基于RFID的温度监控系统研究与应用*

翁德华 张欢艳 许婧 孙皓 吴平

(温州大学电气与电子工程学院,浙江温州 325035)

0 引言

我国冷链物流发展落后于西方发达国家,低温药品、食品在冷链运输过程中往往缺少可靠的温度监控,导致了产品质量下降等问题的产生。我国一直致力于提高冷链物流水平,仅光在2017一年内,国务院旗下多部门就陆续出台冷链政策,中央各方对冷链物流行业高度重视,积极推动冷链及相关技术在我国健康发展。

2020年,受新型冠状病毒疫情影响,医疗需求剧增,大量的疫苗和血液都需要流通;与此同时,人们外出的限制导致生鲜和冷藏食品需求暴增。因此,医疗业和餐饮业对冷链物流的需求达到了新的高度。然而疫苗、生鲜等产品对温度十分敏感。根据国标GB/T 22918-2008的规定,在冷链运输过程中,易腐食品自身温度变化应不大于3 ℃,转载时间应控制在半小时内[1]。传统冷链温度监控仪普遍采用近距离接触式查温,体积大、监管环节耗时长,不能有效保证这些温敏易腐产品的品质。

基于上述存在的问题,本文开展了基于RFID 技术的温度监控系统的研究和设计,利用低功耗长续航的非接触式RFID温度标签代替人工收集温度数据,以保证易腐产品的品质,这对我国的冷链物流的发展具有有一定的助力。

1 相关研究综述

21世纪初,国外已有将RFID技术引入冷链物流的尝试,并开始使用温度标签全程追踪运输时的温度。除了RFID硬件上的运用,国外学者对RFID技术的算法也做了很多改进。例如Ganjar Alfian等学者利用物联网传感器和机器学习模型来提高基于RFID技术的易腐食品追踪系统的效率[2],已成功用于泡菜等易腐食品监控。

目前,国外发达国家冷链技术体系已经十分庞大,但我国的冷链物流行业竞争力有限,仍处于初级阶段,冷链市场规模不大,缺乏高效益的冷链物流体系。

作为朝阳产业,我国冷链物流行业更多的是在依托“互联网+”的大背景下进行创新,对现有的冷链理论和技术进行补充。在冷链物流的技术方面,国外学者研究更多地投入在冷链商品贮存等保鲜技术上;国内学者主要研究RFID和在线温控管理系统等技术。有学者阐述了RFID技术在果蔬冷链物流中加工、仓储、运输、销售管理环节上的运用[3];也有国内学者冯贺平、杨敬娜等建立了基于ZigBee技术的果蔬冷链物流实时监控系统,做到了对果蔬温湿度的在线追踪[4];吴冬燕提出了一套基于Android平台的食品冷链智能监控系统,将软件安装于智能手机上就能掌上查询食品的历史冷链信息,为冷链食品安全提供了有力保障[5]。

我国RFID行业的成长离不开政府、RFID相关行业组织的通力合作,通过兴建RFID工程和推广物联网技术,推动了众多行业对RFID应用的尝试,开拓了相关市场。2010年,物联网发展被正式列入国家发展战略后,与物联网产业息息相关的RFID 产业也迎来了发展的黄金期。

2 RFID标签原理

RFID 是一种非接触式自动识别技术,不需要人工干预就能通过射频信号实现信息识别。射频信号其实就是一种频率交流变化极快的电磁波,它每秒变化能达到10000次以上。

2.1 基本组成

一个完整的RFID 系统是由电子标签、阅读器和数据管理系统三部分构成[6],RFID系统结构如图1所示。

图1 RFID 系统结构图Fig.1 RFID system structure diagram

电子标签由天线,标签芯片和耦合元件构成,它是RFID系统中电子编码和数据的载体,通过依附在物体上获得目标参数。阅读器是RFID系统中的控制部分,根据其使用场景不同可分为固定式和手持式,它能将电子标签和数据管理系统连接起来,可以读取或是写入一个或是多个标签信息,将信息传递到数据管理系统当中。天线是阅读器与电子标签信息传递的工具,起到实现射频信号的传递,让电磁波信号和电流信号互相转换的作用。数据管理系统一般为上位机软件,主要是对获取到的标签信息进行筛选和加工,以满足用户对于具体工作的需要。

2.2 RFID技术的交互原理

电子标签在阅读器的有效读取范围内,会接收阅读器发出的射频信号。通过耦合作用,电子标签能够得到发送出存储在芯片中的产品信息所需的能量和满足相关协议的时序。阅读器和电子标签之间可以进行彼此的数据交互,其中阅读器给电子标签传递信息通常是使用编码调制、载波间隙或者脉冲位置调制等方法实现传送;电子标签存储的数据信息给阅读器往往是通过对载波的负载调制的方法实现传送。最后阅读器读取信息并解码后,通过通信接口送至计算机等中央信息系统进行有关数据处理,这样便达到了识别的目的。RFID技术的交互原理如图2所示。

图2 RFID 技术的交互原理Fig.2 The interaction principle of RFID technology

3 系统设计

3.1 硬件选型

仅从技术角度看,RFID 技术中占据核心地位的还是电子标签,因为阅读器是根据电子标签的不同特性而进行设计的[7]。本文设计的标签为半有源高频标签,根据各部分要实现的功能分为电源模块、单片机模块、温度传感器模块、射频存储模块和天线模块。

单片机采用了STM8L低功耗系列。其工作电压范围在1.65V～3V,引脚数较少,可以减少有效减少PCB面积,同时降低功耗。该类型单片机可以在极端的条件下,保证外设的基本运行。根据选型手册筛选,采用STM8L101F3P6该型号单片机,可有效满足实际需求。

