摘 要： 研發了一種基于RFID技術的變電站巡檢系統，該系統采用具有RFID功能的PDA作為巡檢裝置,應用RFID技術、GPRS無線通信技術和嵌入式數據庫技術,可以方便地記錄巡檢人員的到位情況和電力設備的缺陷信息,解決了巡檢人員到位困難以及巡檢數據不能實時上傳等問題,對提高變電站巡檢效率以及設備的安全運行具有現實意義。
關鍵詞： RFID；PDA；變電站；巡檢
變電站巡檢是保障變電站順利運行的重要措施。傳統的變電站巡檢多是以紙質為主的人工巡檢模式，巡檢人員需隨身攜帶大量表格，后期需由人工將巡檢數據錄入計算機系統，導致巡檢工作量大且效率低下；以紙張為載體的數據記錄不靈活，巡檢內容有任何改變都需重新印制表格，造成極大的浪費。同時，傳統的巡檢方式無法對巡檢工作人員進行有效監督，巡檢工作人員可以在簽到后不到現場實地巡檢或偽造巡檢數據，因此常出現人員不到位和巡檢不及時的狀況，從而導致設備故障處理不及時而引發電力事故。
基于上述問題，本文提出一種基于RFID的巡檢技術方案。射頻識別技術RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境，與傳統的條形碼相比具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量更大、存儲信息更改自如等優點[1]。方案運用RFID技術，結合GPRS無線通信技術，解決了巡檢人員到位難、信息采集效率低及上傳不及時的問題，從而滿足了變電站巡檢管理信息化和規范化的要求。
1 系統的組成及工作原理
1.1 RFID的工作原理
典型的射頻識別系統由射頻標簽、讀寫器和應用系統三部分組成[2]。
RFID工作原理：讀寫器通過發射天線發送一定頻率（低頻、高頻或超高頻）的射頻信號，當射頻標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，射頻標簽獲得能量被激活，將自身編碼等信息通過卡片內置的發送天線發送出去，系統接收天線接收到從射頻標簽發送來的載波信號，經天線調節器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調和解碼，交由信息處理系統處理，完成預設功能和自動識別。
1.2 系統的總體設計
本系統由巡檢儀、射頻標簽及管理服務器構成。系統的總體架構如圖1所示。
管理服務器是整個系統的大腦，綜合管理變電站的巡檢，負責人員設備的信息管理、巡檢任務的下達以及巡檢數據的處理等，控制著整個系統的工作流程。工作開始時由管理服務器下達任務，應用系統處理后對中間件下達指令，規定好讀寫器讀取射頻標簽的類別和數量。讀寫器受控發出微波查詢信號，在距離射頻標簽0~10 m范圍內時，射頻標簽收到讀寫器的查詢信號后，將此信號與標簽中的數據信息合成一體反射回電子標簽讀出裝置，讀寫器接收到標簽反射回的微波合成信號后，經讀寫器內部微處理器處理后即可將標簽儲存的識別代碼等信息分離讀取出來。
中間件對閱讀器傳來的數據進行過濾、匯總、計算和分組，減少從閱讀器傳往服務器的大量原始數據，生成加入了語意解釋的事件數據。之后將處理好的巡檢數據通過API端口傳送給應用系統。應用系統根據現場的具體情況對數據做后續處理。
1.3 系統的工作流程
基于組成系統的三大模塊[3]，可以把系統的工作流程分為以下三部分：
(1)巡檢任務的下達
執行任務前，巡檢人員可通過USB端口將當天的巡檢任務由主機下載至PDA或由主機通過GPRS無線通信網絡直接下達，隨后，巡檢人員可根據任務進行相應巡檢。
(2)巡檢任務的執行
巡檢人員按指定的巡檢路線到達現場，手持巡檢儀與作業地點的RFID射頻標簽通信，在PDA上顯示出該區域下的對應檢查設備，巡檢人員可對設備進行檢查，巡檢完畢后，將設備檢查結果錄入PDA上的嵌入式數據庫。在信號強的情況下，可通過GPRS網絡將數據實時回傳主機；當信號較差或無信號時，數據暫存于PDA的嵌入式數據庫中，等到信號強時再回傳或通過USB接口由局域網將數據上傳至管理服務器。
(3)巡檢數據的處理
管理服務器對接收的設備的巡檢數據進行相應處理，生成設備巡檢情況記錄表，隨后進行綜合處理，根據結果分析出設備的運行狀況并生成報表，交與有關部門做后續處理。
2 關鍵技術
