基于 RFID 技术的无线温度监测系统的设计

基于 RFID 技术的无线温度监测系统的设计摘 要：本设计基于集成温度传感器的主动式有源 RFID 电子标签，来解决医院检验科冰箱的温度监测问题。简要论述了温度监测系统的架构图和电子标签的硬件结构。箱体温度由集成的传感器探测到，通过无线射频传送给主机进行实时显示。通过对连续温度变化的分析，我们可以判断箱体温度以及冰箱是否工作正常。 关键词：RFID，温度监测0 前言大型三甲医院检验中心通常都有大量的冷库、冰箱、超低温冰箱用来保存样品、试剂。准确可靠的检测结果，需要大量合格的试剂保证。试剂的保存需要合适的冰箱温度。一旦温度失控，将导致试剂的失效，从而影响检测结果的可靠性。因此，检测结果的质量控制就必然要求对冰箱温度的监测。国家实验室认可委执行的 ISO15189 标准，明确规定，存储试剂、以及孵育的箱体温度必须连续监测。 目前，通常的温度监测有两种类型，普通纸质记录与电子式记录器。普通纸质记录，每一个小时记录一次，需要专人负责记录。由于冰箱数量多，比如 30 台，每台半分钟的话，也需要 15 分钟。人工操作耗时耗力，工作量大，而且容易遗漏。纸质记录，不易保存，在目前办公电子化的环境下，后期的数据处理工作量也较大。电子式记录器，目前电子式记录器通常都是放置于箱体内，记录温度以后，把记录器拿出箱体，读取数据。只能对单个箱体进行记录，而且这是事后监测，在使用过程中，如果温度出现波动，无法及时干预。1 研究目的通过分析现有温度监测手段的缺点，以及临床的实际需求，理想的温度监测系统，应该是实时的、连续的、多台同时监测、自动数字化的并具有温度异常自动报警功能。实时连续监测多台箱体的温度，并把数据传回计算机系统，若出现异常情况，自动报警，方便工作人员及时干预。2 技术背景介绍本设计采用基于集成温度传感器的主动式RFID电子标签，来解决温度测量、信号发送的问题，后端的软件系统解决温度异常报警、温度数据存储处理的问题。这样就较好的完成了本设计所要解决的问题。2.1 RFID简介射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签（俗称电子标签）具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。目前，RFID在工业领域应用更广泛。沃尔玛超市就要求全球上万家供应商全面启用电子标签代替传统的条形码。上海世博会门票也采用了电子标签，电子标签的快速读写能力使每天几十万的游客在有限的几个入口顺利入园。高速公路ETC通道的广泛应用，也将会使高速公路出入口的通行能力大幅提升，常见的收费站排队现象也会消失。2.2 RFID的基本元件标签，主要负责存储标签的ID 号。标签可以做成各种形式，卡式、纽扣式、手环式等各种封装类型。标签分为2类，被动式和主动式。被动式标签只有在读写器发送射频信号后，天线获得能量，然后把自己的ID号发送回给读写器。主动式标签，也称有源标签，集成了电源，通常是电池，能按照预设的时间间隔主动发送自己的ID号给读写器。随着封装技术的成熟，现在大量的传感器可以封装在标签里。比如集成温度传感器的主动式有源标签，温度传感器负责环境温度的测量，传感器把测量到的温度数据通过标签的天线发送出去，由读写器接收1。目前，集成温度传感器的无源电子标签已经设计出来2。但在技术成熟度，商品化方面仍待完善。技术参数方面，尤其是测温方面，测温范围-10120，测温精度2，不符合我们的使用要求，因此，不采用无源电子标签。读写器，负责读写电子标签上的资料。它通过射频无接触的读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体及数据的目的。读写器通常通过RS232串口与主机连接，或使用WLAN技术进行数据传送，所读取的标签信息被传送到主机后进一步处理。天线，负责无线电讯号的感应，在标签和读写器之间传递射频信号。3 系统架构与设计在硬件结构上，本系统由集成温度传感器的有源电子标签、读写器、计算机组成。系统硬件架构如下图所示。电子标签放置于冰箱内，一个电子标签监测一台冰箱。