rfid標(biāo)簽怎樣制作成嵌入式的溫度檢測系統(tǒng)

0 引言

RFID技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，它利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸目標(biāo)識別并能讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。由于RFID技術(shù)具有成本低、速度快、識別距離遠(yuǎn)、可多目標(biāo)同時識別等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于物流管理、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、商品防偽等領(lǐng)域［1］。如果將傳感器技術(shù)與RFID技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、目標(biāo)識別等多種功能，將極大地拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用前景。

溫度測量是較為常見的測量需求，在許多無源超高頻RFID的應(yīng)用領(lǐng)域里都有著對溫度信息的監(jiān)控需求，例如需要監(jiān)控存儲物品的溫度、動物或人體的體溫、環(huán)境溫度等［2］。如果將溫度傳感器嵌入無源超高頻RFID標(biāo)簽中，不僅能夠進行身份識別，而且能夠自動實時監(jiān)控周圍環(huán)境的溫度，將大大拓展其應(yīng)用范圍。相比于其他傳統(tǒng)溫度監(jiān)測方法，基于RFID溫度標(biāo)簽的溫度監(jiān)測具有能夠身份識別、測溫節(jié)點體積小、成本低和壽命長等優(yōu)點［3］。

本文針對課題組研制的嵌入CMOS溫度傳感器的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽［4］，設(shè)計實現(xiàn)了一種無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括嵌入了CMOS溫度傳感器的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽、手持式讀寫器和溫度監(jiān)測軟件。系統(tǒng)可實現(xiàn)無線溫度測量和標(biāo)簽正常讀寫等功能。由于CMOS溫度傳感器的測溫精度會受工作電壓影響，而無源超高頻標(biāo)簽內(nèi)部工作電壓是由標(biāo)簽接收到的功率大小所決定。因此，為了提高測溫精度，確保標(biāo)簽進行溫度測量時能夠接收到近似最優(yōu)的電磁波能量［5］，提出了一種動態(tài)功率匹配算法。通過實時調(diào)整手持機的發(fā)射功率來提高溫度標(biāo)簽的測溫精度，并通過計時器機制和最大功率點的RSSI值確定算法初始功率，加快溫度測量所需時間。

1 硬件系統(tǒng)

溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件由超高頻RFID手持機和無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽組成，其中手持機選用ZY-H2000 手持式讀寫器。該讀寫器集成了Impinj Indy R2000 閱讀器芯片，兼容EPC C1 G2國際標(biāo)準(zhǔn)［6］，最大輸出功率為28 dBm。

無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽由課題組自主研發(fā)，整個溫度標(biāo)簽由標(biāo)簽芯片和片外天線組成，所實現(xiàn)的標(biāo)簽樣式和芯片照片如圖1所示，其中標(biāo)簽芯片主要由射頻模擬前端、存儲器、溫度傳感器和基帶處理器四個部分組成。射頻/模擬前端電路主要提供了芯片與外界信道的射頻接口，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生芯片內(nèi)部其他模塊所需的模擬信號。存儲器主要用于在斷電后存儲標(biāo)簽的編號和其他相關(guān)的用戶信息，并且在必要時可以對存入標(biāo)簽的信息進行修改，因此該存儲器一般采用多次可編程的非易失性存儲器［7］。溫度傳感器用于將溫度信息轉(zhuǎn)換為便于存儲和處理的數(shù)字信號?；鶐幚砥髦饕?fù)責(zé)通信協(xié)議的處理，使芯片的操作流程符合協(xié)議的規(guī)范要求，同時它還負(fù)責(zé)控制存儲器和傳感器按照要求進行工作。

標(biāo)簽芯片中的CMOS溫度傳感器采用襯底PNP管作為核心溫度感知元件，并使用開關(guān)電容電路實現(xiàn)的極低功耗二階sigma-delta ADC將模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息［8］，使得CMOS溫度傳感器的功耗極低，最終使得無源標(biāo)簽芯片可以通過射頻能量收集電路吸收電磁波，啟動傳感器進行溫度測量。該標(biāo)簽與EPC C1 G2國際標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，可以使用通用的超高頻商用閱讀器進行數(shù)據(jù)交互。

最終實現(xiàn)的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽的測溫范圍是-30 ℃～50 ℃，測溫誤差為-1.0 ℃/1.2 ℃，測量分辨率為0.18 ℃。

2 溫度監(jiān)測軟件

2.1 RFID手持機

本文中手持機選用ZY-H2000手持式讀寫器，該讀寫器支持EPC C1 G2標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置Windows CE 6.0操作系統(tǒng)。WINCE6.0是一個支持多線程、多任務(wù)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的性能和良好的用戶圖形界面，繼承了桌面版Windows豐富的功能和軟件開發(fā)模式［9］。在手持機上實現(xiàn)的溫度監(jiān)測軟件是基于C++語言開發(fā)實現(xiàn)。下面將詳細(xì)介紹溫度監(jiān)測軟件的開發(fā)流程。

