基于射频技术的无线智能传感标签设计*

张世辉，李 松，陈 硕，翁雪涛

(1.武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉430063;2.海军工程大学 船舶振动噪声国家重点实验室，湖北 武汉430033)

0 引 言

现代物流仓储行业的迅猛发展，使物流仓储自动化程度越来越高，为保证物流仓储作业的效率、准确率，降低错误操作带来的损失，作业中货物各方面信息的采集和及时反馈就显得格外重要。传统的标签只标记了货物的基本信息，而现有的传感标签不能很好地及时反馈信息，Zig Bee，WiFi 等传感监控技术存在结构复杂、功耗大等问题。而射频识别技术具有环境适应性强、能够穿透非金属材质、数据存储量大、抗干扰能力强等突出优点［1～4］。

近几年，随着射频识别(RFID)和EPC(electronic product code)标准的发展，RFID 结合传感技术也得到越来越多的关注。在智能包装中，结合了传感器的标签得到了应用，不仅可以读取货物的数量，而且可以获取环境信息。这些都得益于RFID 无源微型芯片可以将编码信息通过集成的应答器传送给阅读器，同时标签也可以保存信息［5］。被动无源的UHF RFID 标签和传感器的创新结合，可以将RFID 的应用延伸到环境监测、食品质量监测、健康情况监测等新型领域［6］。

本文设计的射频智能传感标签是一种基于Arduino 的具有传感信息采集、信息提示的特高频(UHF)智能传感标签，符合EPCglobal 射频识别协议第1 类第2 代UHF RFID 860 ～960 MHz 通信协议。标签可以实时采集温湿度和运动姿态数据并储存，并上传到上位机进行可视化监控。上位机也可以发送指令控制传感标签的信息显示单元，提示相应物流操作。实验结果验证了该标签的有效性。

1 系统硬件设计

本文设计的UHF 智能传感标签结构如图1 所示。系统微控制器采用低功耗单片机ATmega 328P;标签芯片采用UCODE I2C 系列的无源UHF 电子标签芯片，被动无源RFID芯片可以大幅降低传感标签的功耗。传感单元采用高精度温湿度传感器SHT10，可以同时采集温度和湿度信息，MPU6050 可以采集物体的运动姿态信息;信息显示单元采用一个LED 灯为例，上位机发送不同指令可以控制灯的状态;电源单元为传感标签各模块供电，采用3.7 V 可循环充电锂电池。

图1 智能传感标签结构框图Fig 1 Structure block diagram of smart sensing tag

1.1 PCB 天线设计与仿真

天线采用PCB 印制天线，形状和尺寸参考RFID 芯片制造商设计手册进行设计［7］，如图2。标签芯片阻抗为(12.7－j199)Ω，经过HFSS 建模仿真，天线在915 MHz 时的回波损耗大约为－21 dB 小于－10 dB，仿真结果显示天线有较宽带宽和较高的辐射效率。回波损耗仿真结果如图3。

图2 PCB 天线制版Fig 2 PCB antenna platemaking

图3 回波损耗仿真结果Fig 3 Simulation result of return loss

1.2 电路设计

电路原理图如图4 所示，因为采用了集成EEPROM 和I2C 功能的无源标签芯片，较以往的传感标签，电路复杂程度减小，体积也减小。

微控制器选择型号为ATmega 328P 的8 位高性能、超低功耗AVR 系列单片机。工作电流在主动模式下低至0.2 mA，省电模式下低至0.75 μA，同时具有I2C，SPI 和UART 接口［8］。标签芯片选择NXP 公司UCODE 系列的无源智能标签芯片，被动无源的RFID 芯片不需要为其提供电源就可以和读写器进行通信，极大降低传感标签的功耗［9］，且具有I2C 接口。传感单元选择SHT10 温湿度传感器，体积微小、功耗极低、响应迅速、抗干扰能力强，外围电路简单。MPU6050 运动传感器内部集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，实时测量物体的三维加速度值和角速度值，可以计算出物体的方向信息。

图4 智能传感标签电路原理图Fig 4 Principle of circuit of smart sensing tag

2 系统软件设计

2.1 传感标签程序设计

ATmega 328P 通过C 接口读取并判断标签芯片内存中存储数值来判断工作模式。当暂时不使用标签传感功能时，可以通过阅读器发送指令让标签进入休眠状态，不启用传感功能，只保留标签识别，需要使用时再发送指令激活传感功能。传感信息由单片机写入标签芯片内存，然后读写器将读取的传感数据上传到上位机，上位机软件就可以实时监控货物所处环境的温湿度信息和姿态。LED 由上位机软件发送指令控制，通过读写器将指令写入标签内存，单片机再读取并判断标签芯片内存中写入的数值来控制LED，0x20 代表闪烁，0x21 代表常亮，0x22 代表熄灭。灯的不同状态可以代表不同物流操作，也可用作环境信息的报警提示，LED 也可以换为小尺寸液晶屏，显示文字信息。智能传感标签软件流程如图5 所示。

