NFC无源体温测量系统*

王纪彬,王文廉*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

近场通信(NFC)是一种射频识别技术(RFID),可以在短距离内实现设备之间的快速通信[1-3]。虽然近场通信已存在十多年,但这种技术直到付费系统的大量使用才得以延伸。此外,目前大多数智能手机都配备NFC,NFC在物联网场景中的重要性正在快速增长[2]。

NFC对于低成本传感器和测量系统的开发也很有意义,因为它提供了一种快速简便的方法来从中获取数据,即只需将阅读器接近标签,而无需配对设备。目前研究的应用包括,以叉指电容为传感器制作的基于NFC的无源土壤水分测量系统[4],将柔性PH传感器结合NFC用于伤口感染的在线监测[5],基于NFC的无线荧光计用于测量纸张中的氯化物[6],一种基于无源NFC标签的MOSFET剂量测量系统[7],使用多种气体传感器设计的一种柔性无源近场通信标签[8]。

目前这些已知的测量系统大都是使用NFC芯片自身感应的能量来为传感器和控制器供电[9]。但NFC芯片的不足之处在于其感应输出的电流较小,很难实现为一些功耗较高的测量系统供电。本文采用一种分时控制的积能方案,为高功耗的信号检测电路供电。配合体温传感器,有希望实现基于NFC的无源体温测量系统。

体温参数是反映人体健康状况的一项重要生理指标。测量人体体温的设备主要有水银体温计、红外体温计和电子体温计。水银体温计容易破碎,使用耗时较长,需要人工读取数据,使用后还需人工复位,同时温度数据也不能存储;红外体温计虽然测温速度快,方便卫生,但其成本较高,同时容易受环境因素的影响,测温准确度不高;电子体温计由于其快捷、方便,正越来越受到消费者和医疗机构的青睐。而热敏电阻因具有响应速度快、灵敏度髙、成本低和易于集成等优点而被广泛应用在电子体温测量中[10-12]。

基于提出的积能策略,以热敏电阻为温度传感器,研制了一种基于NFC的无源体温测量系统。利用随身携带的智能手机,可以实现体温的快速测量、显示和记录。

1 系统设计

1.1 工作原理

图1描绘了该工作中提出的系统工作原理。当智能手机靠近NFC天线时,天线接收到来自手机的磁场,NFC IC(Ntag I2C)会自动唤醒。如果能量收集模式被激活并且磁场强度足够(高于芯片配置的能量收集的阈值),Ntag I2C从RF场接收的过剩能量可以为检测系统的其他组成部分供电。该芯片在最高电流吸收模式下能够提供5mA的电流。

图1 系统整体框图

当积能单元被启动,信号测量的各组成部分开始工作。恒流电路产生稳定的电流给温度传感器(热敏电阻),热敏电阻上的电压信号被放大后进行A/D转换,对数字信号进行计算和处理可以得到温度测量结果。这个结果被发送到Ntag I2C,通过NFC天线传送到智能手机,在APP程序界面上显示。

由于NFC芯片从智能手机感应出能量并且输出电流在3.0 V时小于5 mA,无法承担整个电路的功耗;因此,积能单元是整个系统设计中的关键技术。如图2所示,给出了一种分时控制的积能方法。NFC芯片从智能手机感应能量并输出3.0 V电压(VNFC)以对储能电容器(Cst)充电。随着时间的增加,能量在电容器中累积到一定的阈值电压。低压差稳压器打开,为测量电路的各个部分供电。当储能电压(Vst)低于某个阈值时,稳压器关闭,能量再次累积在储能电容器中。通过控制切换时间,可以实现与测量电路相对应的不同电流负载(Rload)。具体地,可以通过更长的关断时间来使储能电容器中累积的能量更多,从而获得更大的负载电流。为了确保输出电压Vload的稳定性,使用2.5 V输出电压调节器装置作为开关电路;通过将具有不同占空比的控制信号(Ssc)输入到电压调节器的控制引脚,可以实现分时开关控制。

