0 引言

電力系統(tǒng)中的電能采集終端設(shè)備，用于采集區(qū)域電能表信息，采集終端正常運(yùn)行是保障電力用戶信息順利采集的前提，因此準(zhǔn)確掌握采集終端的技術(shù)指標(biāo)、適應(yīng)環(huán)境類型、機(jī)械性能等信息，合理維護(hù)與使用采集終端設(shè)備是十分關(guān)鍵的[1]。為解決數(shù)據(jù)采集成功率低、采集靈敏度差的問(wèn)題，電能終端數(shù)據(jù)采集方法成為相關(guān)學(xué)者當(dāng)前的重點(diǎn)研究課題。

目前，已有學(xué)者對(duì)電能終端數(shù)據(jù)采集方法開(kāi)展研究。文獻(xiàn)[2]提出基于RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)的智能電能表全壽命管理系統(tǒng)，引用RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電能表檢測(cè)、抄讀等功能，并搭建云平臺(tái)管理系統(tǒng)，完成電能終端的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理。該方法能夠輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、管理及分析等功能，但未考慮多電能終端存在的情況，難以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)采集，且成功率較低。文獻(xiàn)[3]提出基于RFID 數(shù)據(jù)終端的電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)，采用RFID 標(biāo)簽識(shí)讀技術(shù)采集數(shù)據(jù)，完成了手持式電力設(shè)備運(yùn)行巡檢管理終端設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)硬件部分輕便靈活、攜帶方便，采集信息準(zhǔn)確可靠，便于管理，但該方法標(biāo)簽數(shù)據(jù)的碰撞概率較高，導(dǎo)致靈敏度較低。

根據(jù)上述分析，多電能終端數(shù)據(jù)的同時(shí)采集和避免標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞是當(dāng)前電能終端數(shù)據(jù)采集方法急需解決的問(wèn)題，因此提出基于RFID 射頻收發(fā)電路優(yōu)化的采集終端全壽命溯源技術(shù)。電能采集終端全壽命溯源技術(shù)是一種監(jiān)管電能采集設(shè)備的科技化手段，是未來(lái)電能設(shè)備信息監(jiān)督與管理的主流方向。RFID 技術(shù)是一種自動(dòng)識(shí)別對(duì)象信息的新型數(shù)據(jù)通信技術(shù)。優(yōu)化射頻收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)采集目標(biāo)的同時(shí)溯源[4-5]，為電能采集終端設(shè)置多個(gè)RFID 標(biāo)簽，內(nèi)容包括技術(shù)指標(biāo)、機(jī)械性能、適應(yīng)環(huán)境、功能要求、電氣性能等，并將標(biāo)簽編碼，是實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵。但是，避免標(biāo)簽碰撞是核心問(wèn)題，只有避免多目標(biāo)碰撞，才能保證用戶通過(guò)溯源服務(wù)端即可查詢電能采集終端的全壽命使用信息。

1 RFID 射頻多標(biāo)簽收發(fā)電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 多目標(biāo)標(biāo)簽的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于RFID 射頻收發(fā)電路優(yōu)化中，多標(biāo)簽選取是核心問(wèn)題，選取的標(biāo)簽以及各個(gè)標(biāo)簽的計(jì)算關(guān)系，如圖1 所示。

首先借鑒分布式系統(tǒng)的框架構(gòu)成，構(gòu)建分布式溯源數(shù)據(jù)庫(kù)指標(biāo)標(biāo)簽，包含服務(wù)器、數(shù)據(jù)模塊以及網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施等；溯源數(shù)據(jù)庫(kù)下設(shè)溯源數(shù)據(jù)交換服務(wù)單元、使用過(guò)程監(jiān)管單元以及公眾溯源服務(wù)單元等相關(guān)標(biāo)簽信息[6]；在溯源數(shù)據(jù)交換服務(wù)中設(shè)置SaaS（軟件服務(wù)化）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)私有化系統(tǒng)接入功能。電能采集終端全壽命溯源技術(shù)后期可融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合多標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)，整合電能采集終端使用的標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，支持溯源門戶服務(wù)端、移動(dòng)APP 服務(wù)端等多類型終端服務(wù)[7]，向監(jiān)管部門、生產(chǎn)部門以及使用企業(yè)提供全面、可靠的電能采集終端全壽命溯源信息，相關(guān)標(biāo)簽信息形成較為穩(wěn)定的邏輯關(guān)系。

