基于EPC的输变电设备物联网标识体系方案-0408

1、湖南大学 云南电网公司2012 年 12 月基于基于 EPCEPC 的输变电设备物联网标识体系的输变电设备物联网标识体系方案方案基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案 i 目 录前前 言言.I1.目的目的.12.综述综述.13.设计要求设计要求.24.输变电设备物联网标识体系的构成输变电设备物联网标识体系的构成.25.电子标签电子标签.45.1.EPC 标签的数据格式 .45.2.基于 EPC 的输变电设备编码 .55.3.电子标签.105.4.电子标签性能需求.125.5.电子标签的封装.175.6.电子标签内存信息的写入方式.175.7.标签的选择.186.读写器读写器.196.1.

2、读写器的工作原理.196.2.识别功能.196.3.读写器的选取.206.4.通信接口.217.通信方式通信方式.217.1.无线通信.227.2.有线通信.238.中间件中间件.249.标识设备安装标识设备安装.249.1.电子标签安装.259.2.相关电子标签技术参数.259.3.电子标签安装方案.309.4.读写器安装.32基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案 i 前 言本方案是按照“基于物联网技术的输变电设备智能监测与全寿命周期管理”项目实施要求，结合输变电设备的编码规则、国际物联网 EPC 的编码解码规范，对输变电设备物联网标识体系的架构进行设计，建立基于 EPC 的可扩展输

3、变电设备物联网标识体系，为项目示范工程提供参考。本方案由云南电网公司提出。本方案主要起草单位：湖南大学本方案参加起草单位：云南电网公司、长沙湖大电气科技有限公司本方案主要起草人：湖南大学：曹一家、朱青、黄小庆、黄纯、李友光、张军永、何杰、朱玉生、罗杰、覃斌志、唐玲玲、杨漾、黄经宇、张杰、王炼云南电网公司：曹敏、罗学礼本方案为首次制定。本方案由湖南大学负责解释。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 1 页 1.目的目的输变电设备物联网标识体系是结合物联网技术，基于 EPC 编码方案，利用非接触式射频识别系统构成的一套适用于输变电设备物联网的标识体系。标识的目的是将代码化的信息转换成为载

4、体可携带的信息，当该载体与物品合为一体时，载体所携带的信息即为设备信息，可用于实现对设备的跟踪追溯管理。本标识体系适用于输变电设备物联网的建设。2.综述综述随着物联网技术的蓬勃发展，物品标识体系的建设显得日益重要。目前在国际上最具代表性的物联网架构为：EPC Global 物联网体系架构和 Ubiquitous ID (UID)物联网系统，它们分别采用 EPC 编码体系和泛在识别码 U Code。物品标识术语中对标识体系的定义为：标识= 标志+识别。2011 年中国物品编码中心提出了物联网标识体系参考模型，该模型从物联网标识流程的角度进行构建，详细描述了物联网标识体系中，物品信息的生成、转换、

5、传输及处理的完整过程。其具体物联网标识体系模型示意图如图 2.1 所示。 物品 编码 代码 标示 符号、标记、数据电文 识别 代码 解码 物品 标识体系 图 2.1 标识体系示意图中国物品编码中心提出的物联网标识体系参考模型由编码、标示、识别、解码四个部分组成。编码：即给予物品赋予代码的过程。代码则是标示特定事物或者物品的一个或者一组字符。标示：标示是将代码转换成符号、标记、数据电文的过程。可以将代码转化成为条码符号，并印制在载体上。还可以将代码转化成二进制数据电文写进RFID 标签的芯片中。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 2 页 识别：识别就是对标示信息进行处理和分析，从而实

6、现对事物进行描述、辨认、分类和解释的过程。解码：解码就是将代码还原为物品自己属性信息的过程，通过解码可还原物品的本来面目。本方案通过参考物联网标识体系中的四个部分：编码、标示、识别、解码，建立基于输变电设备的物联网标识体系。3.设计要求设计要求随着物联网技术的不断发展，输变电设备物联网标识体系成为输变电设备智能化、物物交流、人际交流的一个重要关节。在此背景下，需要对输变电设备物联网中的标识体系架构进行系统设计。输变电设备物联网标识体系引用中国物品编码中心提出的参考模型，对输变电设备物联网标识体系进行方案设计。要求建立基于输变电设备的 EPC 编码规则，利用非接触式的 RFID 识别系统作为 E

7、PC 编码在物联网感知层中的载体和识别硬件设备，将需要读写的数据进行感知层和应用层之间的信息交互，将所采集到的信息利用固定式读写器或者手持式读写器将读写到的数据通过与中间件之间的通信接口传输到应用层的中间件，由中间件进行处理和过滤供全景信息平台使用。基于 EPC 编码的输变电设备物联网标识体系，要求其功能借助于 RFID 非接触式的特点对输变电设备物联网进行感知层的信息采集，在使用过程中对所贴电子标签的输变电设备进行监控管理，通过建立集中化、科学化、规范化、标准化的设备设施的编码体系，实现对设备设施管理的信息化、网络化，对于合理配置和利用设备设施，降低投入成本，增加投入产出效益，提高管理水平和

