基于 RFID 技術(shù)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于 RFID 技術(shù)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計摘 要：本設(shè)計基于集成溫度傳感器的主動式有源 RFID 電子標(biāo)簽，來解決醫(yī)院檢驗(yàn)科冰箱的溫度監(jiān)測問題。簡要論述了溫度監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)圖和電子標(biāo)簽的硬件結(jié)構(gòu)。箱體溫度由集成的傳感器探測到，通過無線射頻傳送給主機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。通過對連續(xù)溫度變化的分析，我們可以判斷箱體溫度以及冰箱是否工作正常。 關(guān)鍵詞：RFID，溫度監(jiān)測0 前言大型三甲醫(yī)院檢驗(yàn)中心通常都有大量的冷庫、冰箱、超低溫冰箱用來保存樣品、試劑。準(zhǔn)確可靠的檢測結(jié)果，需要大量合格的試劑保證。試劑的保存需要合適的冰箱溫度。一旦溫度失控，將導(dǎo)致試劑的失效，從而影響檢測結(jié)果的可靠性。因此，檢測結(jié)果的質(zhì)量控制

2、就必然要求對冰箱溫度的監(jiān)測。國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委執(zhí)行的 ISO15189 標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定，存儲試劑、以及孵育的箱體溫度必須連續(xù)監(jiān)測。 目前，通常的溫度監(jiān)測有兩種類型，普通紙質(zhì)記錄與電子式記錄器。普通紙質(zhì)記錄，每一個小時記錄一次，需要專人負(fù)責(zé)記錄。由于冰箱數(shù)量多，比如 30 臺，每臺半分鐘的話，也需要 15 分鐘。人工操作耗時耗力，工作量大，而且容易遺漏。紙質(zhì)記錄，不易保存，在目前辦公電子化的環(huán)境下，后期的數(shù)據(jù)處理工作量也較大。電子式記錄器，目前電子式記錄器通常都是放置于箱體內(nèi)，記錄溫度以后，把記錄器拿出箱體，讀取數(shù)據(jù)。只能對單個箱體進(jìn)行記錄，而且這是事后監(jiān)測，在使用過程中，如果溫度出現(xiàn)波動，無法及

3、時干預(yù)。1 研究目的通過分析現(xiàn)有溫度監(jiān)測手段的缺點(diǎn)，以及臨床的實(shí)際需求，理想的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)該是實(shí)時的、連續(xù)的、多臺同時監(jiān)測、自動數(shù)字化的并具有溫度異常自動報警功能。實(shí)時連續(xù)監(jiān)測多臺箱體的溫度，并把數(shù)據(jù)傳回計算機(jī)系統(tǒng)，若出現(xiàn)異常情況，自動報警，方便工作人員及時干預(yù)。2 技術(shù)背景介紹本設(shè)計采用基于集成溫度傳感器的主動式RFID電子標(biāo)簽，來解決溫度測量、信號發(fā)送的問題，后端的軟件系統(tǒng)解決溫度異常報警、溫度數(shù)據(jù)存儲處理的問題。這樣就較好的完成了本設(shè)計所要解決的問題。2.1 RFID簡介射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的

4、非接觸式自動識別技術(shù)。RFID標(biāo)簽（俗稱電子標(biāo)簽）具有體積小、容量大、壽命長、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標(biāo)識別、定位及長期跟蹤管理。RFID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。RFID技術(shù)應(yīng)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè)，可大幅提高管理與運(yùn)作效率，降低成本。目前，RFID在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用更廣泛。沃爾瑪超市就要求全球上萬家供應(yīng)商全面啟用電子標(biāo)簽代替?zhèn)鹘y(tǒng)的條形碼。上海世博會門票也采用了電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽的快速讀寫能力使每天幾十萬的游客在有限的幾個入口順利入園。高速公路ETC通道的廣泛應(yīng)用，也將會使高速公路出入口的通行能力大幅提升，

5、常見的收費(fèi)站排隊現(xiàn)象也會消失。2.2 RFID的基本元件標(biāo)簽，主要負(fù)責(zé)存儲標(biāo)簽的ID 號。標(biāo)簽可以做成各種形式，卡式、紐扣式、手環(huán)式等各種封裝類型。標(biāo)簽分為2類，被動式和主動式。被動式標(biāo)簽只有在讀寫器發(fā)送射頻信號后，天線獲得能量，然后把自己的ID號發(fā)送回給讀寫器。主動式標(biāo)簽，也稱有源標(biāo)簽，集成了電源，通常是電池，能按照預(yù)設(shè)的時間間隔主動發(fā)送自己的ID號給讀寫器。隨著封裝技術(shù)的成熟，現(xiàn)在大量的傳感器可以封裝在標(biāo)簽里。比如集成溫度傳感器的主動式有源標(biāo)簽，溫度傳感器負(fù)責(zé)環(huán)境溫度的測量，傳感器把測量到的溫度數(shù)據(jù)通過標(biāo)簽的天線發(fā)送出去，由讀寫器接收1。目前，集成溫度傳感器的無源電子標(biāo)簽已經(jīng)設(shè)計出來2。但

