基于RFID的溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用*

翁德華 張歡艷 許婧 孫皓 吳平

(溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,浙江溫州 325035)

0 引言

我國(guó)冷鏈物流發(fā)展落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家,低溫藥品、食品在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中往往缺少可靠的溫度監(jiān)控,導(dǎo)致了產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題的產(chǎn)生。我國(guó)一直致力于提高冷鏈物流水平,僅光在2017一年內(nèi),國(guó)務(wù)院旗下多部門(mén)就陸續(xù)出臺(tái)冷鏈政策,中央各方對(duì)冷鏈物流行業(yè)高度重視,積極推動(dòng)冷鏈及相關(guān)技術(shù)在我國(guó)健康發(fā)展。

2020年,受新型冠狀病毒疫情影響,醫(yī)療需求劇增,大量的疫苗和血液都需要流通;與此同時(shí),人們外出的限制導(dǎo)致生鮮和冷藏食品需求暴增。因此,醫(yī)療業(yè)和餐飲業(yè)對(duì)冷鏈物流的需求達(dá)到了新的高度。然而疫苗、生鮮等產(chǎn)品對(duì)溫度十分敏感。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 22918-2008的規(guī)定,在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中,易腐食品自身溫度變化應(yīng)不大于3 ℃,轉(zhuǎn)載時(shí)間應(yīng)控制在半小時(shí)內(nèi)[1]。傳統(tǒng)冷鏈溫度監(jiān)控儀普遍采用近距離接觸式查溫,體積大、監(jiān)管環(huán)節(jié)耗時(shí)長(zhǎng),不能有效保證這些溫敏易腐產(chǎn)品的品質(zhì)。

基于上述存在的問(wèn)題,本文開(kāi)展了基于RFID 技術(shù)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì),利用低功耗長(zhǎng)續(xù)航的非接觸式RFID溫度標(biāo)簽代替人工收集溫度數(shù)據(jù),以保證易腐產(chǎn)品的品質(zhì),這對(duì)我國(guó)的冷鏈物流的發(fā)展具有有一定的助力。

1 相關(guān)研究綜述

21世紀(jì)初,國(guó)外已有將RFID技術(shù)引入冷鏈物流的嘗試,并開(kāi)始使用溫度標(biāo)簽全程追蹤運(yùn)輸時(shí)的溫度。除了RFID硬件上的運(yùn)用,國(guó)外學(xué)者對(duì)RFID技術(shù)的算法也做了很多改進(jìn)。例如Ganjar Alfian等學(xué)者利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)提高基于RFID技術(shù)的易腐食品追蹤系統(tǒng)的效率[2],已成功用于泡菜等易腐食品監(jiān)控。

目前,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家冷鏈技術(shù)體系已經(jīng)十分龐大,但我國(guó)的冷鏈物流行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有限,仍處于初級(jí)階段,冷鏈?zhǔn)袌?chǎng)規(guī)模不大,缺乏高效益的冷鏈物流體系。

作為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè),我國(guó)冷鏈物流行業(yè)更多的是在依托“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下進(jìn)行創(chuàng)新,對(duì)現(xiàn)有的冷鏈理論和技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。在冷鏈物流的技術(shù)方面,國(guó)外學(xué)者研究更多地投入在冷鏈商品貯存等保鮮技術(shù)上;國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究RFID和在線溫控管理系統(tǒng)等技術(shù)。有學(xué)者闡述了RFID技術(shù)在果蔬冷鏈物流中加工、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售管理環(huán)節(jié)上的運(yùn)用[3];也有國(guó)內(nèi)學(xué)者馮賀平、楊敬娜等建立了基于ZigBee技術(shù)的果蔬冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),做到了對(duì)果蔬溫濕度的在線追蹤[4];吳冬燕提出了一套基于Android平臺(tái)的食品冷鏈智能監(jiān)控系統(tǒng),將軟件安裝于智能手機(jī)上就能掌上查詢食品的歷史冷鏈信息,為冷鏈?zhǔn)称钒踩峁┝擞辛ΡＵ蟍5]。