8、效率等方面有着重大的意义。4.输变电设备物联网标识体系的构成输变电设备物联网标识体系的构成输变电设备物联网标识体系的构成为：EPC 输变电设备编码、RFID 电子标签、RFID 读写器、全景信息平台四个部分构成。其主要内容包括：在结合南方电网公司现有输变电设备编码的基础上，利用 EPC 编码中心公布的 EPC 编基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 3 页 码结构选择一套合适的编码格式建立一套输变电设备物联网应用的编码规范，以电子标签作作为输变电设备 EPC 编码的载体，以读写器作为射频识别的物理识别设备通过有线和无线两种通信方式与系统中间件的信息交互接口进行信息的交互。输变电设备物

9、联网标识体系解码部分由全景信息平台中中间件进行解码。本标识体系方案中的重点是结合现行的编码规范对输变电设备进行编码及RFID 设备标识的方式和方法。在全景信息平台中输变电设备物联网按四层体系架构划分，如图 4.1 所示：输变电设备物联网标识体系在整个体系架构中充当一个信息采集的作用，具体的输变电设备物联网标识体系设计如图 4.2 所示：图 4.1 输变电设备物联网体系架构基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 4 页 智能感知层数据通信层电子标签电子标签固定读写器固定读写器手持读写器手持读写器有线无线通信方式应用层全景信息平台输电线路变电站图 4.2 输变电设备物联网标识体系图5.电子

10、标签电子标签5.1. EPC 标签的数据格式作为 EPC 的信息载体 EPC 标签，是 RFID 识别应用的重要组成部分，但并非所有 RFID 标签都适合做 EPC 标签，只有遵循 EPC 规则的电子标签才能做为EPC 标签，其数据结构如图 5.1 所示。图 5.1 EPC 标签的数据结构5.1.1.TIDTID（Tag ID）表示标签自身的唯一标识，包含标签制造厂商代码、标签硬件类型码、存储器规划码。TID 作为标签的主体标识，主要用于标签的全寿命周期追溯与监管以及实现读写器工作范围内多标签的防冲突。TID 的具体结构形式如表 5.1 所示。表 5.1 TID 的具体结构TID标签制造厂商代

11、码序列号硬件类型码存储器规划码校验码位数6 位16 位4 位12 位1 位5.1.2.DATA 区区DATA 是用户数据区，供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖等操作。输变电设备编码是面向该存储区设计的，编码的具体结构和字节定义下节进行阐述。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 5 页 5.2. 基于 EPC 的输变电设备编码5.2.1 编码原则基于 EPC 的编码规则，结合现有电力行业中已有编码标准，提出设备编码标识应遵循以下规则： 1) 唯一性：代码要具有唯一性，每一个代码所标识的实体应是唯一的。 2) 简单性：结构尽量简单，长度尽量短，提高读写器的工作效率。 3) 可扩展性：留

12、有备用空间，确保用户的自主编码及系统的升级。 4) 稳固性：编码规则一旦确定，不得随意修改。 5) 规范性：编码务必合理，含义简要，能实现与现有编码的无缝关联。5.2.2 编码实现5.2.2.1 EPC-96编码结构EPC（Electronic Product Code，产品电子代码）是EPC global推出的新一代产品编码类型，赋予所有单品一个全球性唯一编码。EPC码存储于EPC标签上。读写器读取EPC标签时，基于射频识别技术便可感知与该标签对应产品的信息。EPC编码的通用结构是一个比特串，分为两个部分：标头和数字字段，数字字段包含有管理者代码、对象分类代码和序列代码。标头定义了总长，识别

13、类型和EPC标签编码结构，具有分层、可变长度的特点。数字字段按照编码需求确定所含内容。EPC标签编码的通用结构如表5.2所示。表5.2 EPC编码的通用结构标头数字字段为了保证输变电设备物联网中的每一个设备都拥有唯一的EPC代码，使其载体标签成本尽可能降低，并考虑到设备的生命周期较物流行业的长、设备信息多、归属复杂等因素，本规范选择EPC-96。EPC-96由四个字段组成：标头、管理者代码、对象分类代码和序列代码。标头用来决定代码的总长、结构和功能等。EPC-96的标头值是00110101（二进制），为固定值；管理者代码标识一个组织实体（本质上一个公司、管理者或者其它组织机构），负责维持后续字

14、段的编码对象分类代码和序列代码；对象分类代码用来识别一个物品的种类或“类型”，其在每一个通用管理者代码之下是唯一的；序列代码：在每一个对象分类代码之内是唯一基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 6 页 的。组织实体负责为每一个对象分类代码分配唯一的、不重复的序列代码。5.2.2.2 基于 EPC-96 输变电设备编码目前，输变电设备的全寿命周期管理涉及到台账、监测、评估等多个方面，考虑成本、扩展等因素，全面编码缺乏经济性，同时考虑到标签容量和读写器的性能，信息编码内容过多会降低读写和查询的速度。设备信息管理系统中已存储了设备铭牌信息、台账信息等，届时利用简单而又唯一的设备标识编码作为