图5 智能传感标签软件流程图Fig 5 Software flowchart of smart sensing tag

2.2 上位机软件设计

标签读写器通过串口和上位机通信，上位机软件通过调用动态链接库操作EPCC1－G2 标准的电子标签读写器。主要的EPCC1－G2 命令包括:询查标签，读取数据，写数据。软件用列表和曲线图显示采集的传感信息;三维姿态模型由Processing 建立;可以发送控制LED 状态的指令;可以链接数据库，保存对应编号的货物传感信息。软件功能流程图如图6 所示。

图6 软件功能流程图Fig 6 Flowchart of software function

3 标签性能测试

智能传感标签原型实物参考坐标如图7(a)所示，将标签固定在物体上进行实际测试，实验环境如图7(b)所示。上位机软件查询标签并选择传感标签对应的EPC 编号读取温湿度和运动姿态信息，摆动物体过程进行实时录像，并测量读取距离。

图7 实物图Fig 7 Physical image

3.1 读取距离测试

根据RFID 的通信理论［10］，最大识读距离计算如式(1)

频率在915 MHz 时，选用的标签芯片在被动模式下工作，接收的最小功率Ptag为－18 dBm，仿真结果中标签天线最大增益Gtag为1.97 dBi。实验中阅读器的传输功率Preader为30 dBm，天线增益Greader为8 dBi。通过公式(2)计算为0.225，其中Zc，Za分别为标签芯片和天线的阻抗，Rc，Ra分别为标签芯片和天线的电阻。假设极化损失PLF 取0.5。最终计算的smax约为9.8 m。实验测量中，标签在空间内自由移动，实际测得能被阅读器读取并能正常进行信息监测的最大距离为6.8 m，接近理论计算值。

3.2 传感性能测试

在运输重要物资时货物翻转是不允许的，所以，物体绕X 或Y 轴旋转角度范围－90°～90°。实验中物体分别绕X 轴或Y 轴摆动，以及随机转动时，采集的X，Y 轴与水平面的夹角如图8 中(a)，(b)，(c)所示。实验数据采集1500 组，采样间隔0.01 s。实验结果显示:三维模型运动方向和所测数据，以及实际运动过程三者基本一致。说明该传感标签对运动姿态有较好的无线监测功能。

图8 运动传感器输出的方向数据Fig 8 Output direction datas of motion sensor

温湿度监测方面，采集的温湿度数据与标准仪器测得数据基本相符，可以满足采集温湿度信息的要求。将手指放在传感器上时，温湿度信息会有明显变化，曲线会实时变动，达到了实时监控的目的。温湿度超过设定阈值自动报警。当上位机发送灯闪烁指令控制灯的状态时，LED 灯按照指令闪烁，达到了无线控制的目的。

4 结 论

实验环境下，该射频传感标签能较好地满足环境感知、数据存储、无线数据传输、信息提示等方面的需求。其主要集成了UHF 无源被动标签芯片，大幅减少电池的消耗，减小传感标签的体积，符合UHF EPCC1Gen—2 无线射频通信协议的读写器都可以读取该传感标签采集的数据或将指令信息写入标签，可以扩展成不同类型传感器的智能标签，结合上位机能实现信息反馈和物流操作信息提示等功能。预期该智能标签经过优化设计后，应用场景更加广泛。

［1］ 周恩辉，肖 谧，毛陆虹，等.应用于无源RFID 标签的BICMOS 温度传感器［J］.传感器与微系统，2014，33(1):68－71.

［2］ 尤义山，曾伟等，张金霞，等.基于MSP430 的智能传感标签的设计与实现［J］.计算机工程与设计，2011，32(7):2328－2339.

［3］ 赵苍荣，郑淼淼.一种RFID 智能传感电子标签的设计［J］.计算机测量与控制，2013，21(4):1024－1026.

［4］ Hasani M，Vena A，Sydanheimo L，et al.Implementation of a dualinterrogation－mode embroidered RFID－enabled strain sensor［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12:1272－1275.

［5］ Occhiuzzi C，Paggi C，Marrocco G.Passive RFID strain－sensor based on meander－line antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(12):4836－4840.

［6］ Kerem Kapucu，Catherine Dehollain.A passive UHF RFID system with a low－power capacitive sensor interface［C］∥IEEE RFID Technology and Applications Conference，Orlando:IEEE，2014:301－305.

［7］ NXP Semiconductors.UCODE I2C PCB antenna reference designs［EB/OL］.［2013—03—07］.http://www.cn.nxp.com/documents/application_note/AN11180.pdf.

［8］ Atmel Corporation.AVR 8－bit microcontroller datasheet［EB/OL］.［2014—10—01］.http:∥www.atmel.com/images/Atmel－8271－8－bit－AVR－Microcontroller－ATmega48A－48PA－88A－88PA－168A－168PA－328－328P_datasheet_Complete.pdf.

［9］ NXP Semiconductors.SL3S4011_4021 UCODE I2C Product datasheet［EB/OL］.［2013—07—09］.http:∥www.cn.nxp.com/documents/data_sheet/SL3S4011_4021.pdf.

［10］Rao K V S，Nikitin P V，Lam S F.Antenna design for UHF RFID tags:A review and a practical application［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，12:3870－3876.