1 引言

　　射頻識別( RFID)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，RFID標(biāo)簽與傳感設(shè)備的集成是物聯(lián)網(wǎng)“感知”、“傳輸”、“智能”三大特征的體現(xiàn)。就傳感器與RFID標(biāo)簽的集成而言，劉偉峰，莊奕琪采用雙振蕩器結(jié)構(gòu)，利用標(biāo)準(zhǔn)時鐘對受濕度影響的時鐘形成的信號進(jìn)行采樣并計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值與溫度的線性關(guān)系獲得溫度的測量值。在傳感器與RFID標(biāo)簽的內(nèi)部某一模塊連接方面，李蕾，謝生，黃曉綜利用轉(zhuǎn)換電路將提取的溫度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供FID標(biāo)簽控制模塊使用;孟海斌，張紅雨溫濕度的檢測電路與標(biāo)簽芯片的邏輯控制模塊相連，在控制模塊的作用下，檢測結(jié)果經(jīng)由射頻模塊并通過天線傳輸給閱讀器。在傳感器與RFID標(biāo)簽內(nèi)部多個模塊連接方面，顏斌將控制模塊分別與傳感器、射頻模塊及儲存模塊相連，所述控制模塊能夠接收射頻模塊的指令開啟傳感器進(jìn)行測溫工作，并將測量的溫度記錄數(shù)據(jù)存儲在所述存儲器中;孔令榮等Ls將溫度傳感器通過命令及數(shù)據(jù)總線與拄制模塊相連，控制模塊又與射頻模塊、儲存模塊相連，能夠測量和記錄工作環(huán)境的溫度變化，并能夠讀出存儲在標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)。在傳感器與RFID標(biāo)簽集成的供電問題上，侯志剛L6將溫度傳感器測量到的溫度值在經(jīng)過處理器處理后輸入到RFID標(biāo)簽的儲存模塊，然后閱讀器通過天線可讀取標(biāo)簽中的溫度信息，在工作過程中雖然RFID標(biāo)簽是無源的，但溫度傳感器和處理模塊需要電源供電才能工作。就溫度傳感器而言，作為眾多傳感設(shè)備中一個非常重要的類別，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首，其自身與RFID技術(shù)相融合具有廣闊的應(yīng)用前景。本文具體介紹溫度傳感器與RFID技術(shù)的集成，在分析現(xiàn)有研究和技術(shù)的基礎(chǔ)上，明確設(shè)計思路，提出了新的集成方案，并通過實驗證明了方案的可行性。

　　2溫度傳感器與RFID標(biāo)簽的集成分析

　　將溫度傳感器和RFID標(biāo)簽集成應(yīng)考慮成本、測量時的定標(biāo)、裝置的供電、集成點位置的選擇以及集成方式的創(chuàng)新等問題。

　　2.1 溫度傳感器的集成可能性分析

　　就溫度傳感器而言，它由溫敏元件、轉(zhuǎn)化元件、信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路和輔助電源組成。其中起核心作用的是溫敏元件，按照電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。其中，熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變這一特性制成的，目前應(yīng)用最多的是鉑、銅、鎳、錳和銠等材料。本文針對輸出電阻變化的溫敏元件即熱電阻進(jìn)行設(shè)計。抓住電阻型溫敏元件電信號變化的本質(zhì)，是實現(xiàn)其自身與RFID標(biāo)簽集成的基礎(chǔ)。

　　2.2 RFID標(biāo)簽的集成可能性分析

　　進(jìn)一步對RFID技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，可知該技術(shù)系統(tǒng)與外界的信息交互是以電子標(biāo)簽為窗口實現(xiàn)的。標(biāo)簽包括芯片模塊、天線和卡基，其中芯片模塊包括射頻模塊，控制模塊和存儲器模塊。綜合文獻(xiàn)中所提到的傳感技術(shù)與標(biāo)簽集成的思路，可知二者集成點的位置有四種可能：與天線相連接、與射頻模塊相連接、與控制模塊相連接、與儲存模塊相連接。此外，與多個模塊同時連接從而達(dá)到更高程度的融合也是轅為理想的技術(shù)方案之一。需要特別提出的一點是，天線的特征頻率和信號強(qiáng)度會受到天線本身及其連接物的影響用，這一點是整個技術(shù)集成思路的關(guān)鍵。從這一點出發(fā)將基于電阻變化的溫敏元件與電子標(biāo)簽的天線相連，通過天線信號頻率或強(qiáng)度的變化便可以識別環(huán)境溫度的改變。

　　3溫敏元件與RFID標(biāo)簽集成的雙標(biāo)簽設(shè)計

　　通過以上溫度傳感器與RFID標(biāo)簽集成思路的分析，得出二者的集成方案如下：

　　測量溫度的RFID雙標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括：RFID閱讀器1、第- RFID標(biāo)簽2和第二RFID標(biāo)簽3，所述第- RFID標(biāo)簽2和所述第二RFID標(biāo)簽3具有相同的芯片和天線，所述第二RFID標(biāo)簽3為帶溫敏元件的RFID標(biāo)簽，溫敏元件與所述第二RFID標(biāo)簽3的天線相連。