15、检索索引，便可方便地获取设备信息，因此，提出EPC编码标识的信息选取原则： 1）符合EPC的编码规则和南方电网公司的现有编码规范，如唯一性、规范性。2）反映设备归属或分类信息，如设备的归属、设备类别、电压等级等。3）信息须简单、稳定，能唯一标识设备，在保障编码的简单、经济、可靠同时具备可扩展性等。基于上述原则与编码原则，确定选取设备归属、设备类别及序列代码等属性开展设备编码。为了突出显示编码对象和电力设备的属性，结合EPC的编码结构形式，本规范将“管理者”和“对象分类”做了名称变换，标头和序列代码不变，变换结果如图5.2所示。图5.2 编码结构中字段名称的变换根据图5.2中的编码结构，展开设备

16、编码工作，其中各部分所包含的信息和所占代码区段如下所示。1）设备归属设备归属层分为大电网-（省）电网公司-供电局-厂站，此部分共28位，码段代码分配区间如表5.4所示。每个部分的代码空间是在考虑扩展的前提下确定的，其详细信息均存储在后台数据库中，所编制的代码作为检索索引使用。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 7 页 表 5.4 设备归属的码段分配 设备归属大电网省网供电局-厂站码段分配1-56-1112-282）设备分类分类是具有相同特点物品的集合，而不是物品的固有属性。兼顾EPC中该部分的代码空间和南网中已有的设备分类方式和结构，本规范规定“设备类属+设备类别+电压等级”来标识

17、设备分类，此部分码段共24位。根据南网的电网设备信息分类和编码标准，可知设备属性共有7项；设备类别包含输电设施、变电设施和配电设施，其中输电设施中架空线路包含125项、电缆线路包含97项，变电设施中一次设备有359项、二次设备有342项；电压等级中交流44项、直流38项。基于上述各项的数量和扩展性需求，采用分区段的方式编码标识设备属性、设备类别和电压等级。因此，在考虑扩展的情况下，分配代码空间，具体的细化方案如表5.5所示。表 5.5 设备分类的码段分配设备分类设备类属设备类别电压等级码段分配1-34-1617-243）序列代码序列代码的编制原则按照设备归属的最小单位（供电局-厂站）内设备数量

18、顺序进行编制，此部分码段共36位。对于本体设备的部件无设备类别代码的，与本体设备一起进行顺序编码。基于以上原则，基于EPC-96的输变电设备编码方案具体编码结构如表5.6所示。表 5.6 基于 EPC-96 的输变电设备编码级别名称标头设备归属设备分类序列代码说明 固定大电网省网供电局-厂站设备类属设备类别电压等级码段1-89-1314-1920-3637-3940-5253-6061-96码长856173138365.2.3 编码示范基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 8 页 以隔离开关和输电线路中的杆塔为例，阐述本方案在实际编码标识中的应用。5.2.3.1 隔离开关的设备编码选

19、择云网大理供电局下关变电站的设备“220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关”为例进行说明，根据设备编码的结构和附录中各项对应的代码，可得该隔离开关的设备编码如表 5.7 所示。表 5.7 基于 EPC-96 的隔离开关设备编码编码层次编码名称设备归属设备分类序列代码码段9-1314-1920-3637-3940-5253-6061-96说明大电网省网供电局-厂站 设备类属设备类别电压等级0001000010100000101-000001011010000101011000000001101000000000000000000000000000000011110示例南网云网大理供电局-

20、下关变电站变电隔离开关220kV第部分设备归属。第部分设备分类。隔离开关的设备类属为变电，对应编码为 010，设备类别为隔离开关，对应编码为 0001-010110000（其中，前面 4 位表示一次设备，后面 9 位表示隔离开关）；电压等级为 220kV，对应编码为 00001101。第部分序列代码。对于“设备归属”和“设备分类”相同的设备，序列代码的编制分为两种情况：只有本体和既有本体又有部件，则前者的序列代码按顺序编制；后者的序列代码编制分为两种情况：部件拥有自身设备类别代码的，不参与其本体设备的序列代码编制，只参与其同类设备类别的序列代码编制。部件无设备类别代码的，则按照顺延本体的序列代

21、码编制。对于“设备归属”和“设备分类”相同的第二个部件无设备类别代码的设备，其序列号顺延上一个同类设备最后一个部件的序列代码顺序编制。依据上述的序列代码编制原则，确定该设备的顺序号为 30（二进制码为000000000000000000000000000000011110）。至此，可得出该设备的完整编码为001101010001000010100000101000001011010000101011000000001101000000000基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 9 页 000000000000000000000011110，在具体应用写入标签或应用在数据库中，采用十六

22、进制，那么该代码的十六进制为 3510A0A0B42B00D00000001E。对于该隔离开关 A 相、B 相、C 相的代码则是按照顺延其本体序列号编制；而对于该隔离开关的部件-电动操动机构和真空辅助开关，则是按照与其本体相同的代码编制方式编制。对于“220kV 大下 II 回线 2632 隔离开关”，其代码延续“220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关 C 相”的代码，其 A 相、B 相、C 相的代码的编制方法同“220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关”的三相，而其部件-电动操动机构和真空辅助开关的代码编制方法同“220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关”的部件。具

