應(yīng)用于血液冷鏈的RFID高頻電子標(biāo)簽研究

秦昌葵　梁豐

摘 要：針對(duì)血液冷鏈管理中存在的血液質(zhì)量不能很好保證的問(wèn)題，據(jù)寧波市中心血站提出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血液溫度、時(shí)間節(jié)點(diǎn)及不改變血袋放置于血液筐的擺放方式等要求，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于血液冷鏈的環(huán)帶型RFID高頻無(wú)源電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽可滿足溫度檢測(cè)要求，提高血液筐容積利用率，提高數(shù)據(jù)采集效率，從而為高頻RFID標(biāo)簽應(yīng)用于血液冷鏈管理提供了可行性。

關(guān)鍵詞：血液冷鏈管理；高頻；電子標(biāo)簽；RFID

中圖分類號(hào)：TN602 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

血液在醫(yī)療和科研中都有著不可估量的價(jià)值。血液管理流程大致可分為如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：獻(xiàn)血登記——體檢與血樣采集——血樣檢測(cè)與采血——運(yùn)送至臨時(shí)庫(kù)房——血液質(zhì)量檢測(cè)——成分血制備——入庫(kù)管理——血液出庫(kù)。在這當(dāng)中涉及到大量數(shù)據(jù)信息的采集及整理，信息采集及整理工作的繁瑣造成血液管理困難，而且血液對(duì)環(huán)境溫度敏感，若外部環(huán)境條件不適宜保存，就會(huì)對(duì)血液的品質(zhì)造成破壞，因此在運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程中，血液質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要[1-4]。

而現(xiàn)今已經(jīng)應(yīng)用于血液管理中的條碼技術(shù)不能對(duì)血液在運(yùn)輸與存儲(chǔ)過(guò)程中的溫度及時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，并且不需要識(shí)別系統(tǒng)與識(shí)別目標(biāo)之間建立光學(xué)或機(jī)械接觸。RFID技術(shù)特別適合用于自動(dòng)化控制，它有兩種工作模式：只讀模式和讀寫(xiě)模式，且無(wú)需接觸或瞄準(zhǔn)；短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染，可替代條碼[5]。射頻識(shí)別系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：讀取便捷、數(shù)據(jù)容量大、應(yīng)用場(chǎng)合廣、數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改、安全性更好、可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信[6]。

將RFID技術(shù)用于血站血液管理，不僅能夠有效避免條碼信息容量小、容錯(cuò)率低等弊端，還可以進(jìn)行非接觸式識(shí)別，減少血液污染，更能多目標(biāo)識(shí)別，實(shí)時(shí)跟蹤血液信息，提高數(shù)據(jù)采集效率，有效地保證血液的質(zhì)量，保障用血安全。

1 標(biāo)簽設(shè)計(jì)研究的目標(biāo)、思路與框架

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高頻RFID的研究比較成熟，將RFID應(yīng)用于血液冷鏈的案例研究也有不少。本課題針對(duì)寧波市中心血站的技術(shù)要求（標(biāo)簽?zāi)軝z查溫度，記錄時(shí)間，且保證血袋能豎直放置）設(shè)計(jì)了一款環(huán)帶型RFID電子標(biāo)簽，使得血袋能豎直地放置于血液筐（金屬材質(zhì)）中，如圖1所示。另外，標(biāo)簽的工作頻率為13.56 MHz左右，具有檢測(cè)溫度的功能，并保證標(biāo)簽的讀取距離達(dá)到5 cm左右。

標(biāo)簽的設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)部分，一是標(biāo)簽芯片的選型，另一個(gè)是標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)。標(biāo)簽的研究思路及框架如圖2所示。

2 RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)模型

2.1 標(biāo)簽芯片的選型

通過(guò)對(duì)現(xiàn)今主流的RFID芯片生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比研究，及根據(jù)標(biāo)簽設(shè)計(jì)的目的分析，奧地利微電子公司推出的SL13A芯片符合本設(shè)計(jì)的要求。SL13A標(biāo)簽符合ISO15693標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓范圍為1.5 V至3.0 V，具有8 Kb的電可擦除只讀存儲(chǔ)器（E2PROM），具有近場(chǎng)通訊功能，需與高頻射頻識(shí)別閱讀器搭配使用[7]。SL13A 可滿足低成本、簡(jiǎn)便的無(wú)線數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用，該器件集成了一個(gè)片上溫度傳感器（片上溫度傳感器十分精確，測(cè)量誤差范圍最高為0.5%）以及連接外部傳感器的接口，可在被動(dòng)待機(jī)模式（無(wú)電池）下使用。在被動(dòng)待機(jī)模式下標(biāo)簽與閱讀器的通信原理是：標(biāo)簽從閱讀器天線傳遞的信號(hào)中獲取能量，并利用此能量讀取溫度或外部傳感器的數(shù)據(jù)，再通過(guò)唯一的ID碼（該ID碼用戶可以根據(jù)實(shí)際需要自行編制），將讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)天線電磁感應(yīng)的方式返回至閱讀器，數(shù)據(jù)的返回時(shí)間也可以由閱讀器記錄。

2.2 標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)思想

本標(biāo)簽天線屬于線圈型天線，其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)諧振電路。在一定的工作頻率上，當(dāng)感抗等于容抗時(shí)，天線就會(huì)產(chǎn)生諧振。諧振回路包括標(biāo)簽天線的寄生電容（Cp）、并聯(lián)電容（C2）和線圈電感（L），其諧振頻率為[8]：

