RFID技術(shù)的無(wú)源傳感器標(biāo)簽功能及設(shè)計(jì)

　　在任何給定時(shí)間內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 中大多數(shù)設(shè)備都可能處于空閑狀態(tài)。通常，僅需要 IoT 傳感器以不頻繁的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量，并向信號(hào)收集器發(fā)送少量結(jié)果數(shù)據(jù)，然后返回最低耗能狀態(tài)，直到進(jìn)行下一次測(cè)量。有的智能傳感器可通過小型電池供電，無(wú)需充電或更換即可使用數(shù)年。

　　如果能夠消除永久連接電源的需求，傳感器就可實(shí)現(xiàn)無(wú)限期部署，并可制作得更小、更輕。這為新型傳感器開發(fā)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，例如可以舒適穿戴的非侵入式醫(yī)學(xué)傳感器。連接到皮膚上的無(wú)線溫度感測(cè)貼片可以不時(shí)地執(zhí)行快速檢查，相比于有線傳感器，穿戴者可以更自由地活動(dòng)。相比可重復(fù)使用的引線式傳感器，一次性貼片還具有衛(wèi)生優(yōu)勢(shì)。

　　許多其他應(yīng)用在粘性傳感器貼片出現(xiàn)以后獲益良多，如監(jiān)測(cè)溫度、濕度或壓力。它們還可用于人員檢測(cè)、工業(yè)過程無(wú)連接監(jiān)測(cè)、或者智能農(nóng)業(yè)，如監(jiān)測(cè)土壤或溫室條件，或者檢查牲畜體溫。

　　一種結(jié)合了超低功耗傳感器和 RFID 技術(shù)的全新智能傳感器正在興起。僅在 RFID 讀取器需要記錄讀數(shù)時(shí)，才會(huì)通過其發(fā)射的射頻場(chǎng)為這些傳感器供電。諸如此類的無(wú)電池傳感器僅在需要時(shí)才采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀取器，不會(huì)單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量或者存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　圖 1 表示無(wú)源貼片傳感器的功能塊簡(jiǎn)化概述，包括到模擬或數(shù)字變送器的前端接口、信號(hào)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信和電源管理。為了集成各種元件，來(lái)構(gòu)建以有限射頻場(chǎng)能量進(jìn)行工作的系統(tǒng)，需要有成熟的低功耗設(shè)計(jì)，并仔細(xì)考慮計(jì)算負(fù)載并進(jìn)行有效的功率管理。這樣的傳感器必須小巧靈活，易于貼裝，并且如果是可穿戴設(shè)備，還必須舒適，如生物傳感器。

　　圖 1：利用 RFID 技術(shù)的無(wú)源傳感器標(biāo)簽功能元件

　　芯片和傳感器標(biāo)簽

　　幸運(yùn)的是，有多種集成度更高的無(wú)源感測(cè)和優(yōu)化選擇。其中有 Texas Instruments 的 RF430FRL152H，它集成了實(shí)現(xiàn)圖 1 所示功能所需的所有電路，包括用于連接到模擬傳感器的 14 位三角積分 ADC、以及可用于連接數(shù)字傳感器的 SPI/I2C 端口。RF430FRL15xH 帶有通過鐵電 RAM (FRAM) 實(shí)現(xiàn)的 2 KB 非易失性存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了低功耗、快速讀寫速度、無(wú)限次讀/寫耐久性和高電磁抗擾度綜合優(yōu)勢(shì)。并且，由于 FRAM 可以在低供電電壓下工作，因此無(wú)需充電泵來(lái)產(chǎn)生升高的編程電壓。集成無(wú)線電符合 ISO 15693，允許使用標(biāo)準(zhǔn) NFC/RFID 讀取器或啟用 NFC 的智能電話來(lái)讀取傳感器。

　　RF430FRL15xH 還提供了一個(gè)評(píng)估套件，由一塊基板以及集成天線與環(huán)境光和溫度傳感器組成。支持固件包括 RF 堆棧、驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)和引導(dǎo)代碼。受 TI 的 Code Composer Studio 設(shè)計(jì)環(huán)境支持。另外還提供傳感器集線器增強(qiáng)包擴(kuò)展板，其中含有 MEMS 運(yùn)動(dòng)傳感器和壓力、濕度、溫度和光傳感器。

　　提供的參考設(shè)計(jì)涵蓋構(gòu)建用于測(cè)量溫度或皮電反應(yīng)的生物傳感器貼片所需的一切，包括使用 NFC 詢問傳感器的 Android 手機(jī)應(yīng)用、以及一個(gè)用于配置和展示貼片的 PC GUI。