23、体代码如表 5.8 所示。表 5.8 本体及其部件的具体代码表设备具体代码（十六进制）220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关3510A0A0B42B00D00000001E220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关 A 相3510A0A0B42B00D00000001F220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关 B 相3510A0A0B42B00D000000020220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关 C 相3510A0A0B42B00D000000021220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关电动操动机构3510A0A0B42B10D00000002

24、4220kV 大下 II 回线 2631 隔离开关真空辅助开关3510A0A0B42B10D000000025220kV 大下 II 回线 2632 隔离开关3510A0A0B42B00D000000022220kV 大下 II 回线 2632 隔离开关 A 相3510A0A0B42B00D000000023220kV 大下 II 回线 2632 隔离开关 B 相3510A0A0B42B00D000000024220kV 大下 II 回线 2632 隔离开关 C 相3510A0A0B42B00D000000025220kV 大下 II 回线 2632 隔离开关电动操动机构3510A0A0B42

25、B10D000000027220kV 大下 II 回线 2632 隔离开关真空辅助开关3510A0A0B42B10D0000000285.2.3.2 杆塔的设备编码架空输电线路一般由杆塔、导地线、架空地线、金具、绝缘子串以及接地装置等组成，对其进行编码时，其归属、分类完全按方案进行各层次的编制，以“500kV 玉溪墨江回线 150 号杆塔”为例，其编码如表 5.9 所示。表 5.9 基于 EPC-96 的杆塔设备编码编码层次编码名称设备归属设备分类序列代码码段9-1314-1920-3637-3940-5253-6061-96说明大电网省网供电局-厂站 设备类属设备类别电压等级示例000100

26、0100000100-00101010000000111100000000000000基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 10 页 0010000000010000100000000000000000110010南网云网玉溪供电局-玉溪输电管理所输电杆塔(类别为直线塔)500kV50 号直线塔第部分设备归属。依照 EPC 编码规范附录表中，对于“500kV 玉溪墨江回线 150 号杆塔”，其管辖基层为玉溪输电管理所，为玉溪供电局的一个生产部门，所以，该段编码为 00000100-000000001，前段代表玉溪供电局，后段代表其生厂部门编号。第部分设备分类。杆塔(类别为直线塔)的设

27、备类属为输电，对应编码为001，设备类别为直线塔，对应编码为 0101-000000010（其中，前面 4 位表示输电设施，后面 9 位表示直线塔）；电压等级为 500kV，对应编码为 00001111。第部分序列代码。例举“500kV 玉溪墨江回线 150 号杆塔”说明该部分代码的编制。依据台账信息，可知该杆塔的类别（如耐张塔、直线塔，其编码可见附录 5.2 输电设施编码），其序列代码则是在同种类别下进行序列编号，若杆塔类别为直线塔，则此设备序列代码为 0000110010（其十进制值为50，也就是说，对 150 号杆塔实质的编码其实是 50 号直线塔）。整体代码的十六进制为 3510A08

28、012A020F000000032。5.3. 电子标签电子标签也可以称为射频标签。它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID 技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、部分电子标签还支持读写功能，目标物体的信息能在网络中实时在线更新。电子标签的工作原理是接收读写器发出的射频信号，根据电子标签天线的感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的数据（无源标签或被动标签） ，或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签） ，与附近的读写器对接。电子标签的工作频

29、率是其最重要的特点之一，电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作方式（电感耦合还是电磁耦合） 、识别距离，还决定着电子标签与读写器实现通信的难易程度和设备的成本。本标识体系中 EPC 支持的是超高频段工作频率，其典型工作频率为：860960MHz。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 11 页 根据电子标签中是否有内置电源电子标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，电子标签应位于读写器天线辐射场的场内，标签与读写器之间的耦合方式为电磁耦合方式。读写器天线辐射场为无源标签提供射频能量，如场内是有源标签则将有源标签进行唤醒。相应的射频识别系统读写距离至少应大于1m，典型情况为 4-

30、7m，最大可达 10m 以上。微波无源电子标签中比较成功的产品相对集中在 902928MHz 工作频段上。无源标签内部没有供电电源，其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由 RFID 读写器发送，当标签接收到足够强的讯号时，可以向读写器发出数据，这些数据不仅包括 ID 号，还可以包括预先存储在标签内部EEPROM 中的数据。无源电子标签的天线有两个任务：第一，接收读写器所发出的电磁波，用来驱动标签内部结构中的标签 IC。第二，标签回传信号时，需要靠天线的阻抗做切换，才能够产生二进制中0 与 1 的变化。因此天线阻抗必须设计在开路与短路两种状态中，因此诞生了半无源电子标签，跟无源

31、相比，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签 IC，使得 IC 处于工作状态。与半无源标签相比，有源标签则是本身具有内部电源供应器，用于供应内部 IC 所需电源以产生对外的讯号。因此，有源标签拥有较长的读写距离和较大的记忆体容量可以用来储存读写器所传送的一些附加讯息。而不管上述三种标签中的任何一种来说，标签在写数据的时候需要的能量要大于读写器在接受数据时的能量。因此，同种环境下的同一个电子标签写数据的距离要小于识读写器读取数据时的距离。基于读写器读写距离的需要，在实际的应用中有可能在某一个读写区域中同时出现多个电子标签的情况，从而需要对读写器的读写功能提出了在多标签同时读取时的需求。上述

