基于RFID的电力巡检系统抗干扰分析

2018-10-08岳萍

科技视界 2018年22期

关键词：读写器时隙有源

岳萍

（1.电子科技大学成都学院电子工程系，四川成都 610000；2.成都工业学院电气工程学院，四川成都 610000）

电力设备巡检是确保电力系统能够正常运行的重要工作，以往的人工巡检方式已经逐渐不能满足实时、准确、安全、有效的要求。而物联网RFID的出现及发展，为这一诉求提出了很好的解决方案。

RFID射频识别技术，主体包括电子标签和读卡器两部分。它们之间不需要接触，通讯是靠电磁或电感耦合来实现的。

在电力巡检过程中，采用RFID技术已经逐渐成为主流。但是，就巡检过程中的传输距离和抗干扰能力分析，未有详细的论文进行研究总结。

1 传输距离分析

传输距离是指读卡器和电子标签之间的通信距离，其决定因素包括读写器的发射功率，天线的性能以及标签的灵敏度，下面分别对这三点进行分析：

1.1 读写器的发射功率

目前常用的标签为无源标签、有源标签和半有源标签三种。其中无源标签内不含电源，故其通信距离受限制，需较大的功率读写器，阅读距离较近；半有源标签和有源标签内部有电池，故可以以较高的发射功率进行信号发射，从而大大提高了传输距离。有源标签的电池持续供电，电池消耗越大，传输距离越短，继而影响系统正常工作，而半有源标签内部的电池仅起辅助作用，应答器电路能耗较少，平时处于休眠状态，故寿命更长，这也成为了RFID的新的发展趋势。

1.2 天线的性能

天线的性能可以从天线的方向性增益、极化方向和天线的波瓣宽度来分析。

（1）天线的方向性增益越大，其从最大辐射方向上的功率放大越强，该方向上的传输距离就越远.

（2）天线的极化方向：极化方向可以分为直线方向和辐射方向两种。直线方向的极化可以大大提高传输距离。

（3）天线的波瓣宽度：波瓣的宽度越窄，其传输的方向性就越好，从而使得传输距离就越远，缺点是天线的覆盖范围也就相对变小。

1.3 标签的灵敏度

标签的灵敏度越高，传输距离越远。

在以上三点都确定的情况下，为了提高传输距离，就要克服电磁能量在传输环境中的无效损失，特别是电磁线碰到金属后转化为电流，会大大降低可读距离。如何来解决这一问题，将是提高传输距离的一个研究方向。

2 系统抗干扰分析

RFID系统的抗干扰应该从两方面来分析，第一方面，是外来的主观恶意干扰，也可以称为系统安全方面，第二方面，是多读写器与标签之间的碰撞干扰。

2.1 安全方面

RFID系统中，标签和读写器之间的通信是通过电磁波的形式进行的，属于非接触通信。于是安全性方面就存在严重的隐患。这种安全隐患主要包括标签、读写器以及两者之间的空中接口三个部分，其中最主要需要解决的是前端链路即读写器与标签之间的通信链路的干扰问题。

目前可以从两个方面对安全方面的干扰进行纠正：一方面是通过物理方式的安全机制来阻止标签与读写器之间进行通信，另一方面可以通过逻辑方法来提高标签的安全性能。

（1）物理方法

物理方法包括法拉第笼、夹子标签、主动干扰法以及天线能量分析法等。这些方法都是从物理方面减小或限定标签的可阅读区域，降低其他恶意读卡的可能性。

（2）逻辑方法

包括访问控制法、认证法和加密算法等，这些方法的目的都是为了从访问者身份认证层面进行控制。

2.2 碰撞干扰

在RFID应用系统中，经常会碰到多个读写器和多个标签分布的情况，他们在交叉通信过程中可能会产生信号的交叠碰撞，这也是一种干扰。一般情况下，RFID系统的碰撞分为两类：多标签之间产生的碰撞和多读写器之间产生的碰撞。

2.2.1 多标签防碰撞

在RFID系统中，通常会遇到在一个读写器的读写范围内有多个标签的情形。当这多个标签同时产生应答信号时，这些数据交叠在一起就产生了我们所说的多标签碰撞。

解决多标签碰撞的算法很多，下面以三种算法为例进行介绍。

（1）面向比特的二进制树形搜索防碰撞算法

这种算法的原理是基于卡片的曼彻斯特编码序列号，该序列号具有唯一性。依据这种编码方式，当读写器接收到标签信号时，就可以判断通信过程中是否发生碰撞以及发生碰撞的具体位置。

（2）面向时隙的防冲突机制

时隙是个取值范围由读写器指定的序号。当两张以上标签同时进入读写器的读取范围内时，读写器向标签发出呼叫命令，该命令中指定时隙的范围，让标签在这个指定的范围内随机选择一个数作为自己的临时识别号。然后由读写器开始叫号，叫到则选中，没叫到则继续，这种方法的缺点就是有可能始终选不出一张卡片。

（3）位和时隙相结合的防冲突机制

这种机制一方面使得每张标签也有一个唯一的序列号，另一方面读写器也使用时隙叫号的方式，只是这里的号不再是标签随机选择的，而是那个唯一的序列号中的一部分。

2.2.2 多读写器防碰撞

随着RFID系统大规模的应用，越来越多的场合需要建构RFID读写器网络来监视整个覆盖的区域。此时，多个读写器之间的可读范围就会产生重合，从而产生干扰碰撞。解决方法大概分为以下几种：集中式和分布式、静态和动态算法、实时和非实时算法等，这里不再赘述。

3 传输距离与抗干扰的平衡分析

无线信号在空中传输的损耗计算公式如下所示：

式中Lfs为传输损耗，d为传输距离，f为频率。从式中可以看出，传输损耗与频率成正比。所以说，频率越高，损耗越大。为了提高传输距离，就应该适当提高读写器的发射频率。超高频的电子标签的频率可以选择960MHz和2.4GHz，通过实验对这两种频率进行对比，实验结果显示，2.4GHz的传输速率高，但是信号弱，传输距离短，容易出现漏卡的现象。

表1 960MHz和2.4GHz的各项指标对比

在电力巡检系统中，侧重点应该放在传输速率上还是传输距离上呢？首先，在巡检系统中，电力智能模块有位于低矮处的，也有位于几米的高处的，那么传输距离就是一个重要指标。而在该系统中，往往单次传送的数据量很小，一般1～5秒钟一次，一次发送几个字节，持续时间约1ms左右，其他时间均处于休眠状态。因此，传输速度并不是需要考虑的重点。

另外，由于2.4GHz频段是不需要许可证的开放频段，因此该频段内开发了许多如无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线通讯设备。如果电力巡检系统也采用2.4GHz频段，则在整个监测范围内将会增加大量移动的2.4GHz干扰信号源，因此应当慎重考虑2.4GHz射频卡的使用。

通过以上分析，对传输距离和抗干扰进行平衡分析，得出应当选用960MHz的超高频频段，标签采用半有源标签，采用方向增益大的天线进行设计；软件上编写合理的防碰撞算法，来尽量减小不可避免的各类干扰。