RFID技術及其在溫度傳感器方面的應用

摘要：基于歷史發(fā)展現(xiàn)狀簡要介紹RFID技術概念、組成、主要特點及技術局限，同時通過總結搜索的國內(nèi)外相關資料論述了RFID技術在溫度傳感器方面的應用(包括學術研究和商業(yè)化)、目前的種類和所能達到的特性，從而提出RFID溫度傳感器發(fā)展需要解決的若干問題。

自動識別技術是一種高度自動化的信息和數(shù)據(jù)采集技術。自動識別系統(tǒng)在出入控制與安全應用方面，在供應鏈與制造過程工業(yè)領域的產(chǎn)品跟蹤方面，以及在零售終端方面的應用等很普遍。目前最普遍的自動識別要算七十年代開發(fā)的條形碼技術。近年來，射頻識別(Radio Fre quency Identification，RFID)技術在自動識別中得到較多使用。同時，射頻識別在溫度傳感器方面的研究與商業(yè)化也展示出良好前景。下面段落分別就射頻識別技術和射頻識別溫度傳感器展開論述。

1 射頻識別技術

射頻識別技術利用無線射頻方式在閱讀器和應答器之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽。與傳統(tǒng)的自動識別系統(tǒng)(如條形碼)相比，RFID技術具有很多優(yōu)勢：可以定向或不定向的遠距離讀寫數(shù)據(jù)，無需保持對象可見;可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù);可以同時處理多個電子標簽;可以在惡劣環(huán)境下工作;可以儲存的信息量很大;可以通過RFID標簽對物體進行物理定位等。但RFID標簽不能象條形碼那樣隨意扔掉。

射頻技術的基本原理是電磁理論。射頻識別技術的基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性來獲得對被識別物體的自動識別。射頻識別系統(tǒng)一般由電子標簽和閱讀器兩部分組成，基本模型圖見圖1。閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型包括電感耦合(變壓器模型)和電磁反向散射耦合(雷達原理模型)。電子標簽附著在被識別的物體上，當進入可識別范圍時，閱讀器以非接觸的方式將標簽中的信息提取出來。射頻標簽分為有源和無源兩種。有源標簽識別距離較長體積較大，但壽命有限且價格較高;無源標簽則相反。應答器一般由集成電路連接到天線，收發(fā)器質(zhì)詢應答器以了解其中的儲存信息，包括產(chǎn)品系列號以及其它相關用戶寫入的信息。RFID系統(tǒng)算是一種傳感系統(tǒng)。然而，射頻通信和半導體電路的物理性質(zhì)限制了RFID應答器的大小空間和可以達到的性能。典型的應答器由微芯片和天線組成，用來通過射頻電波傳播信息。應答器有主動式和被動式兩種。主動式應答器在標簽上有一個電源供應，比方說電池。而被動式的應答器都是通過收發(fā)器的質(zhì)詢信號來獲得能量。大多數(shù)情況下，無論是主動式還是被動式的發(fā)射應答器只有在收發(fā)器質(zhì)詢時才發(fā)射一個信號。主動式的操作距離可以較遠，甚至在惡劣的環(huán)境中。遠程耦合系統(tǒng)的操作距離一般在1米之內(nèi)，頻率低于135 kHz(該頻段特點是具有良好的物體穿透能力)，或者是6.75 MHz、13.56 MHz和27.125 MHz中的一個;長距離系統(tǒng)操作距離一般在1米到10米之間(當然航空應答器操作距離更長，幾百米到上千米)，目前使用915 MHz(歐洲禁止)以及2.45 GHz、5.8 GHz和24.125 GHz。應答器的數(shù)據(jù)數(shù)量從幾位到幾千個字節(jié)。數(shù)據(jù)數(shù)量影響到RFID系統(tǒng)的可用頻率，故此，高數(shù)據(jù)量的標簽一般用于超高頻率以便所有數(shù)據(jù)可以在若干毫秒內(nèi)讀完。只讀的應答器比可讀/寫的應答器相對價格要低，但使用的場合受限，因為標簽上的物品信息無法更新。然而，可讀/寫的應答器安全性能要低。多頁可讀/寫的應答器解決了這個問題，因為每個用戶可以授權一頁信息。被動式讀/寫的應答器常常使用電可擦除式只讀存儲器(EEPROM)，占用集成電路較大的空間并消耗較大的電流。而被動式應答器需要減小功耗以便保證操作距離。另外，EEPROM的讀取次數(shù)也有限制，不會超過幾十萬次，而且讀取時間很慢(一百毫秒左右)。典型的低功耗應答器消耗10μW到50μW的能量。被動式應答器一般通過電感耦合(質(zhì)詢信號產(chǎn)生的磁場)、電容耦合(質(zhì)詢信號產(chǎn)生的電場)或者遠場能量收集的形式獲得能量。隨著電池技術的進步，主動式應答器的壽命在樂觀且謹慎使用下可以接近十年。當同一通道的多個應答器對同一個收發(fā)器產(chǎn)生反應時它們的信號可能互相影響，造成的后果就是傳輸失敗。RFID的防沖突方法受制于低級的運算能力，包括內(nèi)存有限。另外，費用也是個大問題。尤其是頻域防沖突法，雖然通信能力強健但復雜程度和費用都很高?，F(xiàn)在的大多數(shù)防沖突法是時域防沖突法，也就是傳輸?shù)奈恢秒S著時間變化。在數(shù)據(jù)安全方面，最好的情況是應答器和收發(fā)器相互識別授權。德州儀器和微芯公司已經(jīng)開發(fā)出授權和加密的應答器。