圖1 多標(biāo)簽的邏輯關(guān)系

1.2 多標(biāo)簽RFID 讀寫器射頻收發(fā)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上文可知，在多標(biāo)簽信息采集中，RFID讀寫器是溯源系統(tǒng)中的核心部分，其原理是通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別信號(hào)獲取溯源目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)物體的溯源識(shí)別。本文通過(guò)對(duì)射頻收發(fā)電路的優(yōu)化，使RFID 讀寫器可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)RFID 標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)多個(gè)電能用戶端的實(shí)時(shí)、自動(dòng)溯源。

1.2.1 多標(biāo)簽讀寫器與電子標(biāo)簽的通信邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多標(biāo)簽電子標(biāo)簽與讀寫器是RFID 技術(shù)溯源電能采集終端信息的主要構(gòu)成，二者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通信邏輯關(guān)系如圖2 所示。

讀寫器讀取電子標(biāo)簽內(nèi)容時(shí)，首先向電子標(biāo)簽發(fā)射一定頻率的無(wú)線電波能量，電子標(biāo)簽接觸發(fā)射天線生成感應(yīng)電流激發(fā)能量[8]。然后電子標(biāo)簽經(jīng)內(nèi)部發(fā)射天線將數(shù)據(jù)編碼傳輸至外部，即向系統(tǒng)天線發(fā)射載波信號(hào)，讀寫器接收載波信號(hào)后解調(diào)，得到電能采集終端的信息數(shù)據(jù)[9]。最后讀寫器將數(shù)據(jù)傳遞至RFID 終端程序讀取并處理。因此，從圖2 可以看出，如果要實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽讀取，射頻收發(fā)電路是關(guān)鍵。

1.2.2 多標(biāo)簽射頻收發(fā)電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖2 RFID 技術(shù)通信邏輯結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集目標(biāo)同時(shí)溯源，對(duì)RFID 讀寫器的射頻收發(fā)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。讀寫器必須持續(xù)對(duì)電子標(biāo)簽供電才符合EPC C1 Gen2 的協(xié)議要求，在設(shè)計(jì)讀寫器射頻電路時(shí)，需要2 片CC1100 芯片，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收[10]。為持續(xù)向電子標(biāo)簽供電，接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)采用同一根天線。

濾波電路向兩級(jí)放大電路輸送信號(hào)，信號(hào)被放大后傳輸至天線。CC1100 芯片發(fā)射功率上限不符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，所以增設(shè)外部功放功能，實(shí)現(xiàn)方式為：為射頻收發(fā)電路設(shè)置兩極放大結(jié)構(gòu)，前級(jí)功放采用放大倍數(shù)恒定、工作頻率為1 100 MHz～2.8 GHz 的線性放大器，型號(hào)為AD8353，若要得到20 dB 的增益，相應(yīng)的運(yùn)行頻率需在900 MHz 頻段；后級(jí)功放通過(guò)MAAP-007649-000100功放器件實(shí)現(xiàn)最大線性輸出功率為2 W 的目標(biāo)，器件增益達(dá)到19 dB，器件的工作頻率區(qū)間為820 MHz～1 000 MHz。圖3 是工作頻率為915 MHz 時(shí)CC1100 芯片射頻收發(fā)電路圖。

如圖3 所示，通過(guò)電路中的兩極放大結(jié)構(gòu)，能夠使RFID 讀寫器同時(shí)采集多個(gè)終端的電力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集目標(biāo)同時(shí)溯源。

1.3 多RFID 標(biāo)簽防碰撞算法設(shè)計(jì)

