摘要：为了保证枢纽变电站的安全运行，工作人员需定时对变电站设备进行巡检。除了严格制定变电站安全规范，监控并规避变电站安全风险仍然尤为重要。本文设计一种变电站安全管理系统，该系统基于无源RFID标签传感器和人体局域网（BAN），目标是在变电站提供安全详情，实时更新工业环境状况。
关键词：变电站；无源RFID标签；传感器网络；安全管理
1.引言
随着国民经济的不断发展，各行各业对于电力的依赖性越来越高，保证电力系统的长期安全稳定运行就显得尤为重要。其中不得不考虑人员安全管理问题。与其他工作场所相比，变电站仍被认为是高风险环境，存在与工作安全相关的严重问题，稍有差错将导致严重事故。工业界已开始应用信息和通信技术（ICT）来提高盈利能力，并满足客户和运营商对安全问题日益增长的需求，通过集中使用传感器技术和通信技术来监控和预防风险的智能系统的设计成为研究的重要方向。人员安全管理与个人防护设备（PPE）已在其他诸多工业领域得到研究，但用于变电站安全管理的研究较少[1-2]。在特定工作情况下，工人在变电站工作期间必须采取特定的安全措施。造成人身伤害或财产损失的原因可能有多种：暴露于化学或物理有害物质，噪音，振动和超声波辐射，接触移动的结构或车辆而引起的事故，在变电站复杂的工作环境中监测和预防危险尤为重要。
本文设计了基于RFID标签传感器和BAN网络的安全监测系统，该网络可以主动监视和预防变电站的安全风险，旨在通过先进的传感器和RFID技术加强变电站工作人员的安全，并进行安全实时监测。
2.系统基本技术
2.1人体局域网
BAN由IEEE 802.15正式定义为一种通信标准，该通信标准针对低功率设备及其在人体上，体内或周围的运行进行了优化，使BAN技术成为监控人体状况，满足安全需求的最佳解决方案。BAN技术的一些更常见的用例是：人体传感器网络（BSN），移动设备集成和个人视频设备[3]。传感器和执行器是BAN的关键组件，能通过无线通信将数据传输到中央单元的可穿戴计算设备。一个BSN由不定数量的传感器组成，称为人体传感器单元（BSU），全部由人体中央单元（BCU）读取。BSU获取并收集特定数据，如体温，生命体征，距某些参考传感器的距离等，并在必要时进行处理，然后通过无线链路将数据传输到BCU。
2.2 RFID技术
如表1所示，RFID技术针对四个频率范围进行了标准化[4]。微波（MW）范围内的波长会被人体吸收，从而严重限制了BAN的特定用途；考虑到LF和HF系统数据速率低以及传输范围有限，且本文系统将主要在室外运行，UHF为最佳选择。
表1.RFID技术典型工作频率与范围
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在各种市售的RFID系统中，一个非常具有前景的方案是无线识别感知平台（WISP）。WISP是RFID技术与一系列传感器结合的平台，这些传感器可由UHF RFID阅读器供电并读取。对于RFID阅读器而言，WISP只是常规的EPC（产品电子编码）标签。在WISP内部，其从阅读器发射的超高频信号中获取能量，供给16位微控制器进行操作。微控制器对传感器进行采样，并对RFID阅读器作出应答，将数据传送回阅读器。WISP内置有光传感器，温度传感器和应变仪，无需电池。WISP由能量收集电路，解调器，调制器，微控制器和外部传感器组成，并且已经在工业环境中成功进行了测试[5]。
3.系统基本要求和限制
如引言中所述，本系统的主要目的是提高变电站中操作员的人身安全。根据安全规范，工作人员应适当穿戴个人防护设备。基于这些特定防护设备，进而设计系统的基础架构。
3.1 系统基本要求
在大多数工业环境中，主要的防护设备包括安全帽，防护工作服和鞋子，因此可以方便地将传感器附着或包含在防护设备中组建BAN监测人身安全状况。传感器必须能够发出信号通知工人是否正确穿戴个人防护设备，并具有发送有用数据（例如温度和方向）的能力。由于工作环境的特殊性，防护设备上的传感器的主要要求是轻便和持久性，因此尺寸和电池寿命是最重要的参数。本文分析考虑了各种无线通信标准，例如蓝牙（BLE），Zigbee和ANT。表1列出了适用于当前研究目的无线通信标准的比较。
表2.主要无线通信标准-功能表
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基于对这些主要无线标准的比较，NFC技术和带有无源标签传感器的RFID技术是最可行的选择，因为它们不需要传感器本身携带电源。RFID比NFC技术更优，因为后者传输范围的较小，不适用于工业环境。ZigBee和BLE技术成本低，但由于需要电源而不予考虑。
3.2 RFID阅读器的限制
UHF RFID阅读器的射频能量可能会被吸收，当以高密度或近距离出现在人体附近时，会对人体产生较大影响。因此，国际法规利用比吸收率（SAR）参数对人体附近的辐射电磁场加以限制。SAR是人体组织暴露于辐射电磁场时吸收射频能量的速率。SAR计算广泛采用方法是物体中单位质量（dm）吸收或耗散的单位能量（dW）对时间的导数，表示如下[6]
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（1）