我國(guó)RFID行業(yè)的成長(zhǎng)離不開(kāi)政府、RFID相關(guān)行業(yè)組織的通力合作,通過(guò)興建RFID工程和推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),推動(dòng)了眾多行業(yè)對(duì)RFID應(yīng)用的嘗試,開(kāi)拓了相關(guān)市場(chǎng)。2010年,物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展被正式列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略后,與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)的RFID 產(chǎn)業(yè)也迎來(lái)了發(fā)展的黃金期。

2 RFID標(biāo)簽原理

RFID 是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù),不需要人工干預(yù)就能通過(guò)射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息識(shí)別。射頻信號(hào)其實(shí)就是一種頻率交流變化極快的電磁波,它每秒變化能達(dá)到10000次以上。

2.1 基本組成

一個(gè)完整的RFID 系統(tǒng)是由電子標(biāo)簽、閱讀器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分構(gòu)成[6],RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 RFID system structure diagram

電子標(biāo)簽由天線,標(biāo)簽芯片和耦合元件構(gòu)成,它是RFID系統(tǒng)中電子編碼和數(shù)據(jù)的載體,通過(guò)依附在物體上獲得目標(biāo)參數(shù)。閱讀器是RFID系統(tǒng)中的控制部分,根據(jù)其使用場(chǎng)景不同可分為固定式和手持式,它能將電子標(biāo)簽和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)連接起來(lái),可以讀取或是寫(xiě)入一個(gè)或是多個(gè)標(biāo)簽信息,將信息傳遞到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)當(dāng)中。天線是閱讀器與電子標(biāo)簽信息傳遞的工具,起到實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的傳遞,讓電磁波信號(hào)和電流信號(hào)互相轉(zhuǎn)換的作用。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)一般為上位機(jī)軟件,主要是對(duì)獲取到的標(biāo)簽信息進(jìn)行篩選和加工,以滿足用戶對(duì)于具體工作的需要。

2.2 RFID技術(shù)的交互原理

電子標(biāo)簽在閱讀器的有效讀取范圍內(nèi),會(huì)接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)。通過(guò)耦合作用,電子標(biāo)簽?zāi)軌虻玫桨l(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息所需的能量和滿足相關(guān)協(xié)議的時(shí)序。閱讀器和電子標(biāo)簽之間可以進(jìn)行彼此的數(shù)據(jù)交互,其中閱讀器給電子標(biāo)簽傳遞信息通常是使用編碼調(diào)制、載波間隙或者脈沖位置調(diào)制等方法實(shí)現(xiàn)傳送;電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息給閱讀器往往是通過(guò)對(duì)載波的負(fù)載調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)傳送。最后閱讀器讀取信息并解碼后,通過(guò)通信接口送至計(jì)算機(jī)等中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理,這樣便達(dá)到了識(shí)別的目的。RFID技術(shù)的交互原理如圖2所示。

圖2 RFID 技術(shù)的交互原理Fig.2 The interaction principle of RFID technology

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

僅從技術(shù)角度看,RFID 技術(shù)中占據(jù)核心地位的還是電子標(biāo)簽,因?yàn)殚喿x器是根據(jù)電子標(biāo)簽的不同特性而進(jìn)行設(shè)計(jì)的[7]。本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽為半有源高頻標(biāo)簽,根據(jù)各部分要實(shí)現(xiàn)的功能分為電源模塊、單片機(jī)模塊、溫度傳感器模塊、射頻存儲(chǔ)模塊和天線模塊。

單片機(jī)采用了STM8L低功耗系列。其工作電壓范圍在1.65V～3V,引腳數(shù)較少,可以減少有效減少PCB面積,同時(shí)降低功耗。該類型單片機(jī)可以在極端的條件下,保證外設(shè)的基本運(yùn)行。根據(jù)選型手冊(cè)篩選,采用STM8L101F3P6該型號(hào)單片機(jī),可有效滿足實(shí)際需求。

傳感器方面采用了ST公司的STTS75。

一方面,其功耗與靜態(tài)電流滿足預(yù)期要求。另一方面,由于單片機(jī)與傳感器均是同一廠家生產(chǎn),兼容性較強(qiáng)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

