RFID技术及其在温度传感器方面的应用

摘要：基于历史发展现状简要介绍RFID技术概念、组成、主要特点及技术局限，同时通过总结搜索的国内外相关资料论述了RFID技术在温度传感器方面的应用(包括学术研究和商业化)、目前的种类和所能达到的特性，从而提出RFID温度传感器发展需要解决的若干问题。

自动识别技术是一种高度自动化的信息和数据采集技术。自动识别系统在出入控制与安全应用方面，在供应链与制造过程工业领域的产品跟踪方面，以及在零售终端方面的应用等很普遍。目前最普遍的自动识别要算七十年代开发的条形码技术。近年来，射频识别(Radio Fre quency Identification，RFID)技术在自动识别中得到较多使用。同时，射频识别在温度传感器方面的研究与商业化也展示出良好前景。下面段落分别就射频识别技术和射频识别温度传感器展开论述。

1 射频识别技术

射频识别技术利用无线射频方式在阅读器和应答器之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。与传统的自动识别系统(如条形码)相比，RFID技术具有很多优势：可以定向或不定向的远距离读写数据，无需保持对象可见;可以透过外部材料读取数据;可以同时处理多个电子标签;可以在恶劣环境下工作;可以储存的信息量很大;可以通过RFID标签对物体进行物理定位等。但RFID标签不能象条形码那样随意扔掉。

射频技术的基本原理是电磁理论。射频识别技术的基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性来获得对被识别物体的自动识别。射频识别系统一般由电子标签和阅读器两部分组成，基本模型图见图1。阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型包括电感耦合(变压器模型)和电磁反向散射耦合(雷达原理模型)。电子标签附着在被识别的物体上，当进入可识别范围时，阅读器以非接触的方式将标签中的信息提取出来。射频标签分为有源和无源两种。有源标签识别距离较长体积较大，但寿命有限且价格较高;无源标签则相反。应答器一般由集成电路连接到天线，收发器质询应答器以了解其中的储存信息，包括产品系列号以及其它相关用户写入的信息。RFID系统算是一种传感系统。然而，射频通信和半导体电路的物理性质限制了RFID应答器的大小空间和可以达到的性能。典型的应答器由微芯片和天线组成，用来通过射频电波传播信息。应答器有主动式和被动式两种。主动式应答器在标签上有一个电源供应，比方说电池。而被动式的应答器都是通过收发器的质询信号来获得能量。大多数情况下，无论是主动式还是被动式的发射应答器只有在收发器质询时才发射一个信号。主动式的操作距离可以较远，甚至在恶劣的环境中。远程耦合系统的操作距离一般在1米之内，频率低于135 kHz(该频段特点是具有良好的物体穿透能力)，或者是6.75 MHz、13.56 MHz和27.125 MHz中的一个;长距离系统操作距离一般在1米到10米之间(当然航空应答器操作距离更长，几百米到上千米)，目前使用915 MHz(欧洲禁止)以及2.45 GHz、5.8 GHz和24.125 GHz。应答器的数据数量从几位到几千个字节。数据数量影响到RFID系统的可用频率，故此，高数据量的标签一般用于超高频率以便所有数据可以在若干毫秒内读完。只读的应答器比可读/写的应答器相对价格要低，但使用的场合受限，因为标签上的物品信息无法更新。然而，可读/写的应答器安全性能要低。多页可读/写的应答器解决了这个问题，因为每个用户可以授权一页信息。被动式读/写的应答器常常使用电可擦除式只读存储器(EEPROM)，占用集成电路较大的空间并消耗较大的电流。而被动式应答器需要减小功耗以便保证操作距离。另外，EEPROM的读取次数也有限制，不会超过几十万次，而且读取时间很慢(一百毫秒左右)。典型的低功耗应答器消耗10μW到50μW的能量。被动式应答器一般通过电感耦合(质询信号产生的磁场)、电容耦合(质询信号产生的电场)或者远场能量收集的形式获得能量。随着电池技术的进步，主动式应答器的寿命在乐观且谨慎使用下可以接近十年。当同一通道的多个应答器对同一个收发器产生反应时它们的信号可能互相影响，造成的后果就是传输失败。RFID的防冲突方法受制于低级的运算能力，包括内存有限。另外，费用也是个大问题。尤其是频域防冲突法，虽然通信能力强健但复杂程度和费用都很高。现在的大多数防冲突法是时域防冲突法，也就是传输的位置随着时间变化。在数据安全方面，最好的情况是应答器和收发器相互识别授权。德州仪器和微芯公司已经开发出授权和加密的应答器。

