基于射頻技術(shù)的無線智能傳感標(biāo)簽設(shè)計(jì)*

張世輝，李 松，陳 碩，翁雪濤

(1.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢430063;2.海軍工程大學(xué) 船舶振動(dòng)噪聲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430033)

0 引 言

現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的迅猛發(fā)展，使物流倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化程度越來越高，為保證物流倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的效率、準(zhǔn)確率，降低錯(cuò)誤操作帶來的損失，作業(yè)中貨物各方面信息的采集和及時(shí)反饋就顯得格外重要。傳統(tǒng)的標(biāo)簽只標(biāo)記了貨物的基本信息，而現(xiàn)有的傳感標(biāo)簽不能很好地及時(shí)反饋信息，Zig Bee，WiFi 等傳感監(jiān)控技術(shù)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大等問題。而射頻識(shí)別技術(shù)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能夠穿透非金屬材質(zhì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)［1～4］。

近幾年，隨著射頻識(shí)別(RFID)和EPC(electronic product code)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，RFID 結(jié)合傳感技術(shù)也得到越來越多的關(guān)注。在智能包裝中，結(jié)合了傳感器的標(biāo)簽得到了應(yīng)用，不僅可以讀取貨物的數(shù)量，而且可以獲取環(huán)境信息。這些都得益于RFID 無源微型芯片可以將編碼信息通過集成的應(yīng)答器傳送給閱讀器，同時(shí)標(biāo)簽也可以保存信息［5］。被動(dòng)無源的UHF RFID 標(biāo)簽和傳感器的創(chuàng)新結(jié)合，可以將RFID 的應(yīng)用延伸到環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、健康情況監(jiān)測(cè)等新型領(lǐng)域［6］。

本文設(shè)計(jì)的射頻智能傳感標(biāo)簽是一種基于Arduino 的具有傳感信息采集、信息提示的特高頻(UHF)智能傳感標(biāo)簽，符合EPCglobal 射頻識(shí)別協(xié)議第1 類第2 代UHF RFID 860 ～960 MHz 通信協(xié)議。標(biāo)簽可以實(shí)時(shí)采集溫濕度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存，并上傳到上位機(jī)進(jìn)行可視化監(jiān)控。上位機(jī)也可以發(fā)送指令控制傳感標(biāo)簽的信息顯示單元，提示相應(yīng)物流操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該標(biāo)簽的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的UHF 智能傳感標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)微控制器采用低功耗單片機(jī)ATmega 328P;標(biāo)簽芯片采用UCODE I2C 系列的無源UHF 電子標(biāo)簽芯片，被動(dòng)無源RFID芯片可以大幅降低傳感標(biāo)簽的功耗。傳感單元采用高精度溫濕度傳感器SHT10，可以同時(shí)采集溫度和濕度信息，MPU6050 可以采集物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息;信息顯示單元采用一個(gè)LED 燈為例，上位機(jī)發(fā)送不同指令可以控制燈的狀態(tài);電源單元為傳感標(biāo)簽各模塊供電，采用3.7 V 可循環(huán)充電鋰電池。

圖1 智能傳感標(biāo)簽結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of smart sensing tag

1.1 PCB 天線設(shè)計(jì)與仿真

天線采用PCB 印制天線，形狀和尺寸參考RFID 芯片制造商設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)［7］，如圖2。標(biāo)簽芯片阻抗為(12.7－j199)Ω，經(jīng)過HFSS 建模仿真，天線在915 MHz 時(shí)的回波損耗大約為－21 dB 小于－10 dB，仿真結(jié)果顯示天線有較寬帶寬和較高的輻射效率?；夭〒p耗仿真結(jié)果如圖3。

圖2 PCB 天線制版Fig 2 PCB antenna platemaking

圖3 回波損耗仿真結(jié)果Fig 3 Simulation result of return loss

1.2 電路設(shè)計(jì)

電路原理圖如圖4 所示，因?yàn)椴捎昧思蒃EPROM 和I2C 功能的無源標(biāo)簽芯片，較以往的傳感標(biāo)簽，電路復(fù)雜程度減小，體積也減小。

微控制器選擇型號(hào)為ATmega 328P 的8 位高性能、超低功耗AVR 系列單片機(jī)。工作電流在主動(dòng)模式下低至0.2 mA，省電模式下低至0.75 μA，同時(shí)具有I2C，SPI 和UART 接口［8］。標(biāo)簽芯片選擇NXP 公司UCODE 系列的無源智能標(biāo)簽芯片，被動(dòng)無源的RFID 芯片不需要為其提供電源就可以和讀寫器進(jìn)行通信，極大降低傳感標(biāo)簽的功耗［9］，且具有I2C 接口。傳感單元選擇SHT10 溫濕度傳感器，體積微小、功耗極低、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)，外圍電路簡(jiǎn)單。MPU6050 運(yùn)動(dòng)傳感器內(nèi)部集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，實(shí)時(shí)測(cè)量物體的三維加速度值和角速度值，可以計(jì)算出物體的方向信息。

圖4 智能傳感標(biāo)簽電路原理圖Fig 4 Principle of circuit of smart sensing tag

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 傳感標(biāo)簽程序設(shè)計(jì)