2.2 動態(tài)功率匹配算法

無源超高頻RFID標(biāo)簽中嵌入了CMOS溫度傳感器，由于CMOS溫度傳感器性能受內(nèi)部工作電壓影響，而標(biāo)簽通過吸收天線發(fā)射的電磁波作為其工作所需的能源，因此芯片內(nèi)部CMOS溫度傳感器能否正常工作由天線發(fā)射功率決定。當(dāng)天線發(fā)射功率過小時，溫度標(biāo)簽芯片吸收的能量不足以開啟內(nèi)部溫度傳感器;當(dāng)天線發(fā)射功率過大時，會降低標(biāo)簽可靠性，導(dǎo)致測溫誤差增大。因此在利用溫度標(biāo)簽進行溫度測量時，需要動態(tài)調(diào)整手持機天線的發(fā)射功率，為標(biāo)簽匹配最佳測溫功率，確保溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

動態(tài)功率匹配算法的主要思想是：手持機天線的發(fā)射功率從某一“初始功率”開始，每次增加1 dBm，在該功率點下進行多次測溫測量。當(dāng)某一功率點下能夠測得多個溫度數(shù)據(jù)，且多個測量值的最大最小值相差小于某一閾值，則可判斷當(dāng)前功率點為最佳測溫功率，取該功率點下多個測量值的平均溫度值為最終測得的溫度。

在進行動態(tài)功率匹配時，當(dāng)標(biāo)簽與手持機天線的距離較遠(yuǎn)時，如果“初始功率”設(shè)定為手持機的最小發(fā)射功率，則需要花費較長的時間來尋找最佳測溫功率。為了提高系統(tǒng)的測溫速度，將RSSI值作為手持機接收到標(biāo)簽的信號強度指標(biāo)［9］，并以此確定“初始功率”。另一方面，當(dāng)手持機天線發(fā)射功率小于最佳測溫功率時，手持機可能無法掃描到溫度標(biāo)簽，或是無法向溫度標(biāo)簽寫入控制字，此時寫入控制字這一操作將會浪費較長時間，因此在算法中加入了計時器機制，當(dāng)在該功率點下所用時間超過某一閾值，則停止該功率點的溫度測量，繼續(xù)執(zhí)行下一功率點的相關(guān)操作，這樣能減少標(biāo)簽在不合適的測溫功率下所浪費的時間，提高了溫度標(biāo)簽的測溫效率。

2.3 溫度監(jiān)測軟件的實現(xiàn)

溫度監(jiān)測軟件主要實現(xiàn)了溫度測量和標(biāo)簽讀寫的功能，結(jié)合上述動態(tài)功率匹配算法，溫度監(jiān)測軟件的流程圖如圖2所示。

本文中無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽符合EPC C1 G2國際標(biāo)準(zhǔn)，其存儲空間包括EPC區(qū)、TID區(qū)、保留內(nèi)存區(qū)、用戶數(shù)據(jù)區(qū)［10］四部分，溫度監(jiān)測軟件實現(xiàn)了對溫度標(biāo)簽存儲空間的讀寫功能，可完成EPC碼修改、用戶數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫操作等，其主要實現(xiàn)過程如圖3所示。

3 實驗驗證

實驗測試環(huán)境如圖4所示，溫度標(biāo)簽貼于物品上，手持機閱讀器正對溫度標(biāo)簽，按下手持機手柄的掃描按鈕開始進行溫度測量。

圖5所示為手持機上溫度監(jiān)測軟件的運行主界面，界面中Tep字段代表測量的溫度值。實驗中手持機和溫度標(biāo)簽的距離分別為10 cm、30 cm、50 cm，每個距離都分別進行10次溫度測量，每次溫度測量操作均在平均5 s以內(nèi)測量出來，其測量結(jié)果如表1所示。此時使用AMETEK DTI-050高精度溫度計（誤差小于±0.1 ℃）所測得的環(huán)境溫度為24.0 ℃。根據(jù)表格可知3個距離的測溫誤差分別為-0.3/0.3 ℃、-0.4/0.5 ℃、-0.6/0.7 ℃，誤差均在±1 ℃以內(nèi)，且手持機與溫度標(biāo)簽距離越近，其測溫誤差越小，測量值更接近實際溫度值。這是因為距離越近，溫度標(biāo)簽?zāi)芙邮盏降哪芰吭郊泻头€(wěn)定，在確定最佳測溫功率后，溫度標(biāo)簽?zāi)軌蛟谝?guī)定的定時器時間內(nèi)得到更多的測量值。因此，多個測量值計算出的平均溫度值會更貼近實際溫度值。

4 結(jié)論

針對課題組研發(fā)的一種超低功耗的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于超高頻RFID手持機的嵌入式溫度監(jiān)測軟件，實現(xiàn)了溫度實時測量和標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀寫功能。為了提高測溫精度，提出了動態(tài)功率匹配算法，確保溫度標(biāo)簽在最佳測溫功率下工作。算法中加入計時器機制，并且通過最大功率下RSSI值確定算法初始功率，有效減少了溫度測量所需時間，提高了測溫效率。

責(zé)任編輯：ct