32、原则是根据电子标签自身的状况来选取合适的，但在电子标签最终的应用是在不同的环境场合中。因此，必须考虑到电子标签在具体的实际装贴环境因素，比如需要电子标签的防腐蚀、抗金属干扰、防潮等等一系列的外部环境。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 12 页 综合以上一些因素考虑，因此在对电子标签的选取时应区分各自不同的应用环境和自身需求来选取合适的电子标签。5.4. 电子标签性能需求5.4.1 工作模式电子标签工作时是通过当读写器天线持续发送出一定频率的信号，电子标签感应到磁场，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签） ，或者主动发送某一频率的信号（有源标签或

33、主动标签）；随后读写器读取信息并解码后，将数据传输到信息平台进行相关的数据处理。写标签时，原理与过程也类似，只是在写无源标签时，需要通过感应电流，在芯片内的电容中存储更多的能量来进行写操作，因此速度较慢，写数据的距离也要缩短。5.4.2 标签类型1） 有源/无源标签有源电子标签又称主动标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与读写器通讯所需的射频能量。其特点是：读写距离大，体积也大，成本较高。半无源电子标签内的电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压供电，本身耗电很少的标签电路供电。标签未进人工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无

34、源标签，标签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年，甚至长达 10 年有效；当标签进入读写器的读出区域时，受到读写器发出的射频信号激励，进人工作状态，标签与读写器之间信息交换的能量支持以读写器供应的射频能量为主(反射调制方式)，标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量。其特点是：读写距离跟有源相对于无源要远，电池待机时机长，但是工作模式时需要对其进行唤醒。2）抗金属电子标签当 RFID 标签贴在金属等导电物体表面或贴在临近位置有金属器件的地方时。标签在读卡器发出的信号作用下激发感应出的交变电磁场很容易受到金属的涡流衰减作用而使信号强度大大

35、减弱，导致读取过程失败。因此，为了使读基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 13 页 写器能够理想的读卡，需要在电子标签中增加铁氧体片，比如在处理微带天线、缝隙天线、倒 F 天线等等这类电子标签时，电子标签的基板采用绝缘材料，基板的背面涂上金属层，使其成为反射面板，从而使得金属不但不会影响标签的读出效果， 反而使金属反射的电磁场与标签天线的场在垂直标签的远场实现叠加，达到使标签的读出距离进一步提高的效果，实现了电子标签可直接贴于金属表面使用的功能。图 5.3 电子标签的基板背面涂金属层图5.4.3 性能指标1）存储容量RFID 标签在其内部自身带有存储容量空间，低频的存储大小一般最高

36、应该是 1K bit，高频一般有 512 bit、1K bit、2K bit、4K bit、8K bit ，目前用得最多的是前三种，后两种因成本原因，且读写速度很慢，一般没什么意义。2）传输速率只读速率：RFID 只读时的数据传输速率取决于代码的长度、数据发送速率、读写距离、载波频率，以及数据传输的调制技术等因素。传输速率随实际应用中产品种类的不同而不同。无源读写速率：无源读写 RFID 系统的数据传输速率决定因素与只读系统一样，不过除了要考虑读数据外，还要考虑写数据。传输速率随实际应用中产品种类的不同而有所变化。 有源读写速率：有源读写 RFID 系统的数据传输速率决定因素与无源系统一样，不

37、同的是无源系统需要激活标签上的电容充电来进行通信。3）读写距离读写距离除了与读写器密切相关外，与标签自身也有很大的关系，包括标签天线的设计（方向图、方向性系数、有效长度、效率、增益、天线阻抗、极化和频带宽度）和标签的摆放位置。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 14 页 4）防冲突机制电子标签的实际运用环境在绝大部分的程度上存在读写冲突，因此需要对电子标签的读写冲突制定一个防冲突机制的应对方法。当电子标签接受到读写器发送的信号，它应该是表现为三种主要数字状态：准备(READY，初始状态)；识别(ID，标签期望读写器识别的状态)；数据交换(DATE EXCHANGE，标签已被识别状态

38、)。 数据交换初始化读识别无电准备充电选择取消选择图 5.4 状态转换图首先，标签进入读写器的射频场，从无电状态进入准备状态。读写器通过“组选择”和“取消选择”命令来选择工作范围内处于准备状态中所有或者部分的标签，来参与冲突判断过程。为解决冲突判断问题，标签内部有两个装置：一个 8bit 的计数器；一个 0 或 1 的随机数发生器。标签进入 ID 状态的同时把它的内部计数器清“0” 。它们中的一部分可以通过接超高频射频识别系统读写器设计收“取消”命令重新回到准备状态，其它处在识别状态的标签进入冲突判断过程。被选中的标签开始进行下面循环：第一步：所有处于 ID 状态并且内部计数器为 0 的标签将