式（1）中，C為Cp和C2的并聯(lián)等效電容，標(biāo)簽和讀寫(xiě)器雙向通信使用的載波頻率就是f。

線圈的電感、線圈的匝數(shù)、線圈的面積及線圈天線的品質(zhì)因數(shù)Q值等是影響天線性能的主要參數(shù)。實(shí)際調(diào)試RFID天線時(shí)，標(biāo)簽天線電感可以通過(guò)精密LCR測(cè)試儀測(cè)出，在條件有限的情況下，也可以采用估算公式進(jìn)行估算。假定導(dǎo)體的直徑d與導(dǎo)體回路直徑D之比很小（d/D<0.001），則導(dǎo)體回路的電感可簡(jiǎn)單近似為[9]：

式中：L為線圈電感，單位為nH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導(dǎo)線直徑，單位為cm。

每種射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器作用距離都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳的天線半徑R[11]?？稍趯?shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線的大小時(shí)，不僅要考慮配套使用的閱讀器天線的設(shè)計(jì)參數(shù)，還需考慮標(biāo)簽的應(yīng)用場(chǎng)合，綜合各要素來(lái)決定標(biāo)簽天線的大小。

天線的Q值不僅能影響能量的傳輸效率，而且對(duì)頻率的選擇性也有影響。較高的Q值盡管能使天線的傳輸能量增大，然而，標(biāo)簽的通帶特性也會(huì)受到影響。因此在實(shí)際調(diào)節(jié)Q值時(shí)，要對(duì)各參數(shù)的選擇進(jìn)行折中考慮[12]。

2.3 標(biāo)簽的設(shè)計(jì)模型

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)思想以及天線設(shè)計(jì)研究積累的經(jīng)驗(yàn)，該環(huán)帶型RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)模型如圖3所示。具體要求如下：

a.標(biāo)簽的周長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)血袋左右橫截面周長(zhǎng)而定；

b.繞線圈之間不留縫隙；

c.接頭的漆刮除后再焊接芯片。

3 RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)制造及調(diào)試

3.1 天線的設(shè)計(jì)制造

用型號(hào)為QA-1/155、規(guī)格為直徑0.21 mm的漆包線作為天線的材料，通過(guò)測(cè)量血袋左右橫截面周長(zhǎng)，將該環(huán)帶型RFID電子標(biāo)簽的周長(zhǎng)定為24 cm。其次，再根據(jù)工作頻率以及系統(tǒng)本身的要求確定電感值的大致范圍，本系統(tǒng)中取電感值為6∶8 uH，通過(guò)電感值與匝數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式可以大概計(jì)算繞制線圈的匝數(shù)。本設(shè)計(jì)中，取電感值為7 uH。由公式（3）計(jì)算出匝數(shù)大概在5圈左右，按照標(biāo)簽?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的樣式繞制天線。繞完后，再根據(jù)公式（1）選取所用的調(diào)諧電容。

3.2 標(biāo)簽的調(diào)試

將天線接頭的漆刮除后再焊接到SL13A芯片的觸點(diǎn)上，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量出諧振頻率。因?yàn)檎{(diào)諧的電容已知，且標(biāo)稱值是固定的，可以由此時(shí)測(cè)得的頻率根據(jù)公式（1）反推出與此時(shí)頻率相對(duì)應(yīng)的電感值。再根據(jù)頻率的偏移大小情況，按電感量估算公式（2）增加或減少線圈的匝數(shù)（線圈橫截面積一定時(shí)，匝數(shù)與諧振頻率大小成反比），直到頻率達(dá)到13.56MHz左右。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試標(biāo)簽諧振頻率的實(shí)際圖片如圖4所示。

3.3 標(biāo)簽與閱讀器聯(lián)調(diào)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的結(jié)果顯示，本環(huán)帶型RFID電子標(biāo)簽已成功諧振在13.55 MHz（由于血袋是軟體物品，標(biāo)簽會(huì)隨血袋發(fā)生形變，使得線圈的面積發(fā)生變化，引起標(biāo)簽頻率的變動(dòng)，所以標(biāo)簽的實(shí)際頻率在13.56 MHz左右）。將閱讀器連接至電腦，通過(guò)測(cè)試軟件設(shè)置鏈接端口、讀取模式等參數(shù)，把標(biāo)簽放置在閱讀器天線上，點(diǎn)擊軟件上的“Scan”按鈕，就可以看到軟件上顯示出標(biāo)簽的ID號(hào)及讀取的溫度值，具體如圖5所示。再將標(biāo)簽提高距離閱讀器天線6 cm處（正上方方向），標(biāo)簽仍能被閱讀器讀到，再往上，標(biāo)簽就不能被閱讀器讀到了（識(shí)別距離也會(huì)受到標(biāo)簽面積的影響，標(biāo)簽的實(shí)際識(shí)別距離會(huì)在5 cm左右）。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了解決血液冷鏈管理中存在的血液質(zhì)量不能很好保證的問(wèn)題，以及寧波市中心血站提出的實(shí)際需求：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血液的溫度、時(shí)間節(jié)點(diǎn)及不改變血袋放置于血液筐的擺放方式，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于血液冷鏈的環(huán)帶型RFID電子標(biāo)簽，如圖6所示。該標(biāo)簽的工作頻率為13.56 MHz左右，具有檢測(cè)溫度的功能，且標(biāo)簽的讀取距離達(dá)到5 cm左右。標(biāo)簽套入血袋上，尺寸剛好滿足要求，如圖7所示。隨著人們對(duì)醫(yī)藥品安全越來(lái)越關(guān)注，及國(guó)家對(duì)冷鏈及物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重視，RFID標(biāo)簽應(yīng)用與血液冷鏈潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及市場(chǎng)規(guī)模價(jià)值十分巨大，很難用具體的數(shù)字來(lái)衡量。

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