ATmega 328P 通過C 接口讀取并判斷標(biāo)簽芯片內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)值來判斷工作模式。當(dāng)暫時(shí)不使用標(biāo)簽傳感功能時(shí)，可以通過閱讀器發(fā)送指令讓標(biāo)簽進(jìn)入休眠狀態(tài)，不啟用傳感功能，只保留標(biāo)簽識(shí)別，需要使用時(shí)再發(fā)送指令激活傳感功能。傳感信息由單片機(jī)寫入標(biāo)簽芯片內(nèi)存，然后讀寫器將讀取的傳感數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)軟件就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控貨物所處環(huán)境的溫濕度信息和姿態(tài)。LED 由上位機(jī)軟件發(fā)送指令控制，通過讀寫器將指令寫入標(biāo)簽內(nèi)存，單片機(jī)再讀取并判斷標(biāo)簽芯片內(nèi)存中寫入的數(shù)值來控制LED，0x20 代表閃爍，0x21 代表常亮，0x22 代表熄滅。燈的不同狀態(tài)可以代表不同物流操作，也可用作環(huán)境信息的報(bào)警提示，LED 也可以換為小尺寸液晶屏，顯示文字信息。智能傳感標(biāo)簽軟件流程如圖5 所示。

圖5 智能傳感標(biāo)簽軟件流程圖Fig 5 Software flowchart of smart sensing tag

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)簽讀寫器通過串口和上位機(jī)通信，上位機(jī)軟件通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)操作EPCC1－G2 標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽讀寫器。主要的EPCC1－G2 命令包括:詢查標(biāo)簽，讀取數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)。軟件用列表和曲線圖顯示采集的傳感信息;三維姿態(tài)模型由Processing 建立;可以發(fā)送控制LED 狀態(tài)的指令;可以鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，保存對(duì)應(yīng)編號(hào)的貨物傳感信息。軟件功能流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件功能流程圖Fig 6 Flowchart of software function

3 標(biāo)簽性能測(cè)試

智能傳感標(biāo)簽原型實(shí)物參考坐標(biāo)如圖7(a)所示，將標(biāo)簽固定在物體上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖7(b)所示。上位機(jī)軟件查詢標(biāo)簽并選擇傳感標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的EPC 編號(hào)讀取溫濕度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，擺動(dòng)物體過程進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像，并測(cè)量讀取距離。

圖7 實(shí)物圖Fig 7 Physical image

3.1 讀取距離測(cè)試

根據(jù)RFID 的通信理論［10］，最大識(shí)讀距離計(jì)算如式(1)

頻率在915 MHz 時(shí)，選用的標(biāo)簽芯片在被動(dòng)模式下工作，接收的最小功率Ptag為－18 dBm，仿真結(jié)果中標(biāo)簽天線最大增益Gtag為1.97 dBi。實(shí)驗(yàn)中閱讀器的傳輸功率Preader為30 dBm，天線增益Greader為8 dBi。通過公式(2)計(jì)算為0.225，其中Zc，Za分別為標(biāo)簽芯片和天線的阻抗，Rc，Ra分別為標(biāo)簽芯片和天線的電阻。假設(shè)極化損失PLF 取0.5。最終計(jì)算的smax約為9.8 m。實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，標(biāo)簽在空間內(nèi)自由移動(dòng)，實(shí)際測(cè)得能被閱讀器讀取并能正常進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)的最大距離為6.8 m，接近理論計(jì)算值。

3.2 傳感性能測(cè)試

在運(yùn)輸重要物資時(shí)貨物翻轉(zhuǎn)是不允許的，所以，物體繞X 或Y 軸旋轉(zhuǎn)角度范圍－90°～90°。實(shí)驗(yàn)中物體分別繞X 軸或Y 軸擺動(dòng)，以及隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，采集的X，Y 軸與水平面的夾角如圖8 中(a)，(b)，(c)所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集1500 組，采樣間隔0.01 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:三維模型運(yùn)動(dòng)方向和所測(cè)數(shù)據(jù)，以及實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程三者基本一致。說明該傳感標(biāo)簽對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)有較好的無線監(jiān)測(cè)功能。

圖8 運(yùn)動(dòng)傳感器輸出的方向數(shù)據(jù)Fig 8 Output direction datas of motion sensor

溫濕度監(jiān)測(cè)方面，采集的溫濕度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)得數(shù)據(jù)基本相符，可以滿足采集溫濕度信息的要求。將手指放在傳感器上時(shí)，溫濕度信息會(huì)有明顯變化，曲線會(huì)實(shí)時(shí)變動(dòng)，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。溫濕度超過設(shè)定閾值自動(dòng)報(bào)警。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送燈閃爍指令控制燈的狀態(tài)時(shí)，LED 燈按照指令閃爍，達(dá)到了無線控制的目的。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，該射頻傳感標(biāo)簽?zāi)茌^好地滿足環(huán)境感知、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線數(shù)據(jù)傳輸、信息提示等方面的需求。其主要集成了UHF 無源被動(dòng)標(biāo)簽芯片，大幅減少電池的消耗，減小傳感標(biāo)簽的體積，符合UHF EPCC1Gen—2 無線射頻通信協(xié)議的讀寫器都可以讀取該傳感標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)或?qū)⒅噶钚畔懭霕?biāo)簽，可以擴(kuò)展成不同類型傳感器的智能標(biāo)簽，結(jié)合上位機(jī)能實(shí)現(xiàn)信息反饋和物流操作信息提示等功能。預(yù)期該智能標(biāo)簽經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。

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