1.3.1 電子射頻標(biāo)簽編碼編寫

圖3 CC1100 芯片射頻收發(fā)電路圖

電能采集終端從投入使用時(shí)便安裝RFID 溯源標(biāo)簽，在使用的各個(gè)階段不斷寫入相關(guān)信息，可追溯采集終端的全壽命信息。采集終端的監(jiān)管者以及相關(guān)管理人員可根據(jù)要求查詢RFID 標(biāo)簽信息，全面掌握采集終端的使用年限等信息[11]。此次設(shè)計(jì)的專變采集終端、RFID 電子標(biāo)簽編碼為10 進(jìn)制，共計(jì)20 位，編碼內(nèi)容如下：采集終端的技術(shù)指標(biāo)為標(biāo)簽編碼的1—6 位，功能要求、電氣性能分別體現(xiàn)在編碼的7—8 位、9—10 位；11—14 位、15—18 位編碼分別表示采集終端的機(jī)械性能與質(zhì)量管理，采集終端的產(chǎn)品則采用編碼的后兩位表示。

1.3.2 RFID 碰撞成因分析

RFID 多標(biāo)簽信號(hào)識(shí)別與處理可通過(guò)防碰撞技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是RFID 技術(shù)的重要功能。標(biāo)簽識(shí)別具有全球信息唯一性，讀取和識(shí)別標(biāo)簽的唯一信息是RFID 技術(shù)完成電能采集終端溯源的最終目標(biāo)，由此分析附帶標(biāo)簽的采集終端的信息與身份，對(duì)應(yīng)處理其數(shù)據(jù)[12]。射頻區(qū)存在單個(gè)標(biāo)簽與多個(gè)標(biāo)簽的讀寫處理方式有所差異，直接讀寫只適用于射頻區(qū)存在一個(gè)標(biāo)簽的情況；當(dāng)射頻區(qū)存在多個(gè)標(biāo)簽時(shí)容易發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，即多個(gè)標(biāo)簽均會(huì)應(yīng)答讀寫器發(fā)出的信號(hào)，彼此干擾，導(dǎo)致讀寫器讀寫失敗。

1.3.3 防碰撞算法設(shè)計(jì)

采集終端使用壽命較長(zhǎng)、包含信息類型廣、數(shù)據(jù)規(guī)模大，所以采集終端的全壽命溯源應(yīng)采用多個(gè)電子標(biāo)簽，并具備防碰撞功能[13]。為此設(shè)計(jì)自適應(yīng)多叉樹(shù)防碰撞算法實(shí)現(xiàn)電能采集終端的防碰撞。算法高效率運(yùn)行的前提是可基于分支標(biāo)簽數(shù)量自適應(yīng)獲取搜索叉數(shù)。采集終端的RFID 系統(tǒng)應(yīng)用曼徹斯特編碼便于讀取全部碰撞位信息[14-21]。多叉樹(shù)算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)防碰撞過(guò)程中并不是全部碰撞信息都被利用，如：二叉樹(shù)搜索算法只使用第一位碰撞位信息，四叉樹(shù)算法只使用前兩位碰撞位信息。碰撞位數(shù)與標(biāo)簽數(shù)量成正比，碰撞位占全部比特位概率隨標(biāo)簽數(shù)量的增加而增大?；谏鲜龇治龆x碰撞因子，最大化利用碰撞位信息。

碰撞因子如式（1）所示，即碰撞比特與標(biāo)簽響應(yīng)比特位的比值：

式中：λ 為碰撞因子；nc為時(shí)隙內(nèi)碰撞比特；n 為標(biāo)簽響應(yīng)比特位。

待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)據(jù)即為碰撞因子內(nèi)容。定義傳統(tǒng)中符合查詢標(biāo)準(zhǔn)的待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量為N，標(biāo)簽響應(yīng)長(zhǎng)度為n 比特，隨機(jī)比特有可能不產(chǎn)生碰撞，所以得到：

由公式（2）可知，標(biāo)簽數(shù)量與碰撞因子成正比，標(biāo)簽數(shù)量增加或減少時(shí)，碰撞因子隨之升高或降低，證明帶識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量信息包含在碰撞因子內(nèi)。