39、发送它们的 UID。第二步：如果多于一个的标签发送，读写器将发送失败命令。第三步：所有收到失败命令且内部计数器不等于 0 的标签将其计数器加1。收到失败命令且内部计数器等于 0 的标签(刚刚发送过应答的标签) 将产生一个“1”或“0”的随机数，如果是“1” ，它将自己的计数器加 1；如果是“0” ，就保持计数器为 0 并且再次发送它们的 UID。第四步：如果有一个以上的标签发送，将重复第二步操作；第五步：如果所有标签都随机选择了“1” ，则读写器收不到任何应答，它基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 15 页 将发送成功命令，所有应答器的计数器减 1，然后计数器等于 0 的应答器开始

40、发送，接着重复第二步操作；第六步：如果只有一个标签发送并且它的 UID 被正确接收，读写器将发送包含 UID 的数据读命令，标签正确接收该条命令后将进入数据交换状态，接着将发送它的数据。读写器将发送成功命令，使处于 ID 状态的标签的计数器减1；第七步：如果只有一个标签的计数器等于 1 并且返回应答，则重复第五和第六步操作；如果有一个以上的标签返回应答，则重复第二步操作；第八步：如果只有一个标签返回应答，并且它的 UID 没有被正确接收，读写器将发送一个重发命令。如果 UID 被正确接收，则重复第五步操作。如果UID 被重复几次的接收(这个次数可以基于信息平台的错误处理标准来设定) ，就假定有

41、一个以上的标签在应答，重复第二步操作。5）耦合方式射频识别系统中电子标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要问题，通常情况下这种作用距离定义为电子标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。射频识别系统的作用距离是一项综合指标，与电子标签及读写器的配合情况密切相关。 根据射频识别系统作用距离的远近情况，电子标签天线与读写器天线之间的耦合可分为以下三类：1、密耦合系统；2、遥耦合系统；3、远距离系统。1、密耦合系统密耦合系统的典型作用距离范围从 01cm。实际应用中，通常需要将电子标签插入读写器中或将其放置到读写器的天线的表面。密耦合系统利用的是电子标签与读写器天线无功近场区之间的电

42、感耦合（闭合磁路）构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。密耦合系统的工作频率一般局限在 30MHz 以下的任意频率。由于密耦合方式的电磁泄露很小、耦合获得的能量较大，因而可适合要求安全性较高，作用距离无要求的应用系统。2、遥耦合系统遥耦合系统的典型作用距离可以达到 1m。遥耦合系统又可细分为近耦合系统（典型作用距离为 15cm）与疏耦合系统（典型作用距离为 1m）两类。遥耦合基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 16 页 系统利用的是电子标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。遥耦合系统的典型工作频率为13.56MHz，也有一些其

43、他频率，如 6.75MHz、27.125MHz 等。遥耦合系统目前仍然是低成本射频识别系统的主流。3、远距离系统远距离系统的典型作用距离从 1m 到 10m，个别的系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用电子标签与读写器天线辐射远场区之间的电磁耦合（电磁波发射与反射）构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。远距离系统的典型工作频率为：915MHz、2.45GHz、5.8GHz，此外，还有一些其他频率，如 433MHz 等。远距离系统的电子标签根据其中是否包含电池分为有无源电子标签（不含电池）和半无源电子标签（内含电池） 。一般情况下，包含有电池的电子标签的作用距离较无电池的电子标签的作

44、用距离要远一些。远距离系统一般情况下均采用反射调制工作方式实现电子标签到读写器方向的数据传输。远距离系统一般具有典型的方向性，电子标签与读写器成本目前还处于较高的水平。从技术角度来说，满足以下特点的远距离系统是理想的射频识别系统： 1.电子标签无源；2.电子标签可无线读写；3.电子标签与读写器支持多标签读写；4.远距离（读写距离大于 5m10m） ；5.低成本；但在现实的远距离系统应用一般均只能满足其中的几款要求。本方案在选取电子标签时尽量按理想射频识别系统的特点进行选取。5.5. 电子标签的封装作为感知层输变电物联网信息的载体，电子标签不受“卡”的限制，形态材质也有多姿多彩的发展空间。它的产

45、品分三大类：标签类、注塑类、卡片类。1）标签类带自粘功能的标签，可以在生产线上由贴标机揭贴在箱、瓶等物品上，或基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 17 页 手工粘在车窗上、证件上，也可以制成吊牌挂、系在物品上，用标签复合设备完成加工过程。产品结构由面层、芯片线路（INLAY）层、胶层、底层组成。面层可以用纸、PP、PET 作覆盖材料（印刷或不印刷）等多种材质作为产品的表面；芯片线路（INLAY）有多种尺寸、多种芯片、多种 EEPROM 容量，可按用户需求配置后定位在带胶面；胶层由双面胶式或涂胶式完成；底层有两种情况：一为离型纸（硅油纸） ，二为覆合层（按用户要求） 。成品形态可以为

46、卷料或单张。2）注塑类可按应用不同采用各种塑料加工工艺，制成内含 Transponder 的筹码、钥匙牌、手表等异形产品。 3）卡片类PVC 卡片：相似于传统的制卡工艺即印刷、配 Transponder（INLAY） 、层压、冲切。可以符合 ISO-7810 卡片标准尺寸，也可按需加工成异形。纸、PP 卡：由专用设备完成，它在尺寸、外形、厚度上并不作限制。结构为面层（卡纸类） 、Transponder（INLAY）层、底层（卡纸等）粘合而成。5.6. 电子标签内存信息的写入方式电子标签读写器的基本功能是无接触读取电子标签中的数据信息。从功能角度来说，单纯实现无接触读取电子标签信息的设备称为读写

