［摘 要］隨著電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理需求的日益增長(zhǎng)，基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)備受關(guān)注。文章旨在研究和開發(fā)一種高效、準(zhǔn)確、智能的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，通過RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別、數(shù)據(jù)采集和管理。驗(yàn)證了該系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集與處理、報(bào)警管理和用戶界面操作等功能，同時(shí)具備較高的數(shù)據(jù)采集速度、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和吞吐量。

［關(guān)鍵詞］RFID 標(biāo)簽；電力設(shè)備；監(jiān)測(cè)管理；數(shù)據(jù)

［中圖分類號(hào)］TP309 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0150–03

1 RFID技術(shù)

1.1 RFID技術(shù)的基本原理

RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）是一種通過射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式信息識(shí)別與數(shù)據(jù)交換的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID 系統(tǒng)主要由標(biāo)簽（Tag）、讀寫器（Reader）和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3 部分組成。

（1）標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽是附加在物體上的電子標(biāo)簽，內(nèi)含一個(gè)小型芯片和天線。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作區(qū)域時(shí)，標(biāo)簽接收來自讀寫器的射頻信號(hào)并被激活。

（2）讀寫器。接收并解調(diào)來自標(biāo)簽的射頻信號(hào)，將其中的數(shù)據(jù)提取出來。讀寫器不僅負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，還可以向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理。其中，數(shù)據(jù)傳輸是標(biāo)簽通過其內(nèi)置天線向讀寫器發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的唯一識(shí)別碼及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過射頻信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸，通常采用調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。數(shù)據(jù)處理是讀寫器將獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可對(duì)獲取的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和管理，并與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.2 RFID系統(tǒng)組成及工作方式

RFID 系統(tǒng)由多個(gè)核心組件構(gòu)成，每個(gè)組件在系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.1 RFID系統(tǒng)組成

（1）RFID 標(biāo)簽（Tag）由芯片、天線、封裝材料組成。芯片為標(biāo)簽的核心部分，內(nèi)含存儲(chǔ)器、控制器和通信模塊。存儲(chǔ)器用于保存唯一識(shí)別碼及其他數(shù)據(jù)，控制器負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的讀寫操作，通信模塊用于發(fā)送和接收射頻信號(hào)。天線用于接收讀寫器發(fā)送的射頻信號(hào)并將信號(hào)傳遞給芯片，同時(shí)將芯片生成的信號(hào)發(fā)送回讀寫器。封裝材料可保護(hù)芯片和天線的外殼材料，確保標(biāo)簽在各種環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

（2） RFID 讀寫器（Reader）由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器組成。發(fā)射機(jī)生成并發(fā)送射頻信號(hào)，通過天線將信號(hào)傳輸?shù)綐?biāo)簽。接收機(jī)接收并解調(diào)標(biāo)簽返回的射頻信號(hào)，提取其中的數(shù)據(jù)?？刂破鞴芾碜x寫器的操作，包括發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)、處理數(shù)據(jù)等。

（3）讀寫器天線用于發(fā)送和接收射頻信號(hào)，與標(biāo)簽進(jìn)行通信。天線的設(shè)計(jì)影響系統(tǒng)的讀寫距離和性能。

（4）中間件連接讀寫器和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、過濾、處理和傳輸。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存儲(chǔ)和管理從標(biāo)簽獲取的數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和與其他系統(tǒng)的集成。

1.2.2 RFID系統(tǒng)工作方式

（1）射頻信號(hào)發(fā)射。讀寫器通過天線向周圍空間發(fā)送射頻信號(hào)。這些信號(hào)在標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作范圍時(shí)被標(biāo)簽天線接收。

（2）標(biāo)簽激活。被動(dòng)式標(biāo)簽通過接收射頻信號(hào)中的能量激活芯片，主動(dòng)式標(biāo)簽則由內(nèi)置電池供電。當(dāng)芯片被激活后，標(biāo)簽準(zhǔn)備好響應(yīng)讀寫器的請(qǐng)求。

（3）數(shù)據(jù)傳輸。標(biāo)簽天線將芯片中的數(shù)據(jù)以射頻信號(hào)的形式發(fā)送回讀寫器。數(shù)據(jù)傳輸采用調(diào)制技術(shù)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。

