文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.014
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識別技術(shù),它利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸目標(biāo)識別并能讀寫相關(guān)數(shù)據(jù),。由于RFID技術(shù)具有成本低,、速度快、識別距離遠,、可多目標(biāo)同時識別等優(yōu)點,,因此被廣泛應(yīng)用于物流管理、交通運輸,、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,,實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)傳輸、目標(biāo)識別等多種功能,將極大地拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用前景,。
溫度測量是較為常見的測量需求,,在許多無源超高頻RFID的應(yīng)用領(lǐng)域里都有著對溫度信息的監(jiān)控需求,例如需要監(jiān)控存儲物品的溫度,、動物或人體的體溫,、環(huán)境溫度等[2]。如果將溫度傳感器嵌入無源超高頻RFID標(biāo)簽中,,不僅能夠進行身份識別,,而且能夠自動實時監(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)測方法,,基于RFID溫度標(biāo)簽的溫度監(jiān)測具有能夠身份識別、測溫節(jié)點體積小,、成本低和壽命長等優(yōu)點[3],。
本文針對課題組研制的嵌入CMOS溫度傳感器的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽[4],設(shè)計實現(xiàn)了一種無線溫度監(jiān)測系統(tǒng),。系統(tǒng)包括嵌入了CMOS溫度傳感器的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽,、手持式讀寫器和溫度監(jiān)測軟件。系統(tǒng)可實現(xiàn)無線溫度測量和標(biāo)簽正常讀寫等功能,。由于CMOS溫度傳感器的測溫精度會受工作電壓影響,,而無源超高頻標(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,,為了提高測溫精度,確保標(biāo)簽進行溫度測量時能夠接收到近似最優(yōu)的電磁波能量[5],,提出了一種動態(tài)功率匹配算法,。通過實時調(diào)整手持機的發(fā)射功率來提高溫度標(biāo)簽的測溫精度,并通過計時器機制和最大功率點的RSSI值確定算法初始功率,,加快溫度測量所需時間,。
1 硬件系統(tǒng)
溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件由超高頻RFID手持機和無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽組成,其中手持機選用ZY-H2000 手持式讀寫器,。該讀寫器集成了Impinj Indy R2000 閱讀器芯片,,兼容EPC C1 G2國際標(biāo)準(zhǔn)[6],最大輸出功率為28 dBm,。
無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽由課題組自主研發(fā),,整個溫度標(biāo)簽由標(biāo)簽芯片和片外天線組成,所實現(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,、存儲器、溫度傳感器和基帶處理器四個部分組成。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,,并負責(zé)產(chǎn)生芯片內(nèi)部其他模塊所需的模擬信號,。存儲器主要用于在斷電后存儲標(biāo)簽的編號和其他相關(guān)的用戶信息,并且在必要時可以對存入標(biāo)簽的信息進行修改,,因此該存儲器一般采用多次可編程的非易失性存儲器[7],。溫度傳感器用于將溫度信息轉(zhuǎn)換為便于存儲和處理的數(shù)字信號?;鶐幚砥髦饕撠?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,同時它還負責(zé)控制存儲器和傳感器按照要求進行工作,。
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,,并使用開關(guān)電容電路實現(xiàn)的極低功耗二階sigma-delta ADC將模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息[8],使得CMOS溫度傳感器的功耗極低,,最終使得無源標(biāo)簽芯片可以通過射頻能量收集電路吸收電磁波,,啟動傳感器進行溫度測量。該標(biāo)簽與EPC C1 G2國際標(biāo)準(zhǔn)完全兼容,,可以使用通用的超高頻商用閱讀器進行數(shù)據(jù)交互,。
最終實現(xiàn)的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽的測溫范圍是-30 ℃~50 ℃,測溫誤差為-1.0 ℃/1.2 ℃,,測量分辨率為0.18 ℃,。