STM8L 單片機(jī)芯片和M24LR 射頻芯片以及溫度傳感器三個(gè)芯片之間均通過(guò)I2C協(xié)議通信。I2C總線需要兩根信號(hào)線,分別是雙向數(shù)據(jù)線SDA 和時(shí)鐘線SCL。由于協(xié)議采用漏極開(kāi)路機(jī)制,在電路設(shè)計(jì)規(guī)劃中通常需要在I2C接口外接上4.7KΩ的電阻來(lái)產(chǎn)生高電平。I2C設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備,其中STM8L 芯片由編程代碼控制,作為主芯片;其余兩個(gè)芯片由單片機(jī)控制,作為從設(shè)備。

溫度傳感器的電源由電池直接提供,為了減少電源線帶來(lái)的信號(hào)干擾,在電源輸出端加了一個(gè)47nF的電容濾波。

設(shè)計(jì)電路時(shí)在STM8單片機(jī)芯片預(yù)留了SWIM接口供程序下載。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境承擔(dān)著編寫(xiě)程序、調(diào)試軟件和下載固件到單片機(jī)中的功能。不同單片機(jī)芯片可選擇的開(kāi)發(fā)環(huán)境各不相同。溫度標(biāo)簽編程的芯片核心是STM8,與STM32不同,該芯片不能用我們熟悉的Keil編程。目前可選的主流開(kāi)發(fā)環(huán)境有IAR for STM8和STVD。

IAR for STM8是IAR公司開(kāi)發(fā)的STM8工作平臺(tái),內(nèi)置性能強(qiáng)大的C/C++編譯器,可以支持市面上所有STM8單片機(jī)。STVD是意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的官方開(kāi)發(fā)環(huán)境,內(nèi)部沒(méi)有C編譯器,只能利用匯編語(yǔ)言或是外國(guó)Cosmic公司推出的C 編譯器編程。

STVD編程操作較為繁瑣,網(wǎng)絡(luò)上相關(guān)資源也很少,最后選用實(shí)用性更強(qiáng)的IAR for STM8 作為軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用庫(kù)函數(shù)作為設(shè)計(jì)方法,直接調(diào)用接口函數(shù),減少寄存器的使用,提高編程效率。

3.3.2 RFID標(biāo)簽溫度采集順序流程圖

若需實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽溫度的測(cè)量和收集需要溫度傳感器和外部?jī)?chǔ)存相互配合。RFID標(biāo)簽一次測(cè)溫流程如圖3所示。

圖3 RFID 標(biāo)簽測(cè)溫流程Fig.3 RFID tag temperature measurement process

3.3.3 溫度傳感器程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)芯片(I2C主機(jī))需要讀取溫度傳感器寄存器里的溫度數(shù)據(jù),完成這個(gè)基本操作需要調(diào)用與I2C相關(guān)的一些庫(kù)函數(shù)。整個(gè)過(guò)程可以分為兩部分,第一步溫度傳感器采集環(huán)境溫度,第二步是讀取采集到的溫度數(shù)據(jù)。

第一個(gè)步驟需要調(diào)用I2C_SS_Config(uint16_t Config Bytes)函數(shù),它是用來(lái)配置傳感器寄存器的函數(shù),由兩個(gè)字節(jié)連接組成。第一個(gè)字節(jié)是Pointer byte(指針字節(jié)),用來(lái)對(duì)應(yīng)相關(guān)寄存器的地址;第二個(gè)是配置字節(jié)是Configuration byte(配置字節(jié)),用來(lái)配置寄存器的工作模式。針對(duì)本次設(shè)計(jì)需要,將STTS75配置為單發(fā)(One-shot)模式,完成溫度采集后,STTS75進(jìn)入低功率的關(guān)機(jī)模式。此時(shí)電流只有1μA,當(dāng)不需要持續(xù)監(jiān)控環(huán)境溫度時(shí),這有助于功耗的降低。配置時(shí)序如圖4 所示。

