一种测量温度的RFID双标签装置

1 引言

射频识别( RFID)是物联网技术的重要组成部分，RFID标签与传感设备的集成是物联网“感知”、“传输”、“智能”三大特征的体现。就传感器与RFID标签的集成而言，刘伟峰，庄奕琪采用双振荡器结构，利用标准时钟对受湿度影响的时钟形成的信号进行采样并计数，根据计数值与温度的线性关系获得温度的测量值。在传感器与RFID标签的内部某一模块连接方面，李蕾，谢生，黄晓综利用转换电路将提取的温度信息转换成数字信号供FID标签控制模块使用;孟海斌，张红雨温湿度的检测电路与标签芯片的逻辑控制模块相连，在控制模块的作用下，检测结果经由射频模块并通过天线传输给阅读器。在传感器与RFID标签内部多个模块连接方面，颜斌将控制模块分别与传感器、射频模块及储存模块相连，所述控制模块能够接收射频模块的指令开启传感器进行测温工作，并将测量的温度记录数据存储在所述存储器中;孔令荣等Ls将温度传感器通过命令及数据总线与拄制模块相连，控制模块又与射频模块、储存模块相连，能够测量和记录工作环境的温度变化，并能够读出存储在标签内的数据。在传感器与RFID标签集成的供电问题上，侯志刚L6将温度传感器测量到的温度值在经过处理器处理后输入到RFID标签的储存模块，然后阅读器通过天线可读取标签中的温度信息，在工作过程中虽然RFID标签是无源的，但温度传感器和处理模块需要电源供电才能工作。就温度传感器而言，作为众多传感设备中一个非常重要的类别，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首，其自身与RFID技术相融合具有广阔的应用前景。本文具体介绍温度传感器与RFID技术的集成，在分析现有研究和技术的基础上，明确设计思路，提出了新的集成方案，并通过实验证明了方案的可行性。

2温度传感器与RFID标签的集成分析

将温度传感器和RFID标签集成应考虑成本、测量时的定标、装置的供电、集成点位置的选择以及集成方式的创新等问题。

2.1 温度传感器的集成可能性分析

就温度传感器而言，它由温敏元件、转化元件、信号调节转换电路和辅助电源组成。其中起核心作用的是温敏元件，按照电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。其中，热电阻是利用导体的电阻值随温度变化而改变这一特性制成的，目前应用最多的是铂、铜、镍、锰和铑等材料。本文针对输出电阻变化的温敏元件即热电阻进行设计。抓住电阻型温敏元件电信号变化的本质，是实现其自身与RFID标签集成的基础。

2.2 RFID标签的集成可能性分析

进一步对RFID技术系统进行分析，可知该技术系统与外界的信息交互是以电子标签为窗口实现的。标签包括芯片模块、天线和卡基，其中芯片模块包括射频模块，控制模块和存储器模块。综合文献中所提到的传感技术与标签集成的思路，可知二者集成点的位置有四种可能：与天线相连接、与射频模块相连接、与控制模块相连接、与储存模块相连接。此外，与多个模块同时连接从而达到更高程度的融合也是辕为理想的技术方案之一。需要特别提出的一点是，天线的特征频率和信号强度会受到天线本身及其连接物的影响用，这一点是整个技术集成思路的关键。从这一点出发将基于电阻变化的温敏元件与电子标签的天线相连，通过天线信号频率或强度的变化便可以识别环境温度的改变。

3温敏元件与RFID标签集成的双标签设计

通过以上温度传感器与RFID标签集成思路的分析，得出二者的集成方案如下：

测量温度的RFID双标签结构如图l所示，包括：RFID阅读器1、第- RFID标签2和第二RFID标签3，所述第- RFID标签2和所述第二RFID标签3具有相同的芯片和天线，所述第二RFID标签3为带温敏元件的RFID标签，温敏元件与所述第二RFID标签3的天线相连。

图1 测量温度的双标签结构

所述第二标签的结构如图2所示，为温敏元件与RFID芯片相连接的标签装置示意图。包括一个底座4，一个集成电路板3，一个温敏元件4，两个引脚6，7和一个双偶极天线1，2，其中两个引脚6，7位于集成电路板3上，温敏元件通过这两个引脚6，7在芯片内部与天线形成并联结构。与该第二标签对应的第一标签有相同的芯片和天线。所述温敏元件为电阻行温敏元件。

图3为温敏元仵与第二RFID标签等效电路相连接的示意图，包括标签天线的线圈电感(L)、寄生电容(c_p)和并联电容(C_a)，其谐振频率为：

(l)式中C为C_p和C₂的并联等效电容，R₁，R₂为电路内电感线圈及其他装置的等效电阻。M为温敏元件的可变电阻。

就另一个实例而言，在第二标签的芯片上有两个引脚、两根天线(双偶极天线)。此时有两种情况：第一种情况是温敏元件与这两个引脚相连，与第一根天线形成并联结构，此时第一根天线工作在第二共振频率下，而第二根天线独立工作在第一共振频率下;第二种情况是，温敏元件与这两个引脚相连，与两根天线同时形成并联结构，此时两根天线同时工作在第二共振频率下。