2 溫度監(jiān)測軟件
2.1 RFID手持機
本文中手持機選用ZY-H2000手持式讀寫器,該讀寫器支持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發(fā)模式[9]。在手持機上實現(xiàn)的溫度監(jiān)測軟件是基于C++語言開發(fā)實現(xiàn),。下面將詳細介紹溫度監(jiān)測軟件的開發(fā)流程,。
2.2 動態(tài)功率匹配算法
無源超高頻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)射功率過小時,,溫度標(biāo)簽芯片吸收的能量不足以開啟內(nèi)部溫度傳感器,;當(dāng)天線發(fā)射功率過大時,會降低標(biāo)簽可靠性,,導(dǎo)致測溫誤差增大,。因此在利用溫度標(biāo)簽進行溫度測量時,,需要動態(tài)調(diào)整手持機天線的發(fā)射功率,為標(biāo)簽匹配最佳測溫功率,,確保溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,。
動態(tài)功率匹配算法的主要思想是:手持機天線的發(fā)射功率從某一“初始功率”開始,每次增加1 dBm,,在該功率點下進行多次測溫測量,。當(dāng)某一功率點下能夠測得多個溫度數(shù)據(jù),且多個測量值的最大最小值相差小于某一閾值,,則可判斷當(dāng)前功率點為最佳測溫功率,,取該功率點下多個測量值的平均溫度值為最終測得的溫度。
在進行動態(tài)功率匹配時,,當(dāng)標(biāo)簽與手持機天線的距離較遠時,,如果“初始功率”設(shè)定為手持機的最小發(fā)射功率,則需要花費較長的時間來尋找最佳測溫功率,。為了提高系統(tǒng)的測溫速度,,將RSSI值作為手持機接收到標(biāo)簽的信號強度指標(biāo)[9],并以此確定“初始功率”,。另一方面,,當(dāng)手持機天線發(fā)射功率小于最佳測溫功率時,手持機可能無法掃描到溫度標(biāo)簽,,或是無法向溫度標(biāo)簽寫入控制字,,此時寫入控制字這一操作將會浪費較長時間,因此在算法中加入了計時器機制,,當(dāng)在該功率點下所用時間超過某一閾值,,則停止該功率點的溫度測量,繼續(xù)執(zhí)行下一功率點的相關(guān)操作,,這樣能減少標(biāo)簽在不合適的測溫功率下所浪費的時間,,提高了溫度標(biāo)簽的測溫效率。
2.3 溫度監(jiān)測軟件的實現(xiàn)
溫度監(jiān)測軟件主要實現(xiàn)了溫度測量和標(biāo)簽讀寫的功能,,結(jié)合上述動態(tài)功率匹配算法,溫度監(jiān)測軟件的流程圖如圖2所示,。
本文中無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽符合EPC C1 G2 國際標(biāo)準(zhǔn),,其存儲空間包括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)測軟件實現(xiàn)了對溫度標(biāo)簽存儲空間的讀寫功能,,可完成EPC碼修改,、用戶數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫操作等,,其主要實現(xiàn)過程如圖3所示。
3 實驗驗證
實驗測試環(huán)境如圖4所示,,溫度標(biāo)簽貼于物品上,,手持機閱讀器正對溫度標(biāo)簽,按下手持機手柄的掃描按鈕開始進行溫度測量,。
圖5所示為手持機上溫度監(jiān)測軟件的運行主界面,,界面中Tep字段代表測量的溫度值。實驗中手持機和溫度標(biāo)簽的距離分別為10 cm,、30 cm,、50 cm,每個距離都分別進行10次溫度測量,,每次溫度測量操作均在平均5 s以內(nèi)測量出來,,其測量結(jié)果如表1所示。此時使用AMETEK DTI-050高精度溫度計(誤差小于±0.1 ℃)所測得的環(huán)境溫度為24.0 ℃,。根據(jù)表格可知3個距離的測溫誤差分別為-0.3/0.3 ℃,、-0.4/0.5 ℃、-0.6/0.7 ℃,,誤差均在±1 ℃以內(nèi),,且手持機與溫度標(biāo)簽距離越近,其測溫誤差越小,,測量值更接近實際溫度值,。這是因為距離越近,溫度標(biāo)簽?zāi)芙邮盏降哪芰吭郊泻头€(wěn)定,,在確定最佳測溫功率后,,溫度標(biāo)簽?zāi)軌蛟谝?guī)定的定時器時間內(nèi)得到更多的測量值。因此,,多個測量值計算出的平均溫度值會更貼近實際溫度值,。
4 結(jié)論
針對課題組研發(fā)的一種超低功耗的無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于超高頻RFID手持機的嵌入式溫度監(jiān)測軟件,,實現(xiàn)了溫度實時測量和標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀寫功能,。為了提高測溫精度,提出了動態(tài)功率匹配算法,,確保溫度標(biāo)簽在最佳測溫功率下工作,。算法中加入計時器機制,并且通過最大功率下RSSI值確定算法初始功率,,有效減少了溫度測量所需時間,,提高了測溫效率。
參考文獻
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