传感器方面采用了ST公司的STTS75。

一方面,其功耗与静态电流满足预期要求。另一方面,由于单片机与传感器均是同一厂家生产,兼容性较强。

3.2 硬件设计

STM8L 单片机芯片和M24LR 射频芯片以及温度传感器三个芯片之间均通过I2C协议通信。I2C总线需要两根信号线,分别是双向数据线SDA 和时钟线SCL。由于协议采用漏极开路机制,在电路设计规划中通常需要在I2C接口外接上4.7KΩ的电阻来产生高电平。I2C设备分为主设备和从设备,其中STM8L 芯片由编程代码控制,作为主芯片;其余两个芯片由单片机控制,作为从设备。

温度传感器的电源由电池直接提供,为了减少电源线带来的信号干扰,在电源输出端加了一个47nF的电容滤波。

设计电路时在STM8单片机芯片预留了SWIM接口供程序下载。

3.3 软件设计

3.3.1 开发环境选择

软件开发环境承担着编写程序、调试软件和下载固件到单片机中的功能。不同单片机芯片可选择的开发环境各不相同。温度标签编程的芯片核心是STM8,与STM32不同,该芯片不能用我们熟悉的Keil编程。目前可选的主流开发环境有IAR for STM8和STVD。

IAR for STM8是IAR公司开发的STM8工作平台,内置性能强大的C/C++编译器,可以支持市面上所有STM8单片机。STVD是意法半导体公司设计的官方开发环境,内部没有C编译器,只能利用汇编语言或是外国Cosmic公司推出的C 编译器编程。

STVD编程操作较为繁琐,网络上相关资源也很少,最后选用实用性更强的IAR for STM8 作为软件的开发环境。采用库函数作为设计方法,直接调用接口函数,减少寄存器的使用,提高编程效率。

3.3.2 RFID标签温度采集顺序流程图

若需实现RFID标签温度的测量和收集需要温度传感器和外部储存相互配合。RFID标签一次测温流程如图3所示。

图3 RFID 标签测温流程Fig.3 RFID tag temperature measurement process

3.3.3 温度传感器程序设计

单片机芯片(I2C主机)需要读取温度传感器寄存器里的温度数据,完成这个基本操作需要调用与I2C相关的一些库函数。整个过程可以分为两部分,第一步温度传感器采集环境温度,第二步是读取采集到的温度数据。

第一个步骤需要调用I2C_SS_Config(uint16_t Config Bytes)函数,它是用来配置传感器寄存器的函数,由两个字节连接组成。第一个字节是Pointer byte(指针字节),用来对应相关寄存器的地址;第二个是配置字节是Configuration byte(配置字节),用来配置寄存器的工作模式。针对本次设计需要,将STTS75配置为单发(One-shot)模式,完成温度采集后,STTS75进入低功率的关机模式。此时电流只有1μA,当不需要持续监控环境温度时,这有助于功耗的降低。配置时序如图4 所示。

图4 寄存器配置时序图Fig.4 Timing diagram of register configuration

读取温度数据时,调用I2C_SS_ReadOneBytes(uint8_t*pBuffer,uint8_t Pointer_Byte)函数,调用该函数能访问传感器温度寄存器并将读取值存储在缓冲区中,方便温度数据的初步处理和后续利用。

3.3.4 其他程序设计

完成温度采样和读取后,单片机需要将数据写入数据存储器中。本文M24LR 承担着射频信号处理和充当外部存储(EEPROM)的作用,阅读器可以利用ISO15693协议读取存放在EEPROM内的数据,因此标签程序只要将温度寄存器的数据放在EEPROM 就可。调用该功能的函数为M24LR04E_WriteTemp(uint8_t RegValue),I2C获取温度数据后就将温度值存储在M24LR中的EEPROM。阅读器读取M24LR 后就完成了一次典型的温度数据收集。

4 结语

本文设计了一种低功耗的半有源的RFID 温度标签,可以实现非接触式温度数据传递。通过对硬件的选型和电路的设计得到了以STM8L、M24LR 为核心的RFID标签整体框架。通过对M24LR开发板进行编程设计,可以实现温度的读取和外置EEPORM 存储。

标签的性能指标包括了有效识别距离、识别率和制造成本等多个方面[8],经过测试,阅读器和标签两天线水平时,其信号最优,将其作为性能测试的状态。在该状态下多次测试,温度标签的有效识别距离为±6.5cm,基本达到预期要求。

目前冷链物流报价约为150 元/m2,物流成本已经不低,但还是有30%的温敏产品在运输过程中出现价值损失[9]。本文设计的RFID标签成本不超过百元,体积小巧,寿命在1年以上(多数只需要更换电池),不需要淘汰老式冷链设备,只需要依附在冷柜上就能测温,安装成本和维护成本都很低。就算只能减少1%的运输损失,标签的优势就已经非常巨大,无论是大规模运用和小范围使用,RFID 技术经济性都经得起考验。

RFID 技术的应用前景是不可估量的。特别是这种工作在13.56MHz 的RFID标签,它既可用于无源又可以用于有源RFID,更能完美衔接NFC技术。NFC技术衍生于13.56MHz 频段的RFID技术,并且兼容阅读器和标签两种模式。目前手机厂家的旗舰机型大都标配全功能NFC,小米等性价比厂家已经把NFC下放在千元机上,人均NFC已经不是梦想。经过程序开发,NFC设备可以读取13.56MHz 的各类RFID 标签。这对温度标签的大规模使用有着相当大的积极作用,客户可以舍弃传统有线式阅读器,人人都能用手机获取标签历史数据。数据交到消费者手上,让冷链的参与者不仅仅局限于供应商和分销商,冷链市场将更加透明,劣质冷链企业将无所遁形,我国的冷链物流水平将得到提高,冷链发展未来可期。