圖4 寄存器配置時(shí)序圖Fig.4 Timing diagram of register configuration

讀取溫度數(shù)據(jù)時(shí),調(diào)用I2C_SS_ReadOneBytes(uint8_t*pBuffer,uint8_t Pointer_Byte)函數(shù),調(diào)用該函數(shù)能訪問(wèn)傳感器溫度寄存器并將讀取值存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中,方便溫度數(shù)據(jù)的初步處理和后續(xù)利用。

3.3.4 其他程序設(shè)計(jì)

完成溫度采樣和讀取后,單片機(jī)需要將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。本文M24LR 承擔(dān)著射頻信號(hào)處理和充當(dāng)外部存儲(chǔ)(EEPROM)的作用,閱讀器可以利用ISO15693協(xié)議讀取存放在EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù),因此標(biāo)簽程序只要將溫度寄存器的數(shù)據(jù)放在EEPROM 就可。調(diào)用該功能的函數(shù)為M24LR04E_WriteTemp(uint8_t RegValue),I2C獲取溫度數(shù)據(jù)后就將溫度值存儲(chǔ)在M24LR中的EEPROM。閱讀器讀取M24LR 后就完成了一次典型的溫度數(shù)據(jù)收集。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低功耗的半有源的RFID 溫度標(biāo)簽,可以實(shí)現(xiàn)非接觸式溫度數(shù)據(jù)傳遞。通過(guò)對(duì)硬件的選型和電路的設(shè)計(jì)得到了以STM8L、M24LR 為核心的RFID標(biāo)簽整體框架。通過(guò)對(duì)M24LR開(kāi)發(fā)板進(jìn)行編程設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)溫度的讀取和外置EEPORM 存儲(chǔ)。

標(biāo)簽的性能指標(biāo)包括了有效識(shí)別距離、識(shí)別率和制造成本等多個(gè)方面[8],經(jīng)過(guò)測(cè)試,閱讀器和標(biāo)簽兩天線水平時(shí),其信號(hào)最優(yōu),將其作為性能測(cè)試的狀態(tài)。在該狀態(tài)下多次測(cè)試,溫度標(biāo)簽的有效識(shí)別距離為±6.5cm,基本達(dá)到預(yù)期要求。

目前冷鏈物流報(bào)價(jià)約為150 元/m2,物流成本已經(jīng)不低,但還是有30%的溫敏產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)價(jià)值損失[9]。本文設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽成本不超過(guò)百元,體積小巧,壽命在1年以上(多數(shù)只需要更換電池),不需要淘汰老式冷鏈設(shè)備,只需要依附在冷柜上就能測(cè)溫,安裝成本和維護(hù)成本都很低。就算只能減少1%的運(yùn)輸損失,標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)就已經(jīng)非常巨大,無(wú)論是大規(guī)模運(yùn)用和小范圍使用,RFID 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性都經(jīng)得起考驗(yàn)。

RFID 技術(shù)的應(yīng)用前景是不可估量的。特別是這種工作在13.56MHz 的RFID標(biāo)簽,它既可用于無(wú)源又可以用于有源RFID,更能完美銜接NFC技術(shù)。NFC技術(shù)衍生于13.56MHz 頻段的RFID技術(shù),并且兼容閱讀器和標(biāo)簽兩種模式。目前手機(jī)廠家的旗艦機(jī)型大都標(biāo)配全功能NFC,小米等性價(jià)比廠家已經(jīng)把NFC下放在千元機(jī)上,人均NFC已經(jīng)不是夢(mèng)想。經(jīng)過(guò)程序開(kāi)發(fā),NFC設(shè)備可以讀取13.56MHz 的各類RFID 標(biāo)簽。這對(duì)溫度標(biāo)簽的大規(guī)模使用有著相當(dāng)大的積極作用,客戶可以舍棄傳統(tǒng)有線式閱讀器,人人都能用手機(jī)獲取標(biāo)簽歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交到消費(fèi)者手上,讓冷鏈的參與者不僅僅局限于供應(yīng)商和分銷商,冷鏈?zhǔn)袌?chǎng)將更加透明,劣質(zhì)冷鏈企業(yè)將無(wú)所遁形,我國(guó)的冷鏈物流水平將得到提高,冷鏈發(fā)展未來(lái)可期。