若存在N 個(gè)待識(shí)別標(biāo)簽，標(biāo)簽識(shí)別概率v（1）=（1-1/B）N-1時(shí)的系統(tǒng)叉數(shù)是B、搜索深度是1；識(shí)別概率為v（k）=[1-v（1）]k-1時(shí)的搜索深度是k。此時(shí)需搜索的平均深度為：

由于1-v（1）＜1，基于等比數(shù)列得到求和方法為：

所需時(shí)隙數(shù)均值為：

二叉樹(shù)、四叉樹(shù)、八叉樹(shù)搜索所需的時(shí)隙數(shù)均值，分別用T2，T4，T8表示：

由式（8）—（10）可知：僅對(duì)比二叉樹(shù)與四叉樹(shù)，若N＞3，四叉樹(shù)優(yōu)于二叉樹(shù)；僅對(duì)比四叉樹(shù)與八叉樹(shù)，若N≥5，八叉樹(shù)優(yōu)于四叉樹(shù)，結(jié)合式（2）選取碰撞因子為：

2 技術(shù)測(cè)試

2.1 測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建

測(cè)試在某電力公司展開(kāi)，選取該電力公司的20 個(gè)電能采集終端及其電子射頻標(biāo)簽作為測(cè)試對(duì)象，采集標(biāo)簽樣本待使用。電能采集終端溯源測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為Microsoft SQL Server 2016，采用C# 編程語(yǔ)言研發(fā)本文提出的溯源技術(shù)。電能標(biāo)簽采集終端測(cè)試流程如圖4 所示。

在PC 機(jī)中運(yùn)行溯源后臺(tái)服務(wù)程序，測(cè)試采用的PC 機(jī)以及相關(guān)硬件設(shè)施信息如表1 所示。

2.2 RFID 標(biāo)簽的防碰撞技術(shù)測(cè)試

測(cè)試本文設(shè)計(jì)RFID 標(biāo)簽的防碰撞功能，基于20 個(gè)電能采集終端RFID 標(biāo)簽樣本測(cè)試防碰撞算法的運(yùn)行性能。采用文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法作為對(duì)比，對(duì)比3 個(gè)方法的碰撞概率、時(shí)隙數(shù)情況，驗(yàn)證電力數(shù)據(jù)采集靈敏度，結(jié)果如表2 與表3 所示。

圖4 電能標(biāo)簽采集終端測(cè)試流程

表1 測(cè)試硬件設(shè)施配置

表2 碰撞概率對(duì)比

表3 時(shí)隙數(shù)對(duì)比

表2 與表3 數(shù)據(jù)顯示，采集終端的標(biāo)簽數(shù)量不斷提升，防碰撞算法的碰撞概率與時(shí)隙數(shù)也隨之增加，文獻(xiàn)[3]方法的平均碰撞概率為34.4%，文獻(xiàn)[2]方法的平均碰撞概率為31%，而本文方法的平均碰撞概率為22.2%。由此可知，文獻(xiàn)[3]方法的碰撞概率最高，文獻(xiàn)[2]方法的碰撞概率次之，而本文設(shè)計(jì)的防碰撞算法的碰撞概率最低，說(shuō)明算法增加自適應(yīng)環(huán)節(jié)后顯著減少了多個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的碰撞，降低了標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取與寫入的干擾，提高了電力數(shù)據(jù)采集的靈敏度，用戶可獲取準(zhǔn)確、全面的電能采集終端全壽命信息。同時(shí)，隨著采集終端的標(biāo)簽數(shù)量不斷增加，文獻(xiàn)[3]方法的平均時(shí)隙數(shù)為2 124，文獻(xiàn)[2]方法的平均時(shí)隙數(shù)為2 227，而本文方法的平均時(shí)隙數(shù)為1 818。由此可知，文獻(xiàn)[2]方法時(shí)隙數(shù)最高，文獻(xiàn)[3]方法時(shí)隙數(shù)次之，而本文設(shè)計(jì)算法的時(shí)隙數(shù)最低，說(shuō)明算法采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)優(yōu)化射頻收發(fā)電路，使RFID 讀寫器同時(shí)識(shí)別多個(gè)RFID 標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集目標(biāo)同時(shí)溯源。本文采用的自適應(yīng)多叉樹(shù)防碰撞算法提升了時(shí)隙利用率，改善了RFID 射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)防碰撞效果。