图2 积能工作原理

1.2 体温测量

本文选择的是NTC热敏电阻作为温度传感器,型号为MF54-503E3953EX-1-30,测温精度±0.01 ℃,阻值精度±0.05%;在37 ℃时对应的电阻值为30 kΩ,能够实现体温的精确测量。

体温测量的精度不仅仅与NTC热敏电阻的精度、非线性度等参数有关,也与测量电路的精度相关,其中最主要是恒流电路的精度。恒流电路主要由美国德州仪器生产的三端可调电流源LM334组成,由于该芯片输出电流精度与温度变化有关,为提高恒流电路精度,在此基础上增加了一个负温度系数的二极管IN457,设计了一种超低温度漂移的恒流电路,用于抑制环境温度改变对恒流电路输出电流的影响[13]。而其中的电阻采用的也是精度为±0.1%、温度系数为25 ppm/℃的高精度高稳定性的电阻,如图3所示为传感器的测量电路:

图3 体温测量电路

恒流电路产生的电流I通过热敏电阻RT,电流mA可表示为

(1)

式中:满足R2/R1=10.0,取R1=25 kΩ,R2=250 kΩ。

热敏电阻两端的电压ΔV为

ΔV=IRT

(2)

RT为热敏电阻的电阻值,放大器的增益为A,输入ADC的电压模拟量Vs为

Vs=IRTA

(3)

RC两端的电压Vc影响仪表放大器的共模电压[14]。

图4 控制电平对积能电压Vst和负载电压Vload的影响

2 实验及结果分析

2.1 积能效应实验分析

为了确定积能效应的性能,因此对电路积能部分进行了实验分析。积能效应通过分时控制来实现,具体为通过调节低压差稳压器的开关时间来实现不同的能量积累需求。电路工作原理为,给稳压器件的开关引脚输入占空比不同的电平,来实现不同的积能。图4描述了Rch=800 Ω,Cst=940 μF,Rload=200 Ω时,控制电平与积能电压和负载电压的关系。当控制引脚上的电平为低时,储能电容充电,负载电源关闭。随着充电时间的增加,储能电压上升至饱和电压3.0 V,负载电压为0 V。当控制电平为高时,积能电压下降,而负载电压输出2.5 V。低电平对应的积能时间越长,负载能力越强。

图5是积能时间Tchar对输出负载能力的影响。当Rch=800 Ω,Cst=940 μF,Rload=200 Ω时,对积能时间Tch分别为0.8 s,2.0 s,4.5 s时的输出电压进行了分析。当积能时间只有0.8 s时,负载时间非常短,能保持稳定输出电压的时间几乎为零。当积能时间增加到2.0 s时,负载时间Tload可以提高到0.03 s,当积能时间增加到4.5 s时,负载时间可以提高到0.05 s,这完全可以满足一个时刻测量工作的时间需求。

图5 积能时间对负载电压Vload的影响

储能电容的大小对积能效应有一定的影响,电容越大,积能能力越强。图6所示为对不同储能电容大小时,负载时间随着充电时间的改变。从图中可以看出,在储能电容大小不同时,负载时间随着充电时间的增加而增加。但是电容越小,越容易饱和。当储能电容为470 μF时,负载时间最长只能达到20 ms,而电容增加到940 μF时,负载时间可以达到40ms。在大多数情况下,电容越大,相同的积能时间会带来更长的负载时间。但是,越大的电容需要越长的最小充电时间。可以看到,当储能电容为1 410 μF时,如果积能时间为1.0 s,几乎不能产生有效的负载时间。在积能时间为1.5 s时,也出现了大电容负载时间小于小电容负载时间的情况。这是因为在电容越大的情况下,过短的积能时间难以提高储能电压Vst,这使得稳压器件不能正常工作,从而造成更短的负载时间。