其中E是以V/m为单位的磁场峰值，σ是生物组织的电导率，ρ为密度，dV为单位体积。σ和ρ都取决于分析的物体。对于当前的设计，考虑到RFID标签分布在整个身体上，SAR的计算将考虑整个人体。图1展示了一个人体SAR的模拟结果，其使用869 MHz的阅读器完成，圆形极化天线的增益为6 dBi。密度和电导率的值分别选择为σ= 0.65 S/m和ρ= 1306 kg/m3，SAR的计算考虑了阅读器与人体的距离，考虑了三种不同的发射功率，范围从便携式阅读器的0.2 W，到独立RFID装置的1 W。标签天线的增益为1 dB，反向散射效率为-20 dB。SAR的最严格的国际限制由美国FCC规定，该限制规定SAR的限制值为1.6 W/kg。IEC（国际电工委员会）将值稍提高为2 W/kg，适用于欧盟，韩国和日本。
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图1.比吸收率SAR（W/kg）与阅读器距人体距离关系[6]
由图1中可知，发射功率为0.6 W时，距人体10厘米外才能达到FCC限制。对于0.2 W的发射功率，FCC限制不是问题。对于1 W的发射功率，在20cm以外达到SAR限制。这个图突出显示了要使用的阅读器发射功率及其与人体的距离的主要限制。
4.系统基本架构
在变电站中，操作员必须穿戴适当的防护设备，例如安全帽，防护工作服和鞋子，传感器附着或包含在防护设备中组建BAN，每个传感器都带有集成RFID标签的唯一识别码。带有温度传感器的WISP标签放置在安全帽中，用于感应人体的热量。防护工作服放置带有温度传感器和加速度计的WISP标签。负责从BAN收集数据的BCU为固定RFID阅读器，该阅读器位于变电站的检查点。所有阅读器都通过以太网端口连接到本地LAN，通过该局域网可以读取标签的状态以及各种传感器返回的信息并将其存储在数据库中。图2给出了这种架构的示意图。通过每分钟不断监测检查点数次，操作人员或软件可以注意到缺少的保护设备和传感器的输出值是否超出范围，来判断操作人员是否存在危险。
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图2.系统架构
5.结语
本文介绍了基于RFID的BAN传感器网络系统的设计，该系统用于主动监视和预防变电站的安全风险。下一步还将考虑扩展用例，限制错误警报技术，测试可行性并研究技术限制。开发一个更复杂的系统，利用声音和视觉警报系统来防止危险事故，同时根据工人相对于危险设备和危险区域的位置来制定降低风险的策略。
参考文献：
[1]Niu Yuanyuan，Zhu Zongjiu，Fan Mingru，The application of RFID in coal mine safety management[C]//Advanced Materials Research，Advanced Technologies and Solutions in Industry，2013，710：720-722.
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[3]Huan-Bang Li，Ryuji Kohno.Body Area Network and Its Standardization at IEEE 802.15.BAN[C]//Lecture Notes in Electrical Engineering，Advances in Mobile and Wireless Communications：Views of the 16th IST Mobile and Wireless Communication Summit，2008，16：223-238.
[4]姚建永，朗为民，王建秋，等.EPCglobal组织的RFID标准[J].物流技术（7）：32-37.
[5]D.J.Yeager，A.P.Sample，J.R.Smith.WISP：A Passively Powered UHF RFID Tag with Sensing and Computation[CH].RFID Handbook：Applications，Technology，Security & Privacy，2017：261-276.
[6]Arumugam D D，Engels D W.Impacts of RF radiation on the human body in a passive RFID environment[C]// 2008 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium and USNC/URSI National Radio Science Meeting，2008：4.
论文作者:胡翔1,郭强2,邵叶晨3
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/3
标签：传感器论文; 变电站论文; 阅读器论文; 人体论文; 设备论文; 系统论文; 技术论文; 《电力设备》2019年第20期论文;