2 RFID温度传感器

随着RFID和传感器技术的成熟，近年来人们关注将它们集成。现在有两种RFID传感器标签体系：一种RFID标签集成传统电池支持的传感器于硅芯片上并带有模/数转换器;这种技术适合多种传感器，但标签尺寸大且成本高，且寿命受限于电池容量。第二种将传感器集成于标签天线上，这样尺寸和成本下降，但如何设计这样的传感器元件成为问题所在。一般而言，射频识别技术识别距离可达几十米以上。带有智能传感器的RFID，是无线传感网络的重要组成部分。另外，温度是很重要的环境参数之一，温度传感器应该能够监视和记录关键的温度变化。在标签芯片中嵌入温度传感电路是一大方向。目前基于CMOS工艺的RFID温度传感方法有两种典型结构。一种是利用模数转换将与温度有关的电压信号转换成包含温度信息的数字信号。另一种是采用时域数字量化的方式将周期随温度变化的信号转化成包含温度信息的数字信号，即利用一个输出周期随温度变化的时钟对一个脉冲宽度与温度无关的脉冲信号进行采样计数，或者利用一个输出周期与温度无关的时钟对一个脉冲宽度随温度变化的脉冲信号进行采样计数;最终通过数字信号处理得到温度信息。采用第一种结构特点是测量范围宽，测量精度高，测试成本低，但功耗较大，在几百微瓦到几毫瓦;第二种结构测量范嗣较小，测量精度不高，但功耗低。下面是关于温度传感器究和应用的一些例子。

在研究方面，瑞典中部大学的Jinlan Gao等人将印刷的纳米传感器结构集成于UHF RFID标签天线上，印刷的结构可以说明自上次读数之后是否标签暴露于过分的温度环境之中，并可用于温度传感器寿命太短或太贵的场合;上述实验在几米范围实施。中国科学院Shenghua Zhou和NanjianWu论述“一种新型的低功耗温度传感器适于UHF RFID标签芯片”，指出被动式RFID标签芯片对功耗太敏感，很难在不缩短标签操作距离的前提下将传感器与模数转换器常规方式嵌入，即使驱动模数转换的功耗为几个μW也会大大缩短操作距离。他们的方法使功耗降到0.9μW，校正后的精确度为±1℃。复旦大学Conghui Xu等人研究的低功耗CMOS型RFID温度传感器，功耗26μA～1.8 V，测量范围-20℃到120℃，校正后精度为±0.65℃。另外，天津大学的王倩等人提出的无源CMOS温度传感器，适用温度范围-50℃到50℃，功耗789 nW，分辨率较高。在商业应用方面，加拿大的GAO RFID Inc制造的有源温度传感器标签(型号：127003L)以2.45GHz频率操作，提供物品温度的实时收集监控;并且，这些标签允许设置边界温度以便温度被超过时发出警报。该标签可以设置成每隔一定时间间隔发送或者进入休眠状态。测量距离最远可达50米，每秒可读100个标签，功耗为<7μA，3 V，电池寿命两年，测量温度可以从-80℃到120℃，唯一不足的是精度为±2℃。位于土耳其的Alvin Systems有限公司制造灵巧的RFID传感器标签，可以贴在物品盒子或袋子上定期记录监视环境温度。记录下的数据存于标签的内存，可以通过专门的阅读器实时阅读和分析，从而获知运输或储藏的温度是否合适。另外，加拿大的Proxima RFTechnologyCorp工作人员认为，现在RFID标签的增长大都集中于被动式超高频(UHF)标签，同时被动式高频(HF，13.56 MHz)市场也在扩大，因为HF型RFID标签的耐潮湿特性使其成为高水分物品应用的良好选择，包括冰、水、肉类和饮料。

从以上可以看出，将温度传感器集成到RFID标签遇到几个挑战：1)温度传感器应该ON—CHIP并且易校正以便降低费用;2)功耗要严格限制;3)在测量范围内精度要高;4)应答器和收发器的标准化要形成。新颖灵巧的RFID标签温度传感器应具有以下特性：①尺寸紧凑;②大数据量存储;③价格便宜;④功耗低;⑤测量范围较宽;⑥机械/热/化学强度和耐用性好;⑦温度传感器的灵敏度可达0.2℃;⑧电源寿命能达到二到三年。

3 结束语

本文论述了RFID技术概念、组成、主要特点及技术局限，同时引用国内外相关资料论述了RFID技术在温度传感器方面的应用(包括学术研究和商业化)、目前的种类和所能达到的特性，同时，文章也阐述了RFID温度传感器发展需要解决的若干问题，希望能为读者等做些参考。