RFID技術(shù)簡介及其在溫度傳感器方面的應(yīng)用

摘要：基于歷史發(fā)展現(xiàn)狀簡要介紹RFID技術(shù)概念、組成、主要特點(diǎn)及技術(shù)局限，同時(shí)通過總結(jié)搜索的國內(nèi)外相關(guān)資料論述了RFID技術(shù)在溫度傳感器方面的應(yīng)用(包括學(xué)術(shù)研究和商業(yè)化)、目前的種類和所能達(dá)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(dòng)識(shí)別技術(shù)是一種高度自動(dòng)化的信息和數(shù)據(jù)采集技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在出入控制與安全應(yīng)用方面，在供應(yīng)鏈與制造過程工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品跟蹤方面，以及在零售終端方面的應(yīng)用等很普遍。目前最普遍的自動(dòng)識(shí)別要算七十年代開發(fā)的條形碼技術(shù)。近年來，射頻識(shí)別(Radio Fre quency Identification，RFID)技術(shù)在自動(dòng)識(shí)別中得到較多使用。同時(shí)，射頻識(shí)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(shí)別技術(shù)和射頻識(shí)別溫度傳感器展開論述。

1 射頻識(shí)別技術(shù)

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

射頻技術(shù)的基本原理是電磁理論。射頻識(shí)別技術(shù)的基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性來獲得對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由電子標(biāo)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(biāo)簽之間的射頻信號(hào)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(dá)原理模型)。電子標(biāo)簽附著在被識(shí)別的物體上，當(dāng)進(jìn)入可識(shí)別范圍時(shí)，閱讀器以非接觸的方式將標(biāo)簽中的信息提取出來。射頻標(biāo)簽分為有源和無源兩種。有源標(biāo)簽識(shí)別距離較長體積較大，但壽命有限且價(jià)格較高;無源標(biāo)簽則相反。應(yīng)答器一般由集成電路連接到天線，收發(fā)器質(zhì)詢應(yīng)答器以了解其中的儲(chǔ)存信息，包括產(chǎn)品系列號(hào)以及其它相關(guān)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(dǎo)體電路的物理性質(zhì)限制了RFID應(yīng)答器的大小空間和可以達(dá)到的性能。典型的應(yīng)答器由微芯片和天線組成，用來通過射頻電波傳播信息。應(yīng)答器有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式應(yīng)答器在標(biāo)簽上有一個(gè)電源供應(yīng)，比方說電池。而被動(dòng)式的應(yīng)答器都是通過收發(fā)器的質(zhì)詢信號(hào)來獲得能量。大多數(shù)情況下，無論是主動(dòng)式還是被動(dòng)式的發(fā)射應(yīng)答器只有在收發(fā)器質(zhì)詢時(shí)才發(fā)射一個(gè)信號(hào)。主動(dòng)式的操作距離可以較遠(yuǎn)，甚至在惡劣的環(huán)境中。遠(yuǎn)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(diǎn)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(gè);長距離系統(tǒng)操作距離一般在1米到10米之間(當(dāng)然航空應(yīng)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(yīng)答器的數(shù)據(jù)數(shù)量從幾位到幾千個(gè)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(biāo)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(yīng)答器比可讀/寫的應(yīng)答器相對(duì)價(jià)格要低，但使用的場(chǎng)合受限，因?yàn)闃?biāo)簽上的物品信息無法更新。然而，可讀/寫的應(yīng)答器安全性能要低。多頁可讀/寫的應(yīng)答器解決了這個(gè)問題，因?yàn)槊總€(gè)用戶可以授權(quán)一頁信息。被動(dòng)式讀/寫的應(yīng)答器常常使用電可擦除式只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)，占用集成電路較大的空間并消耗較大的電流。而被動(dòng)式應(yīng)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(huì)超過幾十萬次，而且讀取時(shí)間很慢(一百毫秒左右)。典型的低功耗應(yīng)答器消耗10μW到50μW的能量。被動(dòng)式應(yīng)答器一般通過電感耦合(質(zhì)詢信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng))、電容耦合(質(zhì)詢信號(hào)產(chǎn)生的電場(chǎng))或者遠(yuǎn)場(chǎng)能量收集的形式獲得能量。隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，主動(dòng)式應(yīng)答器的壽命在樂觀且謹(jǐn)慎使用下可以接近十年。當(dāng)同一通道的多個(gè)應(yīng)答器對(duì)同一個(gè)收發(fā)器產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)它們的信號(hào)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(jí)的運(yùn)算能力，包括內(nèi)存有限。另外，費(fèi)用也是個(gè)大問題。尤其是頻域防沖突法，雖然通信能力強(qiáng)健但復(fù)雜程度和費(fèi)用都很高?，F(xiàn)在的大多數(shù)防沖突法是時(shí)域防沖突法，也就是傳輸?shù)奈恢秒S著時(shí)間變化。在數(shù)據(jù)安全方面，最好的情況是應(yīng)答器和收發(fā)器相互識(shí)別授權(quán)。德州儀器和微芯公司已經(jīng)開發(fā)出授權(quán)和加密的應(yīng)答器。