（4）信號(hào)接收與解調(diào)。讀寫器天線接收標(biāo)簽返回的射頻信號(hào)，通過接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)和解碼，提取其中的數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)處理與傳輸。讀寫器將提取的數(shù)據(jù)傳輸給中間件進(jìn)行初步處理，如去重、過濾和格式化。處理后的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步存儲(chǔ)和分析。

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析。后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)分析和報(bào)表生成等操作。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)同工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)，以確保系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性和高效性。

2.1.1 硬件架構(gòu)

硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)包括RFID 標(biāo)簽、RFID 讀寫器、天線、數(shù)據(jù)采集終端和通信設(shè)備等部分。這些硬件共同構(gòu)成了系統(tǒng)的物理層，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。

每個(gè)電力設(shè)備都附有一個(gè)RFID 標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)碼及其他相關(guān)信息。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)簽類型，如耐高溫、防水等特性標(biāo)簽。

RFID 讀寫器分布在電力設(shè)備的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于讀取和寫入RFID 標(biāo)簽信息。其通過天線與標(biāo)簽通信，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

天線配合讀寫器使用，負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的發(fā)射和接收。天線的類型和安裝位置直接影響系統(tǒng)的讀寫距離和覆蓋范圍。根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的天線類型，如全向天線或定向天線。

數(shù)據(jù)采集終端配備必要的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，負(fù)責(zé)初步處理和緩存采集到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集終端可是工業(yè)PC、嵌入式系統(tǒng)或移動(dòng)設(shè)備，具備與讀寫器和后臺(tái)系統(tǒng)通信的能力。

通信設(shè)備包括有線和無線通信設(shè)備，用于將數(shù)據(jù)采集終端收集到的數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。常用的通信方式有以太網(wǎng)、WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如4G/5G）等。

2.1.2 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和用戶界面等功能模塊，構(gòu)成系統(tǒng)的邏輯層。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從RFID 讀寫器獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，如數(shù)據(jù)解碼、去重和格式轉(zhuǎn)換。該模塊需要具備高效的數(shù)據(jù)處理能力和穩(wěn)定的通信能力，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析，包括數(shù)據(jù)校驗(yàn)、過濾、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析。采用高效的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如SQL 數(shù)據(jù)庫或NoSQL 數(shù)據(jù)庫）進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，確保數(shù)據(jù)的安全性和可追溯性。

業(yè)務(wù)邏輯模塊實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理的核心業(yè)務(wù)邏輯，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、維護(hù)記錄管理等。根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)靈活的業(yè)務(wù)流程和規(guī)則，確保系統(tǒng)能夠滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

用戶界面模塊提供友好的圖形用戶界面（GUI），方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備管理和系統(tǒng)配置。用戶界面需要支持多種終端設(shè)備（如PC、平板電腦、智能手機(jī)），提供良好的用戶體驗(yàn)。

通信與接口模塊負(fù)責(zé)與外部系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)交換，如與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的接口（如RESTful API、WebSocket），確保系統(tǒng)的互操作性和擴(kuò)展性。

2.1.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

2.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和功能性。在電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)涵蓋了RFID 標(biāo)簽與讀寫器選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、以及用戶界面設(shè)計(jì)等方面。

（1） RFID 標(biāo)簽與讀寫器選擇。根據(jù)電力設(shè)備的使用環(huán)境和監(jiān)測(cè)需求選擇適用的RFID 標(biāo)簽。考慮標(biāo)簽的尺寸、耐溫性、防水性和讀寫距離等因素，選擇符合要求的標(biāo)簽型號(hào)。在讀寫器選擇方面，選擇具備穩(wěn)定性高、讀寫距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的RFID讀寫器。根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的讀寫器類型（如固定式或手持式）、工作頻率（如低頻、高頻、超高頻）、通信接口（如RS232、RS485、Ethernet）等參數(shù)。在天線設(shè)計(jì)上，根據(jù)電力設(shè)備的布局和尺寸設(shè)計(jì)合適的天線安裝方案，確保天線能夠覆蓋到所有需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備區(qū)域。選擇天線類型和功率，優(yōu)化天線布局，確保讀寫器與標(biāo)簽之間的穩(wěn)定通信。