由于箱体内部温度并不均匀，因此选择温度最高的位置放置，通常为靠近门侧处。如果是重点监测对象，也可放置多块标签以达到全面监测的目的。下面将介绍本设计的重点部分。3.1 集成温度传感器的有源电子标签在硬件结构上，电子标签主要由射频芯片与温度传感器组成。由于技术成熟度比较高，选择CC2430芯片与DS18B20温度传感器。电子标签硬件结构图如下图所示。CC2430包含了1个高性能2.4 GHz的直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和1个工业级小巧高效的8051控制器，在单个芯片上整合了射频(RF)前端、内存和微控制器。DS18B20是DALLAS公司生产的单线式数字温度传感器，它具有3引脚TO92小封装体积，其不锈钢外壳封装形式可以防水防潮，适合恶劣的现场温度检测，其温度测量范围为-55+125，测温分辨率可达0.5。除部分工作温度在-80超低温冰箱外，大部分的冰箱温度都在其测量范围内。因此，对监测对象的全覆盖，仍有待新型小型温度传感器的出现。当电子标签上电后，首先对无线射频模块及传感器进行初始化，然后微控制器把传感器定时采集到的温度数据通过通信接口发送给射频芯片，射频芯片再通过发射模式把标签的ID号与温度信号发送给读写器，读写器通过串口发送给上位机进行实时显示。3.2 结果的后处理结果的显示，可以以数据表格的形式体现，也可以以曲线图的形式体现。由于RFID技术能实时识别多个标签，一般能同时识别100个，因此，一个箱体放置一个标签，即可以实现对该箱体的温度监测。箱体的增减，通过取放标签以及软件内标签对应箱体的编号就可以实现，因此使用极其方便。软件系统还需要对结果的分析，以达到自动报警的功能。上表为模拟的结果显示。从表中，可以看出1#冰箱，8点上班前，为-20，工作正常；上班后，随着工作人员取放试剂，箱体温度变高，但仍维持在设定温度附近。因此，该冰箱工作正常。2#冰箱，8点上班前，温度已达到11，超过通常设定的4-10的正常范围，但上班时间内，温度波动范围小。由此推断该冰箱有制冷能力，但制冷能力已经无法达到正常值，因此需要通知维修人员进行维修。3#冰箱，8点上班前，温度4，在正常范围内，但上班时间内，温度超过设定值，并维持在一个温度附近。通常，冰箱不会突然损坏，因此很有可能是使用者在使用过程中没有关好冰箱门，导致超温。这种情况就应该先进行自查，排除这个因素后，温度仍然无法达到设定值，再通知维修人员进行维修。4 总结RFID芯片与温度传感器的集成，是本设计的基础。目前，市场上成熟的集成温度传感器的有源电子标签商品逐步增多，可根据具体的实际要求进行选择。本系统可以迁移到其他类型的温度监测上，比如病人体温的采集，但温度传感器的测温精度就要求更高，必须达到0.1才能符合使用要求。附录托普物联网简介托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。托普物联网三大系统产品我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）托普物联网模块化智能集成系统托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。参考文献 1 张欣 露，吴勇 ，等 .集成温度传感 器的有源 电子标签 设计 J,微 型机与应用,2010,29(3):29-34 2 沈红伟,李力南,陈国华.集成温度传感器的超高频无源电子标签芯片设计,微电子学与计算机,2008,25(4):192-195 3 陈得民.CC2430 与 DS18B20 的粮库温度传感器网络设计J,单片机与嵌入式系统应用, 2009,12:60-62 4 王以忠,龙婷等.用于果蔬保鲜的RFID温湿度记录系统J,天津科技大学学报, 2008,23 (3): 73-76 5 亚敬.RFID 与温度传感技术技术在冷链物流中的应用J,中国电子商情（RFID 技术与应用）,2009.3:49-51 6 陆旭群.浅析 RFID 技术在我国生鲜食品冷链物流管理中的应用J,市场周刊.理论研究, 2008,3:132-133