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

司　禹，馮　鵬，于雙銘，吳南健

（中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

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

司禹，馮鵬，于雙銘，吳南健

（中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)源超高頻RFID溫度標(biāo)簽的嵌入式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括課題組研發(fā)的嵌入了CMOS溫度傳感器的無(wú)源超高頻RFID溫度標(biāo)簽、ZY-H2000手持式讀寫(xiě)器和嵌入式溫度監(jiān)測(cè)軟件。設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)功率匹配算法，能夠使溫度標(biāo)簽在最佳測(cè)溫功率下工作，確保了溫度標(biāo)簽測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。算法中加入計(jì)時(shí)器機(jī)制，并通過(guò)RSSI值判斷起始功率，大大減少了測(cè)溫所需時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明，手持機(jī)與溫度標(biāo)簽相距10 cm、30 cm、50 cm時(shí)，測(cè)溫誤差均在±1℃以內(nèi)。

RFID；手持機(jī)；無(wú)源超高頻溫度標(biāo)簽；動(dòng)態(tài)功率匹配算法；CMOS溫度傳感器

中文引用格式：司禹，馮鵬，于雙銘，等.基于 RFID溫度標(biāo)簽的嵌入式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 （7）：57-59，63.

英文引用格式：Si Yu，F(xiàn)eng Peng，Yu Shuangming，et al.Embedded temperature monitoring system based on RFID temperature tag［J］. Application of Electronic Technique，2016，42（7）：57-59，63.

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?chē)h(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。

圖1　標(biāo)簽樣式和芯片照片

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

2.1RFID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。

圖2　溫度監(jiān)測(cè)軟件流程圖

圖3　標(biāo)簽讀寫(xiě)操作流程圖

圖4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

圖5　程序主界面

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　（℃）

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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［10］UKKONEN L，SYDANHEIMO L，kIVIKOSKI M.Reader range performance comparison of compact reader antennas for a handheld UHF RFID reader［C］.Grapevine：IEEE International Conference on RFID，2007：63-66.作者簡(jiǎn)介：

司禹（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器系統(tǒng)。

馮鵬（1983-），通信作者，男，博士，副研究員，主要研究方向：超低功耗數(shù)?；旌霞呻娐?，E-mail：fengpeng06@semi.ac.cn。

于雙銘（1987-），男，博士，助理研究員，主要研究方向：超低功耗數(shù)?；旌霞呻娐?。

Embedded temperature monitoring system based on RFID temperature tag

Si Yu，F(xiàn)eng Peng，Yu Shuangming，Wu Nanjian
（State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China）

An embedded temperature monitoring system based on passive UHF RFID temperature tags is designed.The system consists of passive UHF RFID tags with CMOS temperature sensor，the ZY-H2000 handheld reader and an embedded temperature monitoring software developed on the handheld.Since the temperature tags need to work in optimum transmit power，a dynamic power matching algorithm is designed，which ensures the accuracy of temperature data.The algorithm with timer mechanism and RSSI value to determine the starting power，greatly reduces the time required for the temperature measurement.The test results show that when the distance between the tag and the handheld is respectively 10 cm，30 cm and 50 cm，the temperature measurement error is less than±1℃.

RFID；handheld；passive UHF temperature tag；dynamic power matching algorithm；CMOS temperature sensor

TP212.9

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.014

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61306027）

2016-03-30）