基于RFID溫度標(biāo)簽的嵌入式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　0 引言

　　RFID技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸目標(biāo)識(shí)別并能讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)。由于RFID技術(shù)具有成本低、速度快、識(shí)別距離遠(yuǎn)、可多目標(biāo)同時(shí)識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于物流管理、交通運(yùn)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(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、目標(biāo)識(shí)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(cè)量是較為常見(jiàn)的測(cè)量需求，在許多無(wú)源超高頻RFID的應(yīng)用領(lǐng)域里都有著對(duì)溫度信息的監(jiān)控需求，例如需要監(jiān)控存儲(chǔ)物品的溫度、動(dòng)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(wú)源超高頻RFID標(biāo)簽中，不僅能夠進(jìn)行身份識(shí)別，而且能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)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(cè)方法，基于RFID溫度標(biāo)簽的溫度監(jiān)測(cè)具有能夠身份識(shí)別、測(cè)溫節(jié)點(diǎn)體積小、成本低和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

　　本文針對(duì)課題組研制的嵌入CMOS溫度傳感器的無(wú)源超高頻RFID溫度標(biāo)簽[4]，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括嵌入了CMOS溫度傳感器的無(wú)源超高頻RFID溫度標(biāo)簽、手持式讀寫(xiě)器和溫度監(jiān)測(cè)軟件。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度測(cè)量和標(biāo)簽正常讀寫(xiě)等功能。由于CMOS溫度傳感器的測(cè)溫精度會(huì)受工作電壓影響，而無(wú)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(cè)溫精度，確保標(biāo)簽進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)能夠接收到近似最優(yōu)的電磁波能量[5]，提出了一種動(dòng)態(tài)功率匹配算法。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整手持機(jī)的發(fā)射功率來(lái)提高溫度標(biāo)簽的測(cè)溫精度，并通過(guò)計(jì)時(shí)器機(jī)制和最大功率點(diǎn)的RSSI值確定算法初始功率，加快溫度測(cè)量所需時(shí)間。

　　1 硬件系統(tǒng)

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

　　無(wú)源超高頻RFID溫度標(biāo)簽由課題組自主研發(fā)，整個(gè)溫度標(biāo)簽由標(biāo)簽芯片和片外天線組成，所實(shí)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(chǔ)器、溫度傳感器和基帶處理器四個(gè)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(hào)。存儲(chǔ)器主要用于在斷電后存儲(chǔ)標(biāo)簽的編號(hào)和其他相關(guān)的用戶信息，并且在必要時(shí)可以對(duì)存入標(biāo)簽的信息進(jìn)行修改，因此該存儲(chǔ)器一般采用多次可編程的非易失性存儲(chǔ)器[7]。溫度傳感器用于將溫度信息轉(zhuǎn)換為便于存儲(chǔ)和處理的數(shù)字信號(hào)?；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(shí)它還負(fù)責(zé)控制存儲(chǔ)器和傳感器按照要求進(jìn)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(kāi)關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)的極低功耗二階sigma-delta ADC將模擬溫度信號(hào)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(wú)源標(biāo)簽芯片可以通過(guò)射頻能量收集電路吸收電磁波，啟動(dòng)傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。該標(biāo)簽與EPC C1 G2國(guó)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

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

　　2 溫度監(jiān)測(cè)軟件

　　2.1 RFID手持機(jī)

　　本文中手持機(jī)選用ZY-H2000手持式讀寫(xiě)器，該讀寫(xiě)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(gè)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(kāi)發(fā)模式[9]。在手持機(jī)上實(shí)現(xiàn)的溫度監(jiān)測(cè)軟件是基于C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。下面將詳細(xì)介紹溫度監(jiān)測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)流程。

　　2.2 動(dòng)態(tài)功率匹配算法

　　無(wú)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(guò)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(guò)小時(shí)，溫度標(biāo)簽芯片吸收的能量不足以開(kāi)啟內(nèi)部溫度傳感器;當(dāng)天線發(fā)射功率過(guò)大時(shí)，會(huì)降低標(biāo)簽可靠性，導(dǎo)致測(cè)溫誤差增大。因此在利用溫度標(biāo)簽進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整手持機(jī)天線的發(fā)射功率，為標(biāo)簽匹配最佳測(cè)溫功率，確保溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

