基于RFID溫度標簽的嵌入式溫度監測系統*

司　禹，馮　鵬，于雙銘，吳南健

（中國科學院半導體研究所 半導體超晶格國家重點實驗室，北京100083）

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基于RFID溫度標簽的嵌入式溫度監測系統*

司禹，馮鵬，于雙銘，吳南健

（中國科學院半導體研究所 半導體超晶格國家重點實驗室，北京100083）

設計并實現了一種基于無源超高頻RFID溫度標簽的嵌入式溫度監測系統，系統包括課題組研發的嵌入了CMOS溫度傳感器的無源超高頻RFID溫度標簽、ZY-H2000手持式讀寫器和嵌入式溫度監測軟件。設計了一種動態功率匹配算法，能夠使溫度標簽在最佳測溫功率下工作，確保了溫度標簽測溫數據的準確性。算法中加入計時器機制，并通過RSSI值判斷起始功率，大大減少了測溫所需時間。測試結果表明，手持機與溫度標簽相距10 cm、30 cm、50 cm時，測溫誤差均在±1℃以內。

RFID；手持機；無源超高頻溫度標簽；動態功率匹配算法；CMOS溫度傳感器

中文引用格式：司禹，馮鵬，于雙銘，等.基于 RFID溫度標簽的嵌入式溫度監測系統［J］.電子技術應用，2016，42 （7）：57-59，63.

英文引用格式：Si Yu，Feng 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技術是一種非接觸式自動識別技術，它利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸目標識別并能讀寫相關數據。由于RFID技術具有成本低、速度快、識別距離遠、可多目標同時識別等優點，因此被廣泛應用于物流管理、交通運輸、醫療衛生、商品防偽等領域［1］。如果將傳感器技術與RFID技術相結合，實現傳感數據采集、數據傳輸、目標識別等多種功能，將極大地拓展RFID技術的應用前景。

溫度測量是較為常見的測量需求，在許多無源超高頻RFID的應用領域里都有著對溫度信息的監控需求，例如需要監控存儲物品的溫度、動物或人體的體溫、環境溫度等［2］。如果將溫度傳感器嵌入無源超高頻RFID標簽中，不僅能夠進行身份識別，而且能夠自動實時監控周圍環境的溫度，將大大拓展其應用范圍。相比于其他傳統溫度監測方法，基于RFID溫度標簽的溫度監測具有能夠身份識別、測溫節點體積小、成本低和壽命長等優點［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溫度標簽［4］，設計實現了一種無線溫度監測系統。系統包括嵌入了CMOS溫度傳感器的無源超高頻RFID溫度標簽、手持式讀寫器和溫度監測軟件。系統可實現無線溫度測量和標簽正常讀寫等功能。由于CMOS溫度傳感器的測溫精度會受工作電壓影響，而無源超高頻標簽內部工作電壓是由標簽接收到的功率大小所決定。因此，為了提高測溫精度，確保標簽進行溫度測量時能夠接收到近似最優的電磁波能量［5］，提出了一種動態功率匹配算法。通過實時調整手持機的發射功率來提高溫度標簽的測溫精度，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

溫度監測系統的硬件由超高頻RFID手持機和無源超高頻RFID溫度標簽組成，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國際標準［6］，最大輸出功率為28 dBm。

無源超高頻RFID溫度標簽由課題組自主研發，整個溫度標簽由標簽芯片和片外天線組成，所實現的標簽樣式和芯片照片如圖1所示，其中標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，并負責產生芯片內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簽的編號和其他相關的用戶信息，并且在必要時可以對存入標簽的信息進行修改，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換為便于存儲和處理的數字信號?；鶐幚砥髦饕撠熗ㄐ艆f議的處理，使芯片的操作流程符合協議的規范要求，同時它還負責控制存儲器和傳感器按照要求進行工作。

圖1　標簽樣式和芯片照片

標簽芯片中的CMOS溫度傳感器采用襯底 PNP管作為核心溫度感知元件，并使用開關電容電路實現的極低功耗二階 sigma-delta ADC將模擬溫度信號轉換為數字信息［8］，使得CMOS溫度傳感器的功耗極低，最終使得無源標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。該標簽與EPC C1 G2國際標準完全兼容，可以使用通用的超高頻商用閱讀器進行數據交互。