　　集成智能無(wú)源傳感器

　　ON Semiconductor 采取了一種不同的方法，開發(fā)出全集成式智能無(wú)源傳感器，用于監(jiān)測(cè)溫度、濕度或壓力。

　　支持這些傳感器的生態(tài)系統(tǒng)包括多合一開發(fā)套件和具有自身內(nèi)置 GUI 和 IoT 連接的便攜式電池供電讀取器。該讀取器可從傳感器標(biāo)簽采集數(shù)據(jù)。多種商用固定式或手持式讀取器經(jīng)測(cè)試也可與這些標(biāo)簽配合使用。

　　如圖 2 所示，ON Semiconductor 智能無(wú)源傳感器采用激勵(lì)回路，能夠通過測(cè)量阻抗變化實(shí)現(xiàn)濕度或壓力監(jiān)測(cè)，并采用了一個(gè)無(wú)微控制器的自微調(diào) IC，其中含有自適應(yīng) RFID 前端、片載溫度傳感器以及用于唯一標(biāo)識(shí)的集成式存儲(chǔ)器。標(biāo)簽使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)第 2 代 UHF 協(xié)議進(jìn)行通信。當(dāng)讀取器初始化通信時(shí)，IC 測(cè)量此激勵(lì)回路內(nèi)的溫度條件，并將含數(shù)字化溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)從片載傳感器傳輸?shù)阶x取器。通過監(jiān)測(cè)射頻信號(hào)強(qiáng)度，集成 RSSI 還可進(jìn)行接近檢測(cè)或動(dòng)作檢測(cè)。

　　圖 2：通過檢測(cè)內(nèi)置激勵(lì)回路的阻抗變化，ON Semiconductor 全集成式傳感器標(biāo)簽可測(cè)量壓力和濕度。

　　ON Semiconductor 開發(fā)出了一系列傳感器，可用于濕度測(cè)量、浸水檢測(cè)和溫度測(cè)量等應(yīng)用，總結(jié)見表 1。它們適合各種工業(yè)和醫(yī)學(xué)場(chǎng)景，如質(zhì)量控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

　　傳感器零件編號(hào)功能頻率范圍SPS1M001浸水質(zhì)量控制860 - 960 MHzSPS1M002濕度檢測(cè)860 - 960 MHzSPS1M003高靈敏度濕度檢測(cè)860 - 960 MHzSPS2T001溫度傳感器860 - 960 MHz

　　符合 NFC 和 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的手持讀取器可用于讀取智能無(wú)源傳感器，并已在供應(yīng)鏈管理等使用案例中得到驗(yàn)證。與掃描 RFID 標(biāo)簽以記錄收貨或發(fā)貨的方式完全一樣，掃描無(wú)源傳感器可以獲取讀數(shù)。在供應(yīng)鏈應(yīng)用中，將 RFID 標(biāo)簽升級(jí)為傳感器標(biāo)簽帶來(lái)額外功能，可記錄供應(yīng)鏈中貨物在任何位置的狀態(tài)。例如，用于驗(yàn)證是否符合規(guī)定的存儲(chǔ)條件，或者幫助識(shí)別供應(yīng)鏈中可能出現(xiàn)損壞的點(diǎn)。

　　通過移動(dòng)手持讀取器掃描并非從無(wú)源傳感器收集數(shù)據(jù)的唯一方式。固定式讀取器可放置在適當(dāng)位置，以便從穿過其有效范圍的傳感器上采集數(shù)據(jù)。這樣可以支持準(zhǔn)確檢測(cè)工業(yè)設(shè)備，以便進(jìn)行維護(hù)。多個(gè)傳感器可以放置在預(yù)先確定的位置，如電機(jī)或軸承座、電子電源模塊，并定期掃描。如果沒有傳感器標(biāo)簽，此類分析可能需要使用紅外溫度計(jì)等設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量。而手動(dòng)搜索則會(huì)造成被測(cè)表面的位置稍稍不同或者時(shí)間間隔稍稍不同，這樣就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。固定式讀取器和永久連接的傳感器可以消除這些誤差，并且采集的數(shù)據(jù)可以輕松轉(zhuǎn)送到主機(jī)或云端進(jìn)行分析。

　　總結(jié)

　　物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中普遍的極端功率限制正推動(dòng)創(chuàng)新型解決方案以及新型設(shè)備的出現(xiàn)。利用現(xiàn)有 RFID 技術(shù)的智能無(wú)源傳感器可以長(zhǎng)期部署，無(wú)需電池或維護(hù)，并且僅在需要測(cè)量時(shí)通電。除了無(wú)電池的簡(jiǎn)便性外，在廣泛的應(yīng)用中，它們還具有諸多優(yōu)勢(shì)，如更高的安全性、可重復(fù)性和用戶舒適度。