2.3 采集速度分析

設(shè)置1 000 個(gè)電能采集終端，分別采用文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法和本文方法測(cè)試采集速度。讀取過(guò)程中RFID 讀寫器的載波信號(hào)如圖5 所示。

圖5 RFID 讀寫器的載波信號(hào)

測(cè)試3 種方法同時(shí)采集1 000 個(gè)電能采集終端數(shù)據(jù)的速度，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 3 種方法的采集速度對(duì)比

通過(guò)圖6 能夠看出，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]方法的采集速度隨著電能采集終端個(gè)數(shù)的增加而大幅增加，當(dāng)采集終端個(gè)數(shù)達(dá)到1 000 個(gè)時(shí)，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]方法的采集速度分別為240 個(gè)/s 和215 個(gè)/s。而本文方法的采集速度較為平穩(wěn)，不會(huì)隨著采集終端個(gè)數(shù)的增加而產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，采集終端為1 000 個(gè)/s 時(shí)，本文方法的采集速度為75 個(gè)/s。

2.4 電力數(shù)據(jù)采集成功率分析

在此基礎(chǔ)上，分別采用文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法和本文方法測(cè)試1 000 個(gè)電能采集終端數(shù)據(jù)的成功率，其對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 3 種方法的采集成功率對(duì)比

分析圖7 可知，當(dāng)電能采集終端數(shù)據(jù)由200個(gè)增加到1 000 個(gè)時(shí)，文獻(xiàn)[2]方法的平均采集成功率為59%，文獻(xiàn)[3]方法的平均采集成功率為69%，而本文方法的平均采集成功率為90%。由此可知，本文方法能夠?qū)Χ鄠€(gè)電能用戶端自動(dòng)溯源，有效提高多標(biāo)簽電能采集終端數(shù)據(jù)的成功率。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得出，采用本文方法的電能采集終端數(shù)據(jù)采集成功率較高、碰撞概率較低，能夠有效提高電力數(shù)據(jù)采集的靈敏度，且采集速度較快，應(yīng)用本文方法能夠獲取準(zhǔn)確全面的電力數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)采集耗時(shí)較短，效率較高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將RFID 射頻收發(fā)電路優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在電能采集終端全壽命溯源中，向用戶提供一種可查詢、可追溯采集終端使用信息的有效方式。本文構(gòu)建的電能采集終端主要包括讀寫器、電子射頻標(biāo)簽、溯源服務(wù)端三部分，通過(guò)優(yōu)化讀寫器射頻收發(fā)電路完成多目標(biāo)溯源，向電子標(biāo)簽發(fā)射特殊信號(hào)，標(biāo)簽響應(yīng)后輸出采集終端的相關(guān)信息傳遞至溯源服務(wù)端。用戶讀取電能采集終端的技術(shù)指標(biāo)、機(jī)械性能、功能要求等信息，便于實(shí)時(shí)掌握電能采集終端全壽命使用情況，為電能采集終端日常維護(hù)工作提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠同時(shí)采集多終端數(shù)據(jù)，且碰撞概率較低，具有一定的實(shí)際應(yīng)用性。

目前，本文研究的電能采集終端溯源技術(shù)仍存在一些不足之處，在射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理、服務(wù)端構(gòu)建等方面仍需完善。以RFID 技術(shù)為指導(dǎo)的電能采集終端溯源技術(shù)正在構(gòu)建一個(gè)集跟蹤、查詢、維修等功能為一體的完整技術(shù)體系，最終可實(shí)現(xiàn)電能采集設(shè)備溯源的制度化與規(guī)范化。