6、在技術(shù)成熟度，商品化方面仍待完善。技術(shù)參數(shù)方面，尤其是測溫方面，測溫范圍-10120，測溫精度±2，不符合我們的使用要求，因此，不采用無源電子標(biāo)簽。讀寫器，負(fù)責(zé)讀寫電子標(biāo)簽上的資料。它通過射頻無接觸的讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動識別物體及數(shù)據(jù)的目的。讀寫器通常通過RS232串口與主機(jī)連接，或使用WLAN技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，所讀取的標(biāo)簽信息被傳送到主機(jī)后進(jìn)一步處理。天線，負(fù)責(zé)無線電訊號的感應(yīng)，在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。3 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計在硬件結(jié)構(gòu)上，本系統(tǒng)由集成溫度傳感器的有源電子標(biāo)簽、讀寫器、計算機(jī)組成。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如下圖所示。電子標(biāo)簽放置于冰箱內(nèi)，一個電子

7、標(biāo)簽監(jiān)測一臺冰箱。由于箱體內(nèi)部溫度并不均勻，因此選擇溫度最高的位置放置，通常為靠近門側(cè)處。如果是重點(diǎn)監(jiān)測對象，也可放置多塊標(biāo)簽以達(dá)到全面監(jiān)測的目的。下面將介紹本設(shè)計的重點(diǎn)部分。3.1 集成溫度傳感器的有源電子標(biāo)簽在硬件結(jié)構(gòu)上，電子標(biāo)簽主要由射頻芯片與溫度傳感器組成。由于技術(shù)成熟度比較高，選擇CC2430芯片與DS18B20溫度傳感器。電子標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。CC2430包含了1個高性能2.4 GHz的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級小巧高效的8051控制器，在單個芯片上整合了射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器，它

8、具有3引腳TO92小封裝體積，其不銹鋼外殼封裝形式可以防水防潮，適合惡劣的現(xiàn)場溫度檢測，其溫度測量范圍為-55+125，測溫分辨率可達(dá)0.5。除部分工作溫度在-80超低溫冰箱外，大部分的冰箱溫度都在其測量范圍內(nèi)。因此，對監(jiān)測對象的全覆蓋，仍有待新型小型溫度傳感器的出現(xiàn)。當(dāng)電子標(biāo)簽上電后，首先對無線射頻模塊及傳感器進(jìn)行初始化，然后微控制器把傳感器定時采集到的溫度數(shù)據(jù)通過通信接口發(fā)送給射頻芯片，射頻芯片再通過發(fā)射模式把標(biāo)簽的ID號與溫度信號發(fā)送給讀寫器，讀寫器通過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。3.2 結(jié)果的后處理結(jié)果的顯示，可以以數(shù)據(jù)表格的形式體現(xiàn)，也可以以曲線圖的形式體現(xiàn)。由于RFID技術(shù)能實(shí)時

9、識別多個標(biāo)簽，一般能同時識別100個，因此，一個箱體放置一個標(biāo)簽，即可以實(shí)現(xiàn)對該箱體的溫度監(jiān)測。箱體的增減，通過取放標(biāo)簽以及軟件內(nèi)標(biāo)簽對應(yīng)箱體的編號就可以實(shí)現(xiàn)，因此使用極其方便。軟件系統(tǒng)還需要對結(jié)果的分析，以達(dá)到自動報警的功能。上表為模擬的結(jié)果顯示。從表中，可以看出1#冰箱，8點(diǎn)上班前，為-20，工作正常；上班后，隨著工作人員取放試劑，箱體溫度變高，但仍維持在設(shè)定溫度附近。因此，該冰箱工作正常。2#冰箱，8點(diǎn)上班前，溫度已達(dá)到11，超過通常設(shè)定的4-10的正常范圍，但上班時間內(nèi)，溫度波動范圍小。由此推斷該冰箱有制冷能力，但制冷能力已經(jīng)無法達(dá)到正常值，因此需要通知維修人員進(jìn)行維修。3#冰箱，8點(diǎn)

10、上班前，溫度4，在正常范圍內(nèi)，但上班時間內(nèi)，溫度超過設(shè)定值，并維持在一個溫度附近。通常，冰箱不會突然損壞，因此很有可能是使用者在使用過程中沒有關(guān)好冰箱門，導(dǎo)致超溫。這種情況就應(yīng)該先進(jìn)行自查，排除這個因素后，溫度仍然無法達(dá)到設(shè)定值，再通知維修人員進(jìn)行維修。4 總結(jié)RFID芯片與溫度傳感器的集成，是本設(shè)計的基礎(chǔ)。目前，市場上成熟的集成溫度傳感器的有源電子標(biāo)簽商品逐步增多，可根據(jù)具體的實(shí)際要求進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)可以遷移到其他類型的溫度監(jiān)測上，比如病人體溫的采集，但溫度傳感器的測溫精度就要求更高，必須達(dá)到0.1才能符合使用要求。附錄托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀

11、器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處

12、理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風(fēng)機(jī)，自動補(bǔ)光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關(guān)窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實(shí)時生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)

13、?？梢酝ㄟ^聲光報警、短信報警、語音報警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時信息自動記錄，有據(jù)可查，在儲藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對各個階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室。可通過總控室對整個區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測，包括各個區(qū)域采集點(diǎn)參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時視頻圖像、施肥噴藥狀況、報警信息等。參考文獻(xiàn) 1 張欣 露，吳勇 ，等 .集成溫度傳感 器的有源 電子標(biāo)簽 設(shè)計 J,微 型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(3):29-34 2 沈紅偉,李力南,陳國華.集成溫度傳感器的超高頻無源電子標(biāo)簽芯片設(shè)計,微電子學(xué)與計算機(jī),2008,25(4):192-195 3 陳得民.CC2430 與 DS18B20 的糧庫溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)