2 RFID溫度傳感器

隨著RFID和傳感器技術的成熟，近年來人們關注將它們集成?，F(xiàn)在有兩種RFID傳感器標簽體系：一種RFID標簽集成傳統(tǒng)電池支持的傳感器于硅芯片上并帶有模/數(shù)轉換器;這種技術適合多種傳感器，但標簽尺寸大且成本高，且壽命受限于電池容量。第二種將傳感器集成于標簽天線上，這樣尺寸和成本下降，但如何設計這樣的傳感器元件成為問題所在。一般而言，射頻識別技術識別距離可達幾十米以上。帶有智能傳感器的RFID，是無線傳感網(wǎng)絡的重要組成部分。另外，溫度是很重要的環(huán)境參數(shù)之一，溫度傳感器應該能夠監(jiān)視和記錄關鍵的溫度變化。在標簽芯片中嵌入溫度傳感電路是一大方向。目前基于CMOS工藝的RFID溫度傳感方法有兩種典型結構。一種是利用模數(shù)轉換將與溫度有關的電壓信號轉換成包含溫度信息的數(shù)字信號。另一種是采用時域數(shù)字量化的方式將周期隨溫度變化的信號轉化成包含溫度信息的數(shù)字信號，即利用一個輸出周期隨溫度變化的時鐘對一個脈沖寬度與溫度無關的脈沖信號進行采樣計數(shù)，或者利用一個輸出周期與溫度無關的時鐘對一個脈沖寬度隨溫度變化的脈沖信號進行采樣計數(shù);最終通過數(shù)字信號處理得到溫度信息。采用第一種結構特點是測量范圍寬，測量精度高，測試成本低，但功耗較大，在幾百微瓦到幾毫瓦;第二種結構測量范嗣較小，測量精度不高，但功耗低。下面是關于溫度傳感器究和應用的一些例子。

在研究方面，瑞典中部大學的Jinlan Gao等人將印刷的納米傳感器結構集成于UHF RFID標簽天線上，印刷的結構可以說明自上次讀數(shù)之后是否標簽暴露于過分的溫度環(huán)境之中，并可用于溫度傳感器壽命太短或太貴的場合;上述實驗在幾米范圍實施。中國科學院Shenghua Zhou和NanjianWu論述“一種新型的低功耗溫度傳感器適于UHF RFID標簽芯片”，指出被動式RFID標簽芯片對功耗太敏感，很難在不縮短標簽操作距離的前提下將傳感器與模數(shù)轉換器常規(guī)方式嵌入，即使驅動模數(shù)轉換的功耗為幾個μW也會大大縮短操作距離。他們的方法使功耗降到0.9μW，校正后的精確度為±1℃。復旦大學Conghui Xu等人研究的低功耗CMOS型RFID溫度傳感器，功耗26μA～1.8 V，測量范圍-20℃到120℃，校正后精度為±0.65℃。另外，天津大學的王倩等人提出的無源CMOS溫度傳感器，適用溫度范圍-50℃到50℃，功耗789 nW，分辨率較高。在商業(yè)應用方面，加拿大的GAO RFID Inc制造的有源溫度傳感器標簽(型號：127003L)以2.45GHz頻率操作，提供物品溫度的實時收集監(jiān)控;并且，這些標簽允許設置邊界溫度以便溫度被超過時發(fā)出警報。該標簽可以設置成每隔一定時間間隔發(fā)送或者進入休眠狀態(tài)。測量距離最遠可達50米，每秒可讀100個標簽，功耗為7μA，3 V，電池壽命兩年，測量溫度可以從-80℃到120℃，唯一不足的是精度為±2℃。位于土耳其的Alvin Systems有限公司制造靈巧的RFID傳感器標簽，可以貼在物品盒子或袋子上定期記錄監(jiān)視環(huán)境溫度。記錄下的數(shù)據(jù)存于標簽的內(nèi)存，可以通過專門的閱讀器實時閱讀和分析，從而獲知運輸或儲藏的溫度是否合適。另外，加拿大的Proxima RFTechnologyCorp工作人員認為，現(xiàn)在RFID標簽的增長大都集中于被動式超高頻(UHF)標簽，同時被動式高頻(HF，13.56 MHz)市場也在擴大，因為HF型RFID標簽的耐潮濕特性使其成為高水分物品應用的良好選擇，包括冰、水、肉類和飲料。

從以上可以看出，將溫度傳感器集成到RFID標簽遇到幾個挑戰(zhàn)：1)溫度傳感器應該ON—CHIP并且易校正以便降低費用;2)功耗要嚴格限制;3)在測量范圍內(nèi)精度要高;4)應答器和收發(fā)器的標準化要形成。新穎靈巧的RFID標簽溫度傳感器應具有以下特性：①尺寸緊湊;②大數(shù)據(jù)量存儲;③價格便宜;④功耗低;⑤測量范圍較寬;⑥機械/熱/化學強度和耐用性好;⑦溫度傳感器的靈敏度可達0.2℃;⑧電源壽命能達到二到三年。

3 結束語

本文論述了RFID技術概念、組成、主要特點及技術局限，同時引用國內(nèi)外相關資料論述了RFID技術在溫度傳感器方面的應用(包括學術研究和商業(yè)化)、目前的種類和所能達到的特性，同時，文章也闡述了RFID溫度傳感器發(fā)展需要解決的若干問題，希望能為讀者等做些參考。