图6 不同的充电电容时,负载时间随着充电时间的变化

2.2 传感器标定

NTC热敏电阻为负温度系数的热敏电阻,根据体温测量需要,对NTC热敏电阻在35 ℃～42 ℃采用密闭高低温试验箱控制温度,使用精密LCR数字电桥来测量NTC热敏电阻随着温度变化而对应的电阻值,测得的实际数据如下。由图7可以看出热敏电阻具有非线性特性,且呈现出指数关系。

图7 实测点与传统校正方程对比图

传统的NTC热敏电阻校正方程:

RT=RNeB(1/T-1/TN)

(4)

式中:RT是当温度为T时的电阻值,RN是当温度为TN时的电阻值[15],B是电阻材料常数。使用传统的校正方程与实际测量值有一定的误差,引入非线性误差比较大。校正方程拟合的曲线和实际测量数据的对比,采用TN=37 ℃,可以看出传统校正方程拟合出的曲线与实际测量点最大误差在0.12 ℃。而使用一些其他的建模技术可以提高NTC热敏电阻的精度。麻省科德角伍德修尔海洋学研究所工作的2位海洋学家在海洋研究中为了得到精确的温度测量方法通过累试法加上数字直觉得出

图8 Steinhart-Hart方程与实测点的对比图

1/T=A+BlnR+C(lnR)3

(5)

式中:T指开氏温标的绝对温度,A、B、C是热敏电阻常量参数R是热敏电阻的欧姆电阻值,ln是自然对数。式(5)即为以2位科学家命名的Steinhart-Hart方程,三阶方程可以在0～100 ℃的测温范围内达到0.01 ℃的误差。曲线拟合系数必须先根据3个校准点确定它们是在有关温度量程低端、中点、高端的电阻值。将每对电阻温度值都插入到公式中产生一组联立方程式,解联立方程式就可得到A、B、C三个系数的值[15-17]。如图8所示为将测量后的3个校准点(TA=35 ℃,TB=38.5 ℃,TC=42 ℃)代入方程后得到A、B、C三个系数的值拟合出的曲线以及与实测点及曲线的线性对照线的对比图,最大误差为0.05 ℃。

影响系统测量误差的因素包括恒流源的误差、A/D转换误差和放大增益的误差等。选用高精度的电子元器件和硬件校准措施可以减小误差。本测量系统通过在标准的温度校准系统中进行校准,利用三阶拟合函数,测量误差小于±0.1 ℃。

2.3 体温检测

为了验证测量系统的可行性,对人体的不同位置温度进行了测量验证。如图9所示为对人体胳膊皮肤表层的温度测量演示。将封装好的温度传感器用医用胶布固定在胳膊位置,将智能手机靠近NFC天线,可以通过APP观察测量结果。

图9 皮肤温度测量演示

在Android智能手机中运行的应用程序已被开发验证,如图9(a)所示。APP可以实现单点采样和连续多点采样的测量方式,对于多点采样的测量过程,采样速率是每4 s一个采样点。在接收的数据中包含传感器的阻值测量结果和温度测量结果,并同时显示在界面上。通过在APP上设置参数可以实现软件下的校准拟合。同时可以提供多个测量结果的变化曲线,并实现数据文件的存储和管理。

为了验证体温测量的准确性,将传感器放置在人体腋下进行测量,与水银体温计测量结果进行对比:水银体温计测得的温度为36.8 ℃,NFC无源测量系统测得的温度为36.83 ℃。

3 结论

本文呈现一种基于NFC的低成本、无源体检系统方案。针对NFC感应的能量不足,尝试了一种分时控制的积能方式,力图实现一种较高功耗下的测量模式,可以扩展应用到更多的医疗检测系统中。通过研制一种基于NTC热敏电阻温度传感器的体温测量样机,初步验证了这种方案的可行性。实验结果表明,基于NFC的测量系统,利用随时携带的智能手机可以方便实现体温测量,测量结果可以在手机应用程序上显示,或上传到云端进行存储和对数据进一步分析。