图3温敏元件与第二标签连接等效电路图

在双标签设计方案中，第一标签作为参照物存在，第二标签的设计是整个结构的关键所在。就第二标签的结构而言，上述介绍的仅是“双引脚一双天线”的结构，此外，还有“两引角一单天线”、“一引脚一双天线”和“无引脚”的结构。其中，“两引角一单天线”的结构是指第二标签上只有一根天线，标签的芯片上有两个引脚，温敏元件通过这两个引脚相连与这根天线相连，作为参照物的第一标签在结构上皮与第二标签一致。“一引脚一双天线”结构如图4所示，签的芯片仅有一个引脚6，这一引脚向外与温敏元件的一端相连，温敏元件的另一端直接连到天线上，引脚在芯片内部的连接点与两个引脚的情况类似，同样是要与标签的天线形成并联结构。此时同样有两种情况。第一种情况是温敏元件与这一个引脚相连，另一端连到第一根天线上并与第一根天线形成并联结构，此时第一根天线工作在第二共振频率下，而第二根天线独立工作在第一共振频率下。第二种情况是，温敏元件与这一个引脚相连，另一端连到天线上并与两根天线同时成并联结构，此时两根天线同时工作在第二共振频率下。

“无引脚”的结构如图5所示，RFID标签的芯片上没有引脚时，温敏元件的两端直接连到天线上。这种情况下，与温敏元件相连的天线工作在第二共振频率下。

　　图4“一引脚一双天线”结构

图5“无引脚”结构示意图

4温敏元件与RFID标签集成设计的工作流程

上述测量温度的RFID双标签结构，放置在一定的温度水平下一段时间后，所述第- RFID标签天线的第一共振频率和信号强度保持不变，此时所述第- RFID标签工作在第一共振频率下。外界温度的变化会引起温敏元件本身电阻值的变化，此时放置在一定的温度水平下～段时间后，所述第二RFID标签天线的特征频率和信号强度至少会有一个发生变化，同时所述第二RFID标签工作在第二共振频率下。

测量温度的RFID双标签工作流程如图6所示。首先，将所述第- RFID标签放置在一定的温度水平下一段时间后，第- RFID标签天线的第一共振频率和信号强度保持不变，此时所述第- RFID标签工作在第一共振频率下。然后，将所述第二RFID标签放置在一定的温度水平下一段时间后，所述第二RFID标签天线的特征频率和信号强度至少会有一个发生变化，此时所述第二RFID标签工作在第二共振频率下。接下来，通过所述RFID阅读器发送指令给所述第- RFID标签和所述第二RFID标签并接收反馈信号。RFID阅读器将来自不与温敏元件相连的第- RFID标签的信号强度值作为一个参考值，把它与同温敏元件相连的第二RFID标签的信号强度值进行比较。最后，利用所述RFID阅读器比较所述第- RFID标签和所述第二RFID标签工作时不同频率的信号强度之间的差异来检测温度的改变。

图6测温度的双标签工作流程

实际上，配置这个RFID阅读器是为了通过使用储存的参考数据将接收到的天线信号强度值转化为不同的环境温度值。阅读器可以向标签发送一个在频道n-l和频道n之间的指令来进一步确认一下标签天线的工作频率范围已经发生了漂移，因为标签能够接收到通过频道n-l发过来的指令，并且通过频道n-l能向阅读器反馈信息，而不能够接收到通过频道n发过来的指令，并且不能够通过频道n向阅读器反馈信息，这样就确定了标签天线的工作频率范围已经发生了漂移。此外，本设计方案所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、理器执行的软件模块、或者这两者的集成。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储嚣、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。

5 实验结果及分析

对上述设计方案进行实验，其结果如图7、8所示。随着周围环境温度的变化，第- RFID标签与第二RFID标签天线的共振频率的差值发生变化。如图7所示，初始温度下，第一RFID标签的共振频率1和第二RFID标签的共振频率2几乎保持一致且都接近0.90GHz。如图8所示，当温度随时间发生变化时，第二RFID标签天线由于带有温敏元件，其共振频率降低到0.70CHz左右，然而不与温敏元件相连接的第- RFID标签天线的共振频率仍处于0.90GHz左右。记录带温敏元件的第二RFID标签天线在不同温度水平下的特征频率和信号强度，并与不带温敏元件的第二RFID标签天线进行比较则可得出环境温度与共振频率差值的内在联系，从而使带温敏元件的RFID标签实现测量温度的功能。

　　图7初始温度下RFID标签天线共振频率

图8温度变化后RFID标签天线共振频率

6结论及展望

本文在总结已有研究成果和对相关技术深入分析的基础上，提出了一种解决传感器与射频识别标签集成问题的新型设计方案，即将温度传感器中的核心部分(温敏元件)抽取出来，与RFID标签技术进行了创新形式的技术集成。这一测量温度的RFID双标签的设计形式，对原有的技术系统做了一定的改进，与现有的技术集成方案相比降低了生产成本。并且通过与笫一标签和第二标签进行交替通信，将不连接温敏元件的第一标签天线的信号作为一个参考值，从而低成本地解决了设备使用过程中的定标问题，同时可以将由于标签和阅读器之间的耦合所导致的变化过滤掉，使测量结果更为精确。另外，利用标签的天线和射频模块将电磁波转换为电能，为RFID标签及温敏元件供电，从而解决了设备使用过程中的能源供应问题。但是，本设计在数据传输过程中会受到干扰，引脚与温敏元件之间的线路也会影响测量的精度，所以该设计有待进一步改进，以适应更加精密的测量要求。此外，不同类型的敏感元件与RFID标签的集成仍有待进一步研究。总之，随着物联网技术和我国信息产业的不断发展，RFID技术和传感技术的集成将会不断向着更深和更广的方向发展。