RFID技術(shù)簡(jiǎn)介及其在溫度傳感器方面的應用

摘要：基于歷史發(fā)展現狀簡(jiǎn)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(guò)總結搜索的國內外相關(guān)資料論述了RFID技術(shù)在溫度傳感器方面的應用(包括學(xué)術(shù)研究和商業(yè)化)、目前的種類(lèi)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(wèn)題。

自動(dòng)識別技術(shù)是一種高度自動(dòng)化的信息和數據采集技術(shù)。自動(dòng)識別系統在出入控制與安全應用方面，在供應鏈與制造過(guò)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用等很普遍。目前最普遍的自動(dòng)識別要算七十年代開(kāi)發(fā)的條形碼技術(shù)。近年來(lái)，射頻識別(Radio Fre quency Identification，RFID)技術(shù)在自動(dòng)識別中得到較多使用。同時(shí)，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(shù)和射頻識別溫度傳感器展開(kāi)論述。

1 射頻識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)射頻方式在閱讀器和應答器之間進(jìn)行非接觸雙向數據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的。識別工作無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽。與傳統的自動(dòng)識別系統(如條形碼)相比，RFID技術(shù)具有很多優(yōu)勢：可以定向或不定向的遠距離讀寫(xiě)數據，無(wú)需保持對象可見(jiàn);可以透過(guò)外部材料讀取數據;可以同時(shí)處理多個(gè)電子標簽;可以在惡劣環(huán)境下工作;可以?xún)Υ娴男畔⒘亢艽?可以通過(guò)RFID標簽對物體進(jìn)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(shù)的基本原理是電磁理論。射頻識別技術(shù)的基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性來(lái)獲得對被識別物體的自動(dòng)識別。射頻識別系統一般由電子標簽和閱讀器兩部分組成，基本模型圖見(jiàn)圖1。閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類(lèi)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(zhù)在被識別的物體上，當進(jìn)入可識別范圍時(shí)，閱讀器以非接觸的方式將標簽中的信息提取出來(lái)。射頻標簽分為有源和無(wú)源兩種。有源標簽識別距離較長(cháng)體積較大，但壽命有限且價(jià)格較高;無(wú)源標簽則相反。應答器一般由集成電路連接到天線(xiàn)，收發(fā)器質(zhì)詢(xún)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(guān)用戶(hù)寫(xiě)入的信息。RFID系統算是一種傳感系統。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(xiàn)組成，用來(lái)通過(guò)射頻電波傳播信息。應答器有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式應答器在標簽上有一個(gè)電源供應，比方說(shuō)電池。而被動(dòng)式的應答器都是通過(guò)收發(fā)器的質(zhì)詢(xún)信號來(lái)獲得能量。大多數情況下，無(wú)論是主動(dòng)式還是被動(dòng)式的發(fā)射應答器只有在收發(fā)器質(zhì)詢(xún)時(shí)才發(fā)射一個(gè)信號。主動(dòng)式的操作距離可以較遠，甚至在惡劣的環(huán)境中。遠程耦合系統的操作距離一般在1米之內，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(cháng)距離系統操作距離一般在1米到10米之間(當然航空應答器操作距離更長(cháng)，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。應答器的數據數量從幾位到幾千個(gè)字節。數據數量影響到RFID系統的可用頻率，故此，高數據量的標簽一般用于超高頻率以便所有數據可以在若干毫秒內讀完。只讀的應答器比可讀/寫(xiě)的應答器相對價(jià)格要低，但使用的場(chǎng)合受限，因為標簽上的物品信息無(wú)法更新。然而，可讀/寫(xiě)的應答器安全性能要低。多頁(yè)可讀/寫(xiě)的應答器解決了這個(gè)問(wèn)題，因為每個(gè)用戶(hù)可以授權一頁(yè)信息。被動(dòng)式讀/寫(xiě)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(dòng)式應答器需要減小功耗以便保證操作距離。另外，EEPROM的讀取次數也有限制，不會(huì )超過(guò)幾十萬(wàn)次，而且讀取時(shí)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(dòng)式應答器一般通過(guò)電感耦合(質(zhì)詢(xún)信號產(chǎn)生的磁場(chǎng))、電容耦合(質(zhì)詢(xún)信號產(chǎn)生的電場(chǎng))或者遠場(chǎng)能量收集的形式獲得能量。隨著(zhù)電池技術(shù)的進(jìn)步，主動(dòng)式應答器的壽命在樂(lè )觀(guān)且謹慎使用下可以接近十年。當同一通道的多個(gè)應答器對同一個(gè)收發(fā)器產(chǎn)生反應時(shí)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，包括內存有限。另外，費用也是個(gè)大問(wèn)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在的大多數防沖突法是時(shí)域防沖突法，也就是傳輸的位置隨著(zhù)時(shí)間變化。在數據安全方面，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(kāi)發(fā)出授權和加密的應答器。

2 RFID溫度傳感器

隨著(zhù)RFID和傳感器技術(shù)的成熟，近年來(lái)人們關(guān)注將它們集成?，F在有兩種RFID傳感器標簽體系：一種RFID標簽集成傳統電池支持的傳感器于硅芯片上并帶有模/數轉換器;這種技術(shù)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(xiàn)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(wèn)題所在。一般而言，射頻識別技術(shù)識別距離可達幾十米以上。帶有智能傳感器的RFID，是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分。另外，溫度是很重要的環(huán)境參數之一，溫度傳感器應該能夠監視和記錄關(guān)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。一種是利用模數轉換將與溫度有關(guān)的電壓信號轉換成包含溫度信息的數字信號。另一種是采用時(shí)域數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字信號，即利用一個(gè)輸出周期隨溫度變化的時(shí)鐘對一個(gè)脈沖寬度與溫度無(wú)關(guān)的脈沖信號進(jìn)行采樣計數，或者利用一個(gè)輸出周期與溫度無(wú)關(guān)的時(shí)鐘對一個(gè)脈沖寬度隨溫度變化的脈沖信號進(jìn)行采樣計數;最終通過(guò)數字信號處理得到溫度信息。采用第一種結構特點(diǎn)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(guān)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(xué)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(xiàn)上，印刷的結構可以說(shuō)明自上次讀數之后是否標簽暴露于過(guò)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標簽芯片”，指出被動(dòng)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轉換器常規方式嵌入，即使驅動(dòng)模數轉換的功耗為幾個(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(wú)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(shí)時(shí)收集監控;并且，這些標簽允許設置邊界溫度以便溫度被超過(guò)時(shí)發(fā)出警報。該標簽可以設置成每隔一定時(shí)間間隔發(fā)送或者進(jìn)入休眠狀態(tài)。測量距離最遠可達50米，每秒可讀100個(gè)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視環(huán)境溫度。記錄下的數據存于標簽的內存，可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的閱讀器實(shí)時(shí)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，現在RFID標簽的增長(cháng)大都集中于被動(dòng)式超高頻(UHF)標簽，同時(shí)被動(dòng)式高頻(HF，13.56 MHz)市場(chǎng)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(lèi)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(gè)挑戰：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大數據量存儲;③價(jià)格便宜;④功耗低;⑤測量范圍較寬;⑥機械/熱/化學(xué)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(yǔ)

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)引用國內外相關(guān)資料論述了RFID技術(shù)在溫度傳感器方面的應用(包括學(xué)術(shù)研究和商業(yè)化)、目前的種類(lèi)和所能達到的特性，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(wèn)題，希望能為讀者等做些參考。