2.1 RFID數據清洗技術
由于射頻干擾和標簽讀取結構等原因，RFID數據讀取的可信度較低，因此，系統增加了對RFID 數據的預處理環節，使閱讀器讀取的數據從時間序列和數值上盡可能地接近真實數據，提高數據的準確度。
RFID 數據讀取的低可信度主要與其采用的無線射頻信號有關，當標簽和閱讀器數量多時，信號干擾加強，更增加了數據的不準確性。RFID 數據的不準確性主要表現為漏讀、多讀、臟讀和亂序四個方面。本文采用Smooth數據清洗算法[4]解決這個問題。具體算法示例如圖2所示，在第一次讀到EPC 事件時，產生evGlimpsed 事件，在事件間隔時間不超過1格時，始終處于isGlimpsed的狀態，在第三次讀到該EPC事件時，產生evObserved事件，當兩個事件單位沒有讀到該EPC事件時，則產生evLost事件。該算法中cGlimpsed_Timeout和cObserved_Timeout的設置起到了平滑事件流、清洗漏讀數據錯誤的作用[5]。
2.2 RFID中間件
RFID中間件是實現RFID硬件設備與應用系統之間數據傳輸、過濾和數據格式轉換的一種中間程序[6]，是RFID應用部署運作的中樞。它介于讀寫器模塊與應用系統之間，將RFID讀寫器讀取的各種數據信息，經過中間件提取、解密、過濾及格式轉換，導入管理服務器，并通過應用系統反應在程序界面上，供操作者瀏覽、選擇、修改和查詢[7]。
PDA選用Windows CE操作系統，應用VS2008平臺下的C#語言進行開發，C#調用RFID中間件提供的通用API函數來實現對RFID射頻卡的初始化、讀、寫、Key值驗證和關閉等操作。
流程初始，通過DllImport經由指定的API端口引用動態鏈接庫[8]，之后初始化RFID射頻卡。完畢后，系統根據指示開始偵測，尋找有效范圍內的RFID卡片，如果檢測到相應的射頻標簽，則開始讀取其Key值。若與系統指定相匹配，則可以對標簽的數據信息進行讀取；若不匹配，則檢驗下一標簽的Key值，依此循環，直至任務完成，如圖3所示。
2.3 RFID的安全機制
RFID技術在快速發展的同時也暴露出其自身存在的各種安全隱患，如信息泄露和隱私問題等。本文運用Key值更新隨機Hash鎖的方法來解決RFID運用中的安全問題，實現了安全高效的讀取訪問控制。
(1)首先在數據庫中創建包括H(Key)、ID、Key、Pointer四列的數據庫記錄，主鍵為H(Key)。
(2)鎖定標簽，閱讀器隨機選取一個數值回送給該標簽作為標簽ID的Key值，并在數據庫中建立初始記錄(H(Key)，ID，Key，0))，標簽存儲接收到的Key值進入鎖定狀態。
(3)解鎖標簽,數據庫產生一個隨機數R傳送給閱讀器，由閱讀器將詢問消息Query和R發送給標簽；標簽根據接收到的R和自身Key值計算出H(Key)和H(Key‖R)回送給閱讀器，隨后自行計算H(ID‖R)和Key*=S(Key)（此時Key值不更新）。
(4)閱讀器查找數據庫記錄， 若找到記錄i：(H(Keyi)，IDk，Keyi，Pointeri)，則計算H(Keyi‖R)，并比較H(Keyi‖R)與接收到的H(Key‖R)，若不相等，則忽略此消息；若相等,則計算H(IDk‖R)，并將IDk和H(IDk‖R)的值傳送給閱讀器。
(5)閱讀器將H(IDk‖R)發送給標簽，數據庫計算Key*i=S(keyi)和H(Key*i)。若Pointeri=0，則添加新記錄J：(H(Key*i)，IDk，Keyi，i)，并修改i為(H(Keyi)，IDk，Keyi，j)； 若Pointeri!=0，則找到第Pointeri條記錄并修改成(H(Keyi)，IDk，Keyi，i)。
(6)標簽將接收到的H(IDk‖R)與第2步中計算的H(ID‖R)作比較。若相等，則將自身的Key值更新為Key*，進入解鎖狀態；若不相等，則保持沉默。
該巡檢系統的應用，克服了傳統巡檢方式的種種弊端，既對巡檢人員進行了有效的監督，杜絕了玩忽職守現象，又實現了無紙化辦公的要求，提高了巡檢效率和設備管理水平。該系統的應用必將提高電力生產的安全運行水平，有著廣闊的發展前景。
參考文獻
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