　　動(dòng)態(tài)功率匹配算法的主要思想是：手持機(jī)天線的發(fā)射功率從某一“初始功率”開(kāi)始，每次增加1 dBm，在該功率點(diǎn)下進(jìn)行多次測(cè)溫測(cè)量。當(dāng)某一功率點(diǎn)下能夠測(cè)得多個(gè)溫度數(shù)據(jù)，且多個(gè)測(cè)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(diǎn)為最佳測(cè)溫功率，取該功率點(diǎn)下多個(gè)測(cè)量值的平均溫度值為最終測(cè)得的溫度。

　　在進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率匹配時(shí)，當(dāng)標(biāo)簽與手持機(jī)天線的距離較遠(yuǎn)時(shí)，如果“初始功率”設(shè)定為手持機(jī)的最小發(fā)射功率，則需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)尋找最佳測(cè)溫功率。為了提高系統(tǒng)的測(cè)溫速度，將RSSI值作為手持機(jī)接收到標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)[9]，并以此確定“初始功率”。另一方面，當(dāng)手持機(jī)天線發(fā)射功率小于最佳測(cè)溫功率時(shí)，手持機(jī)可能無(wú)法掃描到溫度標(biāo)簽，或是無(wú)法向溫度標(biāo)簽寫(xiě)入控制字，此時(shí)寫(xiě)入控制字這一操作將會(huì)浪費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，因此在算法中加入了計(jì)時(shí)器機(jī)制，當(dāng)在該功率點(diǎn)下所用時(shí)間超過(guò)某一閾值，則停止該功率點(diǎn)的溫度測(cè)量，繼續(xù)執(zhí)行下一功率點(diǎn)的相關(guān)操作，這樣能減少標(biāo)簽在不合適的測(cè)溫功率下所浪費(fèi)的時(shí)間，提高了溫度標(biāo)簽的測(cè)溫效率。

　　2.3 溫度監(jiān)測(cè)軟件的實(shí)現(xiàn)

　　溫度監(jiān)測(cè)軟件主要實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量和標(biāo)簽讀寫(xiě)的功能，結(jié)合上述動(dòng)態(tài)功率匹配算法，溫度監(jiān)測(cè)軟件的流程圖如圖2所示。

　　本文中無(wú)源超高頻RFID溫度標(biāo)簽符合EPC C1 G2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其存儲(chǔ)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(cè)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度標(biāo)簽存儲(chǔ)空間的讀寫(xiě)功能，可完成EPC碼修改、用戶數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作等，其主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

　　3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境如圖4所示，溫度標(biāo)簽貼于物品上，手持機(jī)閱讀器正對(duì)溫度標(biāo)簽，按下手持機(jī)手柄的掃描按鈕開(kāi)始進(jìn)行溫度測(cè)量。

　　圖5所示為手持機(jī)上溫度監(jiān)測(cè)軟件的運(yùn)行主界面，界面中Tep字段代表測(cè)量的溫度值。實(shí)驗(yàn)中手持機(jī)和溫度標(biāo)簽的距離分別為10 cm、30 cm、50 cm，每個(gè)距離都分別進(jìn)行10次溫度測(cè)量，每次溫度測(cè)量操作均在平均5 s以內(nèi)測(cè)量出來(lái)，其測(cè)量結(jié)果如表1所示。此時(shí)使用AMETEK DTI-050高精度溫度計(jì)(誤差小于±0.1 ℃)所測(cè)得的環(huán)境溫度為24.0 ℃。根據(jù)表格可知3個(gè)距離的測(cè)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(jī)與溫度標(biāo)簽距離越近，其測(cè)溫誤差越小，測(cè)量值更接近實(shí)際溫度值。這是因?yàn)榫嚯x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(cè)溫功率后，溫度標(biāo)簽?zāi)軌蛟谝?guī)定的定時(shí)器時(shí)間內(nèi)得到更多的測(cè)量值。因此，多個(gè)測(cè)量值計(jì)算出的平均溫度值會(huì)更貼近實(shí)際溫度值。

　　4 結(jié)論

　　針對(duì)課題組研發(fā)的一種超低功耗的無(wú)源超高頻RFID溫度標(biāo)簽，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于超高頻RFID手持機(jī)的嵌入式溫度監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量和標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能。為了提高測(cè)溫精度，提出了動(dòng)態(tài)功率匹配算法，確保溫度標(biāo)簽在最佳測(cè)溫功率下工作。算法中加入計(jì)時(shí)器機(jī)制，并且通過(guò)最大功率下RSSI值確定算法初始功率，有效減少了溫度測(cè)量所需時(shí)間，提高了測(cè)溫效率。

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