47、器、读出装置、扫描器等。单纯实现向电子标签内存中写入信息的设备称为发卡机、编程器、写入器等。射频标签信息的写入方式大致可以分为以下三种类型 ：1）电子标签在出厂时，即已将完整的标签信息写入标签。这种情况下，应用过程中，电子标签一般具有只读功能。只读标签信息的写入，在更多的情况下是在电子标签芯片的生产过程中即标签信息写入芯片，使得每一个电子标签拥有一个唯一的标识 UID（如 64Bits） 。应用中，需再建立标签唯一 UID 与待识别物品的标识信息之间的对应关系。只读标签信息的写入也有在应用之前，由专用的初始化设备将完整的标签信息写入。2）电子标签信息的写入采用有线接触方式实现，一般称这种标签信

48、息写入装置为编程器。这种接触式的电子标签信息写入方式通常具有多次改写的能力。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 18 页 标签在完成信息注入后，通常需将写入口密闭起来，以满足应用中对其防潮、防水、防污等要求。 3）电子标签在出厂后，允许用户通过专用设备以无接触的方式向电子标签中写入数据信息。这种专用写入功能通常与电子标签读取功能结合在一起形成电子标签读写器。具有无线写入功能的电子标签通常也具有其唯一的不可改写的 UID。这种功能的电子标签趋向于一种通用射频标签，应用中，可根据实际需要仅对其 UID 进行识读或仅对指定的电子标签内存单元（一次读写的最小单位）进行读写。 4）应用中，还

49、广泛存在着一次写入多次读出 WORM（Write Once Read Many）的电子标签。这种 WORM 概念即有接触式改写的电子标签存在，也有无接触式改写的电子标签存在。无论是怎样的情况，对电子标签的写操作均应在一定的授权控制之下进行。否则，将失去电子标签标识物品的意义。5.7. 标签的选择根据以上的说明中，电子标签在最终的安装时，根据需要一般分为有源电子标签和无源电子标签。下面分别从各个方面对有源无源的电子标签的优缺点进行阐述，根据其优缺点在适当的场合选用合适的电子标签。1）有源电子标签有源电子标签优点：是能在读写器有限的射频功率下，相对于无源电子标签而言，其读写距离大大增加，其理论读写

50、距离最大可达到 150 米。有源电子标签缺点：因为电子标签的有源性质决定了它在工作时，能量是由其自身提供，因此电子标签的储能容量决定了其工作寿命，在电子标签中的电池即将耗尽时需要对其进行维护，更换电池，且有源电子标签在经济成本上比无源电子标签要昂贵。2）无源电子标签无源电子标签优点：无源电子标签无需储能，自身根据读写器发射的射频信号进行能量转换，因此其免维护性是无源电子标签的一个很大优势。无源电子标签制作成本低，经济效益高。无源电子标签缺点：无源电子标签读写器距离由其信号的接发送能力局限基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 19 页 性，限制了它的工作读写距离。读写距离一般都较近，最

51、大理论读取距离 15 米，在实际应用场合中，一些场合无法使用。综合无源和有源电子标签的优缺点，结合本项目的实际运用环境和电子标签的维护性，因此在最终的电子标签选择使用时，建议尽可能的使用无源电子标签。6.读写器读写器6.1. 读写器的工作原理读写器在工作状态时，向周围的电子标签发出一组固定频率的电磁波，电子标签内有一个 LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到一定电压时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将电子标签内的

52、数据发送出去或接收读写器的数据。6.2. 识别功能识别就是对标示信息进行处理和分析，实现对事物进行描述、辨认、分类和解释的过程。RFID 射频识别技术属于存储识别，通过识别技术对标示信息进行采集分析与处理。读写器是用来读或者写标签信息的设备，读写器与电子标签之间通过空间信道实现通信，读写器向电子标签发送操作命令，电子标签接收读写器的命令后做出必要的响应，由此实现射频识别。此外，在射频识别应用中，通过读写器实现的对标签数据的操作信息均要与上层应用系统交换，这就形成了读写器与应用系统程序之间的接口 API(Application Program Interface，应用程序接口)。通常要求读写器能

53、够接收并解析来自应用系统的命令，并且根据应用系统的命令作出相应的响应，从而构成从底层数据采集到上层应用的完整的 RFID 系统。在智能感知层中有主检测 EID，其主 IED 具有读写器的功能，在适当的情况下可以取代部分固定读写器使用。6.3. 读写器的选取6.3.1 读写器天线基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 20 页 读写器与电子标签之间的读写距离除了与通信协议，工作功率有关外，还有一个非常重要的影响因素就是读写器的天线。在射频装置中，工作频率增加到微波的时候，读写器天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片，这就需要天线和自由空间以及其相