圖1 測量溫度的雙標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

　　所述第二標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為溫敏元件與RFID芯片相連接的標(biāo)簽裝置示意圖。包括一個底座4，一個集成電路板3，一個溫敏元件4，兩個引腳6，7和一個雙偶極天線1，2，其中兩個引腳6，7位于集成電路板3上，溫敏元件通過這兩個引腳6，7在芯片內(nèi)部與天線形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。與該第二標(biāo)簽對應(yīng)的第一標(biāo)簽有相同的芯片和天線。所述溫敏元件為電阻行溫敏元件。

　　圖3為溫敏元仵與第二RFID標(biāo)簽等效電路相連接的示意圖，包括標(biāo)簽天線的線圈電感(L)、寄生電容(c_p)和并聯(lián)電容(C_a)，其諧振頻率為：

　　(l)式中C為C_p和C₂的并聯(lián)等效電容，R₁，R₂為電路內(nèi)電感線圈及其他裝置的等效電阻。M為溫敏元件的可變電阻。

　　就另一個實例而言，在第二標(biāo)簽的芯片上有兩個引腳、兩根天線(雙偶極天線)。此時有兩種情況：第一種情況是溫敏元件與這兩個引腳相連，與第一根天線形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時第一根天線工作在第二共振頻率下，而第二根天線獨立工作在第一共振頻率下;第二種情況是，溫敏元件與這兩個引腳相連，與兩根天線同時形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時兩根天線同時工作在第二共振頻率下。

圖3溫敏元件與第二標(biāo)簽連接等效電路圖

　　在雙標(biāo)簽設(shè)計方案中，第一標(biāo)簽作為參照物存在，第二標(biāo)簽的設(shè)計是整個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在。就第二標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)而言，上述介紹的僅是“雙引腳一雙天線”的結(jié)構(gòu)，此外，還有“兩引角一單天線”、“一引腳一雙天線”和“無引腳”的結(jié)構(gòu)。其中，“兩引角一單天線”的結(jié)構(gòu)是指第二標(biāo)簽上只有一根天線，標(biāo)簽的芯片上有兩個引腳，溫敏元件通過這兩個引腳相連與這根天線相連，作為參照物的第一標(biāo)簽在結(jié)構(gòu)上皮與第二標(biāo)簽一致?！耙灰_一雙天線”結(jié)構(gòu)如圖4所示，簽的芯片僅有一個引腳6，這一引腳向外與溫敏元件的一端相連，溫敏元件的另一端直接連到天線上，引腳在芯片內(nèi)部的連接點與兩個引腳的情況類似，同樣是要與標(biāo)簽的天線形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。此時同樣有兩種情況。第一種情況是溫敏元件與這一個引腳相連，另一端連到第一根天線上并與第一根天線形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時第一根天線工作在第二共振頻率下，而第二根天線獨立工作在第一共振頻率下。第二種情況是，溫敏元件與這一個引腳相連，另一端連到天線上并與兩根天線同時成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時兩根天線同時工作在第二共振頻率下。

　　“無引腳”的結(jié)構(gòu)如圖5所示，RFID標(biāo)簽的芯片上沒有引腳時，溫敏元件的兩端直接連到天線上。這種情況下，與溫敏元件相連的天線工作在第二共振頻率下。

　　圖4“一引腳一雙天線”結(jié)構(gòu)

圖5“無引腳”結(jié)構(gòu)示意圖

　　4溫敏元件與RFID標(biāo)簽集成設(shè)計的工作流程

　　上述測量溫度的RFID雙標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，放置在一定的溫度水平下一段時間后，所述第- RFID標(biāo)簽天線的第一共振頻率和信號強(qiáng)度保持不變，此時所述第- RFID標(biāo)簽工作在第一共振頻率下。外界溫度的變化會引起溫敏元件本身電阻值的變化，此時放置在一定的溫度水平下～段時間后，所述第二RFID標(biāo)簽天線的特征頻率和信號強(qiáng)度至少會有一個發(fā)生變化，同時所述第二RFID標(biāo)簽工作在第二共振頻率下。