2 RFID溫度傳感器

隨著RFID和傳感器技術(shù)的成熟，近年來人們關(guān)注將它們集成?，F(xiàn)在有兩種RFID傳感器標(biāo)簽體系：一種RFID標(biāo)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(zhuǎn)換器;這種技術(shù)適合多種傳感器，但標(biāo)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(biāo)簽天線上，這樣尺寸和成本下降，但如何設(shè)計(jì)這樣的傳感器元件成為問題所在。一般而言，射頻識(shí)別技術(shù)識(shí)別距離可達(dá)幾十米以上。帶有智能傳感器的RFID，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該能夠監(jiān)視和記錄關(guān)鍵的溫度變化。在標(biāo)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(jié)構(gòu)。一種是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換將與溫度有關(guān)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成包含溫度信息的數(shù)字信號(hào)。另一種是采用時(shí)域數(shù)字量化的方式將周期隨溫度變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化成包含溫度信息的數(shù)字信號(hào)，即利用一個(gè)輸出周期隨溫度變化的時(shí)鐘對(duì)一個(gè)脈沖寬度與溫度無關(guān)的脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，或者利用一個(gè)輸出周期與溫度無關(guān)的時(shí)鐘對(duì)一個(gè)脈沖寬度隨溫度變化的脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù);最終通過數(shù)字信號(hào)處理得到溫度信息。采用第一種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是測(cè)量范圍寬，測(cè)量精度高，測(cè)試成本低，但功耗較大，在幾百微瓦到幾毫瓦;第二種結(jié)構(gòu)測(cè)量范嗣較小，測(cè)量精度不高，但功耗低。下面是關(guān)于溫度傳感器究和應(yīng)用的一些例子。

在研究方面，瑞典中部大學(xué)的Jinlan Gao等人將印刷的納米傳感器結(jié)構(gòu)集成于UHF RFID標(biāo)簽天線上，印刷的結(jié)構(gòu)可以說明自上次讀數(shù)之后是否標(biāo)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(chǎng)合;上述實(shí)驗(yàn)在幾米范圍實(shí)施。中國科學(xué)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(biāo)簽芯片”，指出被動(dòng)式RFID標(biāo)簽芯片對(duì)功耗太敏感，很難在不縮短標(biāo)簽操作距離的前提下將傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器常規(guī)方式嵌入，即使驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的功耗為幾個(gè)μW也會(huì)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(fù)旦大學(xué)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(cè)量范圍-20℃到120℃，校正后精度為±0.65℃。另外，天津大學(xué)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(yīng)用方面，加拿大的GAO RFID Inc制造的有源溫度傳感器標(biāo)簽(型號(hào)：127003L)以2.45GHz頻率操作，提供物品溫度的實(shí)時(shí)收集監(jiān)控;并且，這些標(biāo)簽允許設(shè)置邊界溫度以便溫度被超過時(shí)發(fā)出警報(bào)。該標(biāo)簽可以設(shè)置成每隔一定時(shí)間間隔發(fā)送或者進(jìn)入休眠狀態(tài)。測(cè)量距離最遠(yuǎn)可達(dá)50米，每秒可讀100個(gè)標(biāo)簽，功耗為<7μA，3 V，電池壽命兩年，測(cè)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(biāo)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(biāo)簽的內(nèi)存，可以通過專門的閱讀器實(shí)時(shí)閱讀和分析，從而獲知運(yùn)輸或儲(chǔ)藏的溫度是否合適。另外，加拿大的Proxima RFTechnologyCorp工作人員認(rèn)為，現(xiàn)在RFID標(biāo)簽的增長大都集中于被動(dòng)式超高頻(UHF)標(biāo)簽，同時(shí)被動(dòng)式高頻(HF，13.56 MHz)市場(chǎng)也在擴(kuò)大，因?yàn)镠F型RFID標(biāo)簽的耐潮濕特性使其成為高水分物品應(yīng)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(biāo)簽遇到幾個(gè)挑戰(zhàn)：1)溫度傳感器應(yīng)該ON—CHIP并且易校正以便降低費(fèi)用;2)功耗要嚴(yán)格限制;3)在測(cè)量范圍內(nèi)精度要高;4)應(yīng)答器和收發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn)化要形成。新穎靈巧的RFID標(biāo)簽溫度傳感器應(yīng)具有以下特性：①尺寸緊湊;②大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ);③價(jià)格便宜;④功耗低;⑤測(cè)量范圍較寬;⑥機(jī)械/熱/化學(xué)強(qiáng)度和耐用性好;⑦溫度傳感器的靈敏度可達(dá)0.2℃;⑧電源壽命能達(dá)到二到三年。

3 結(jié)束語

本文論述了RFID技術(shù)概念、組成、主要特點(diǎn)及技術(shù)局限，同時(shí)引用國內(nèi)外相關(guān)資料論述了RFID技術(shù)在溫度傳感器方面的應(yīng)用(包括學(xué)術(shù)研究和商業(yè)化)、目前的種類和所能達(dá)到的特性，同時(shí)，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。