54、连的标签芯片的相匹配。全向天线应该避免在标签中使用，因为这类天线在使用的过程中，其它与全向天线接近的物体可以降低天线的返回损耗，而且影响比较显著。因此，需要尽可能的使用方向性天线，它具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和 ASIC 匹配。选择天线的类型时，天线的阻抗能够与标签芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。天线必须满足的条件：1.足够的小以至于能够贴到需要的物品上 2.具有方向性 3.最大可能的提供信号能量给电子标签的芯片 4.无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配 在选择天线的时候的主要考虑是：1.天线的类型 2.天线的阻抗 3.在应用

55、到物品上的射频识别的性能 4.在有其它的物品围绕贴标签物品时的射频识别性能6.3.2 固定式/手持式读写器在示范工程的实际过程中，读写器的使用包括固定式/手持式读写器两种使用方式，固定式可应用于感知层末端，对输变电设备上所贴的电子标签进行数据的读写操作；手持式读写器可应用于电力系统的电力巡检，能让电力巡检人员实时的了解到所巡视设备的实时信息和历史信息，并帮助其作出巡检判断。读写器按照工作频段可以分为四类：LF 低频读写器，HF 高频读写器，UHF 超高频读写器及 UHF 甚高频读写器。鉴于本标识体系主要应用在输变电设备环境下，需要进行较大范围中电子标签的读取，因此，建议选择超高频读写器或者微波

56、读写器。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 21 页 对于读写器，关键在于以下几个参数：读取速率及防冲突能力，读取灵敏度。读取速率高，数据处理能力越强，越能显现在批量处理时的优势。防冲突能力越强，一次性读取到的标签数量也就越多。灵敏度越高，标签被读取到的几率越大。同时，读写器外形上的设计，也会影响到其读写性能。设计比较紧凑及小巧的固定式读写器，一般不适合做全天候大批量数据处理。其原因为当读写器在一个时间段内一直处于满负荷工作状态，读写器内部温度就会比较高，散热处理不好，会影响工作效率，甚至出现死机或者设备运转异常。对于数据处理量不大，环境比较简单的地方，可以选择较为小巧的读写器，这

57、样既可以节省空间，又方便安装。6.4. 通信接口读写器进行读写的目的是通过读写电子标签里的信息，根据相应的指令与信息平台之间进行数据交互。读写器作为一个与传输和初步处理信息数据的移动或者固定式的终端信息采集设备，在与后台进行数据通信时有它自身的标准物理通信接口。读写器物理通信接口一般比较常用的有 RS232 和 TCP/IP。考虑到在输变电设备中对信息的传输需要在全景信息平台和智能终端两者中进行数据交换，在智能终端没有统一接口和规范的情况下就需要在对读写器的有线数据接入端口进行兼容。读写器与信息平台进行数据交换的物理通信接口主要有RS232、TCP/IP 接口、USB、RS485 接口等。7.

58、通信方式通信方式物联网的通信层担负着极其重要的信息传递、交换和传输的重任，它必须能够可靠地、实时地采集覆盖区中的各种信息并进行处理，处理后的信息可通过有线或无线方式发送给远端。物联网传输层的通信方式主要有：无线通信和有线通信两种方式。目前在涉及物联网时，对无线通信方式讨论的比较多，RFID、传感网、3G 等都属于无线通信的范畴。不过目前有线和无线两种通信方式对物联网的通信而言同等重要，而且具有相互补充的作用。互联网向着物物相连迈进的最后接入系统的终端设备中，短距离无线通信技术将会是物联网通信技术中的关键技术之一。基于 EPC 的输变电设备物联网标识体系方案第 22 页 7.1. 无线通信物联网

59、的规模和终端的形式都在互联网的基础上有了一个很大的发展和延伸，联结的物体数量更多，终端的软硬件结构形式和智能化程度也更加复杂多变。由于有线网络连接在空间上的局限性，要将这些输变电设备实时的联入整个全景信息平台中，无线通信技术在其中起到了至关重要的作用。无线通信技术消除了有线网络对接入设备的位置限制，同时也节省了光纤、电缆等有线信号传输设施的成本。无线网络包含了一系列的无线通信协议。例如 WiFi、蓝牙、3G、ZigBee协议等等。为了更加准确区别不同协议的特性，首先要了解一些组成无线网络的基本元素，包括有：1）无线网络用户无线网络用户是指具备无线通信能力，并可将无线通信信号转化为有效信息的终端

60、设备。如，装有 WiFi 无线模块的 PC 机、笔记本电脑或者是 PDA（个人数字数理） 、装有 3G 通信模块的手机等等。2）无线连接无线接入是指无线网络用户与基站或者无线网络用户之间用以传输数据的通路。相对于优先网络中的电缆、光缆、同轴电缆等物理连接介质，无线连接主要通过无线电波、光波作为传输载体。不同无线连接技术提供不同的数据传输速率和传输距离。3）基站基站的职责是将一些无线网络用户连接到更大的网络中。无线网络用户通过基站接收和发送数据包，基站将用户的数据包发给它所属的上层网络，并将上层网络的数据包转发给指定的无线网络用户。根据不同的无线连接协议，相应基站的名称和覆盖的范围是不同的。基于