　　測量溫度的RFID雙標(biāo)簽工作流程如圖6所示。首先，將所述第- RFID標(biāo)簽放置在一定的溫度水平下一段時間后，第- RFID標(biāo)簽天線的第一共振頻率和信號強(qiáng)度保持不變，此時所述第- RFID標(biāo)簽工作在第一共振頻率下。然后，將所述第二RFID標(biāo)簽放置在一定的溫度水平下一段時間后，所述第二RFID標(biāo)簽天線的特征頻率和信號強(qiáng)度至少會有一個發(fā)生變化，此時所述第二RFID標(biāo)簽工作在第二共振頻率下。接下來，通過所述RFID閱讀器發(fā)送指令給所述第- RFID標(biāo)簽和所述第二RFID標(biāo)簽并接收反饋信號。RFID閱讀器將來自不與溫敏元件相連的第- RFID標(biāo)簽的信號強(qiáng)度值作為一個參考值，把它與同溫敏元件相連的第二RFID標(biāo)簽的信號強(qiáng)度值進(jìn)行比較。最后，利用所述RFID閱讀器比較所述第- RFID標(biāo)簽和所述第二RFID標(biāo)簽工作時不同頻率的信號強(qiáng)度之間的差異來檢測溫度的改變。

圖6測溫度的雙標(biāo)簽工作流程

　　實際上，配置這個RFID閱讀器是為了通過使用儲存的參考數(shù)據(jù)將接收到的天線信號強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為不同的環(huán)境溫度值。閱讀器可以向標(biāo)簽發(fā)送一個在頻道n-l和頻道n之間的指令來進(jìn)一步確認(rèn)一下標(biāo)簽天線的工作頻率范圍已經(jīng)發(fā)生了漂移，因為標(biāo)簽?zāi)軌蚪邮盏酵ㄟ^頻道n-l發(fā)過來的指令，并且通過頻道n-l能向閱讀器反饋信息，而不能夠接收到通過頻道n發(fā)過來的指令，并且不能夠通過頻道n向閱讀器反饋信息，這樣就確定了標(biāo)簽天線的工作頻率范圍已經(jīng)發(fā)生了漂移。此外，本設(shè)計方案所描述的方法或算法的步驟可以直接嵌入硬件、理器執(zhí)行的軟件模塊、或者這兩者的集成。軟件模塊可以存儲于RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲囂、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM或本領(lǐng)域中其它任意形式的存儲媒介中。

　　5 實驗結(jié)果及分析

　　對上述設(shè)計方案進(jìn)行實驗，其結(jié)果如圖7、8所示。隨著周圍環(huán)境溫度的變化，第- RFID標(biāo)簽與第二RFID標(biāo)簽天線的共振頻率的差值發(fā)生變化。如圖7所示，初始溫度下，第一RFID標(biāo)簽的共振頻率1和第二RFID標(biāo)簽的共振頻率2幾乎保持一致且都接近0.90GHz。如圖8所示，當(dāng)溫度隨時間發(fā)生變化時，第二RFID標(biāo)簽天線由于帶有溫敏元件，其共振頻率降低到0.70CHz左右，然而不與溫敏元件相連接的第- RFID標(biāo)簽天線的共振頻率仍處于0.90GHz左右。記錄帶溫敏元件的第二RFID標(biāo)簽天線在不同溫度水平下的特征頻率和信號強(qiáng)度，并與不帶溫敏元件的第二RFID標(biāo)簽天線進(jìn)行比較則可得出環(huán)境溫度與共振頻率差值的內(nèi)在聯(lián)系，從而使帶溫敏元件的RFID標(biāo)簽實現(xiàn)測量溫度的功能。

　　圖7初始溫度下RFID標(biāo)簽天線共振頻率

圖8溫度變化后RFID標(biāo)簽天線共振頻率

　　6結(jié)論及展望

　　本文在總結(jié)已有研究成果和對相關(guān)技術(shù)深入分析的基礎(chǔ)上，提出了一種解決傳感器與射頻識別標(biāo)簽集成問題的新型設(shè)計方案，即將溫度傳感器中的核心部分(溫敏元件)抽取出來，與RFID標(biāo)簽技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新形式的技術(shù)集成。這一測量溫度的RFID雙標(biāo)簽的設(shè)計形式，對原有的技術(shù)系統(tǒng)做了一定的改進(jìn)，與現(xiàn)有的技術(shù)集成方案相比降低了生產(chǎn)成本。并且通過與笫一標(biāo)簽和第二標(biāo)簽進(jìn)行交替通信，將不連接溫敏元件的第一標(biāo)簽天線的信號作為一個參考值，從而低成本地解決了設(shè)備使用過程中的定標(biāo)問題，同時可以將由于標(biāo)簽和閱讀器之間的耦合所導(dǎo)致的變化過濾掉，使測量結(jié)果更為精確。另外，利用標(biāo)簽的天線和射頻模塊將電磁波轉(zhuǎn)換為電能，為RFID標(biāo)簽及溫敏元件供電，從而解決了設(shè)備使用過程中的能源供應(yīng)問題。但是，本設(shè)計在數(shù)據(jù)傳輸過程中會受到干擾，引腳與溫敏元件之間的線路也會影響測量的精度，所以該設(shè)計有待進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)更加精密的測量要求。此外，不同類型的敏感元件與RFID標(biāo)簽的集成仍有待進(jìn)一步研究?？傊?，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和我國信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，RFID技術(shù)和傳感技術(shù)的集成將會不斷向著更深和更廣的方向發(fā)展。