最終實現的無源超高頻RFID溫度標簽的測溫范圍是-30℃～50℃，測溫誤差為-1.0℃/1.2℃，測量分辨率為0.18℃。

2　溫度監測軟件

2.1RFID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標準，內置Windows CE 6.0操作系統。WINCE6.0是一個支持多線程、多任務的32位嵌入式操作系統，該系統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模式［9］。在手持機上實現的溫度監測軟件是基于C++語言開發實現。下面將詳細介紹溫度監測軟件的開發流程。

2.2動態功率匹配算法

無源超高頻 RFID標簽中嵌入了 CMOS溫度傳感器，由于CMOS溫度傳感器性能受內部工作電壓影響，而標簽通過吸收天線發射的電磁波作為其工作所需的能源，因此芯片內部CMOS溫度傳感器能否正常工作由天線發射功率決定。當天線發射功率過小時，溫度標簽芯片吸收的能量不足以開啟內部溫度傳感器；當天線發射功率過大時，會降低標簽可靠性，導致測溫誤差增大。因此在利用溫度標簽進行溫度測量時，需要動態調整手持機天線的發射功率，為標簽匹配最佳測溫功率，確保溫度數據的準確性。

動態功率匹配算法的主要思想是：手持機天線的發射功率從某一“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。當某一功率點下能夠測得多個溫度數據，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。

在進行動態功率匹配時，當標簽與手持機天線的距離較遠時，如果“初始功率”設定為手持機的最小發射功率，則需要花費較長的時間來尋找最佳測溫功率。為了提高系統的測溫速度，將RSSI值作為手持機接收到標簽的信號強度指標［9］，并以此確定“初始功率”。另一方面，當手持機天線發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簽，或是無法向溫度標簽寫入控制字，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，繼續執行下一功率點的相關操作，這樣能減少標簽在不合適的測溫功率下所浪費的時間，提高了溫度標簽的測溫效率。

2.3溫度監測軟件的實現

溫度監測軟件主要實現了溫度測量和標簽讀寫的功能，結合上述動態功率匹配算法，溫度監測軟件的流程圖如圖2所示。

本文中無源超高頻RFID溫度標簽符合EPC C1 G2國際標準，其存儲空間包括EPC區、TID區、保留內存區、用戶數據區［10］四部分，溫度監測軟件實現了對溫度標簽存儲空間的讀寫功能，可完成EPC碼修改、用戶數據區的數據讀寫操作等，其主要實現過程如圖3所示。

3　實驗驗證

實驗測試環境如圖4所示，溫度標簽貼于物品上，手持機閱讀器正對溫度標簽，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以內測量出來，其測量結果如表1所示。此時使用AMETEK DTI-050高精度溫度計（誤差小于±0.1℃）所測得的環境溫度為24.0℃。根據表格可知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，且手持機與溫度標簽距離越近，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，溫度標簽能接收到的能量越集中和穩定，在確定最佳測溫功率后，溫度標簽能夠在規定的定時器時間內得到更多的測量值。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。

圖2　溫度監測軟件流程圖

圖3　標簽讀寫操作流程圖

圖4　實驗測試環境

圖5　程序主界面

表1　實驗結果?。ā妫?/p>

4　結論

針對課題組研發的一種超低功耗的無源超高頻RFID溫度標簽，設計并實現了一種基于超高頻RFID手持機的嵌入式溫度監測軟件，實現了溫度實時測量和標簽數據讀寫功能。為了提高測溫精度，提出了動態功率匹配算法，確保溫度標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。

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［8］Yu Shuangming，Feng Peng，Wu Nanjian.Passive and semipassive wireless temperature and humidity sensors based on EPC generation-2 UHF protocol［J］.IEEE Sensors Journal，2015，15（4）：2403-2404.

［9］Sun Yan，Wang Sitong，Yuan Ruiming，et al.Design of the communication module of smart handheld terminal in power marketing［C］.China：International Conference on Electricity Distribution，2010.

［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.作者簡介：

司禹（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：無線傳感器系統。

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?；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?；旌霞呻娐?。

Embedded temperature monitoring system based on RFID temperature tag

Si Yu，Feng 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

國家自然科學基金資助項目（61306027）

2016-03-30）