（2）數(shù)據(jù)采集與處理。設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)采集方案，確保及時(shí)獲取電力設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息。采集模塊應(yīng)具備對(duì)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)讀取的能力，提高采集效率。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理算法和流程，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理、校驗(yàn)和過濾。確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，排除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)。采用合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，支持快速查詢和數(shù)據(jù)分析。

（3）用戶界面設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)直觀、易用的用戶界面，滿足用戶對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)和管理的操作需求。界面布局合理，功能分類清晰，操作流程簡(jiǎn)潔明了，減少用戶的學(xué)習(xí)成本和操作復(fù)雜度。實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備位置定位、報(bào)警管理等功能模塊。界面應(yīng)具備多樣化的數(shù)據(jù)展示方式，如列表、圖表、地圖等，方便用戶根據(jù)實(shí)際需求查看數(shù)據(jù)和分析趨勢(shì)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

在基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的開發(fā)過程中，試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠驗(yàn)證系統(tǒng)的功能性和性能指標(biāo)，確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際需求。

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。驗(yàn)證系統(tǒng)各項(xiàng)功能是否符合需求規(guī)格書中的要求，評(píng)估系統(tǒng)的性能指標(biāo)和響應(yīng)速度，評(píng)估系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

（2）試驗(yàn)方法。①利用仿真軟件搭建系統(tǒng)模型，模擬真實(shí)環(huán)境中的各種情況進(jìn)行測(cè)試；②在真實(shí)的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際使用環(huán)境下的性能和可靠性；③與其他類似系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，評(píng)估系統(tǒng)在功能和性能上的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)；④對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，評(píng)估系統(tǒng)在高負(fù)載情況下的性能表現(xiàn)和穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）功能測(cè)試結(jié)果。對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，設(shè)備在線率為平均98.5%，異常報(bào)警發(fā)生頻率約3 次/h。在數(shù)據(jù)采集與處理上，系統(tǒng)平均數(shù)據(jù)采集量為120 個(gè)標(biāo)簽/s，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到99.8%，數(shù)據(jù)完整性維持在95%以上。在報(bào)警管理方面，該系統(tǒng)報(bào)警觸發(fā)平均時(shí)間為10 s，通過郵件通知的報(bào)警占比達(dá)到80%。在用戶界面操作方面，呈現(xiàn)出用戶操作平均響應(yīng)時(shí)間為2 s，95% 的用戶對(duì)界面易用性給予4 星以上評(píng)價(jià)。

（2）性能測(cè)試結(jié)果。在數(shù)據(jù)采集速度性能測(cè)試結(jié)果方面，系統(tǒng)最大并發(fā)采集數(shù)量達(dá)到180 個(gè)標(biāo)簽/s，滿足大規(guī)模設(shè)備監(jiān)測(cè)需求。在系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間性能測(cè)試結(jié)果上，用戶界面操作平均響應(yīng)時(shí)間為2 s，報(bào)警處理平均響應(yīng)時(shí)間在15 s 以內(nèi)。在系統(tǒng)吞吐量性能測(cè)試結(jié)果上，系統(tǒng)每秒處理數(shù)據(jù)量達(dá)到2 000 條，支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理需求。

4 結(jié)束語

通過對(duì)基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的開發(fā)研究及試驗(yàn)結(jié)果分析，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)表明系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況。在數(shù)據(jù)采集與處理方面，系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的數(shù)據(jù)采集速度和準(zhǔn)確性。在報(bào)警管理方面，保證了對(duì)設(shè)備異常情況的及時(shí)響應(yīng)。用戶界面操作方面，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的用戶體驗(yàn)。

因此，基于RFID 標(biāo)簽的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)在功能和性能方面表現(xiàn)出良好的指標(biāo)，能夠滿足電力設(shè)備監(jiān)測(cè)管理的需求。然而，系統(tǒng)仍存在一些改進(jìn)空間，如進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性、提升用戶體驗(yàn)等方面。未來可針對(duì)這些問題進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)，以滿足不斷發(fā)展的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)需求。

參考文獻(xiàn)

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