CN102708394A - 基于saw的无源温度标签及其阅读器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SAW的无源温度标签，包括基片、叉指换能器、标签天线、温度反射栅和用于通过反射基片上声表面波来识别被检测物的ID标签反射栅，基底上设置有用于负责信号电声转换的叉指换能器，本发明提供的无源温度标签的阅读器，通过发射接收天线发射和接收射频信号，ID标签反射栅用于通过反射基片上声表面波来识别被检测物，温度反射栅用于通过反射基片上声表面波来测量温度。通过阅读器读取存储在无源温度标签中的ID信息和温度数据，并在中频信号处理板中进行数据处理。其中，对于回波基带脉冲信号位置确定，用质心位置来代替峰值位置，不仅减少了计算量，而且提高了精度。

Description

基于SAW的无源温度标签及其阅读器

技术领域

本发明涉及一种冷链物流管理系统中检测装置，特别涉及一种基于SAW的无源温度电子标签及其阅读器。

背景技术

近年来，随着人们物质生活水平的提高，人们对冷链食品的消费需求也逐年提高，相关的冷链物流运作也越来越受到关注。冷链物流一般遵循3T原则，即产品最终质量取决于在冷链链中贮藏和流通时间(Time)、温度(Temperature)和产品耐藏性(Tolerance)，因此，温度是有关食品安全的一个非常重要的参数，原料采购接受时必须对食品的内部温度及运输过程的中温度的连续性进行严格检查。而冷藏类食品对温度的波动更为敏感，因此，监控冷链物流中的温度对食品质量的影响，尤为重要。

食品药物并不只是在使用时的安全温度，更应加注重其从生产、运输到销售整个全流程的安全记录，在建立冷链物流管理体系过程中，RFID技术为冷链物流保持质量提供了有力保障，必须实时监测食品在途温度，对整个运送途中所出现的突发事件进行处理，以保证食品质量。

目前，主要采用RFID技术实现了对温度的全过程记录，无线传输相应改善了工作效率，同时在关键点设置RFID阅读器，在标签中写入时间数据，可以部分达到关键点的历史跟踪效果。通过内嵌温度传感器，对物流中的产品进行全程监控，并实时记录产品的状态特征，在商品上架和销售的过程中，消费者可以通过阅读器来得到产品的历史温度，充分显示了RFID温度标签在冷链物流中的优越性。

德国KSW开发出半有源RFID温度传感器标签VarioSens Basic。美国Gentag成功测试了一种温度感应电路。在参与欧盟Bridge项目中，Gabriele Isola和Fabrizio Bertuccelli开发出带温度传感器的半有源RFID标签，可用于新鲜食物、冷冻食品、药品的存储、流通和销售。TekVet公司设计的RFID家畜追踪系统可通过网络确认牛的位置情况，对牛的体温进行即时监测，从而随时了解牛群的健康状况。亚特兰大HotHead Sports公司和Identec与通用GE Sensing与Cavist公司加强合作，将推出一款RFID足球头盔，可将体温信息传给培训人员或其他工作人员；但是这些方法测量出的温度精度不高，且不能实时测量出温度。

因此急需一种能实时测量出食品药物在运输过程中的温度变化的精确值。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能实时测量出食品药物在运输过程中的温度变化的精确值。

本发明的目的之一是提出一种基于SAW的无源温度标签；本发明的目的之二是提出一种基于SAW的无源温度标签阅读器。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于SAW的无源温度标签，包括基片、叉指换能器、标签天线和温度反射栅，所述标签天线用于接收信号，所述基底上设置有至少一对并行的叉指换能器，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，用于负责完成信号的电声转换和声电转换，所述叉指换能器和温度反射栅设置于基片上，所述延迟线型声表面波器件上还设置有ID标签反射栅，所述ID标签反射栅用于通过反射基片上声表面波来识别被检测物。

进一步，所述ID标签反射栅为至少一条反射基底上声表面波的反射栅。

进一步，所述温度反射栅采用从基底上反射传递回的声表面波的相位差、时延差和被测温度间的关系来确定对应被检测物的温度。

进一步，所述ID标签反射栅和温度反射栅采用延迟线反射栅结构，所述基片为采用128°铌酸锂压电材料制作的基片。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的用于上述读取无源温度标签的阅读器，包括发射接收天线、发射电路、接收电路、晶振电路和中频信号处理板；

所述发射接收天线，用于接收从无源温度标签反射回的信息和向无源温度标签发射射频信号；

所述接收电路，用于预处理从无源温度标签反射回的射频信号；

所述发射电路，用于产生向无源温度标签发射的射频信号；

所述晶振电路，用于向发射电路和接收电路提供固定频率的脉冲信号；

所述中频信号处理板，用于处理经过接收电路处理的信息并生成零中频信号。

进一步，所述接收电路包括信号预处理单元、中频滤波电路和对信号增益进行自动调节的自动增益控制单元AGC，所述信号预处理单元将接收到的信号进行预处理后输入到中频滤波电路中进行中频滤波将信号中的杂波滤除，所述滤波后的信号通过自动增益控制单元AGC后输入到中频信号处理板；

所述信号预处理单元包括接收开关单元、低噪声放大器LNA、滤波器和放大器；

所述接收开关单元，用于控制信号的接收；

所述低噪声放大器LNA用于对接收信号进行去噪和放大；

所述滤波器用于对通过低噪声放大器LNA的信号进行滤除杂波；

所述放大器用于对通过滤波器的信号进行功率放大。

进一步，所述发射电路包括带通滤波器、放大器、发射开关和功放电路；

所述带通滤波器用于对带宽为10MHz频率为920MHz的信号进行滤除杂波处理；

所述放大器用于对通过带通滤波器的信号进行放大；

所述功放电路用于对通过放大器的信号进行功率放大；

所述发射开关用于控制通过功放电路的信号的发射。

进一步，所述中频信号处理板根据反射栅的回波基带信号波形的质心位置来代替回波基带信号的脉冲峰值位置。

进一步，所述中频信号处理板按照以下步骤进行处理信号：

S1：中频信号处理板将接收到的中频信号进行中频采样；

S2：对采样信号进行0°功分和90°功分；

S3：然后对这两路信号进行数字下变频，将中频信号变成两路基带信号；

S4：对两路基带信号信号通过以下公式进行质心法：

$t_c=\frac{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}t\×s\left(t\right)}{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}s\left(t\right)}$

其中，t_c表示信号的质心位置，s(t)表示基带信号，t表示信号的时间位置；

S5：找到其脉冲质心位置，根据脉冲质心位置之间的时间差，识别出脉冲质心位置的编码，得出标签的编码；

S6：将两路基带信号进行比较，根据温度反射栅的相位信息的变化和温度变化的线性关系，得到温度信息。

本发明的优点在于：本发明采用在延迟线型声表面波器件上设置有温度反射栅和ID标签反射栅，通过ID标签反射栅用于通过反射基片上声表面波来识别被检测物，通过温度反射栅测量温度来提高测量温度的精度。通过阅读器读取存储在无源温度标签中物体识别ID信息和温度数据，并在中频信号处理板中进行数据处理，通过采用将回波基带信号的脉冲峰值位置用反射栅的回波基带信号波形的质心位置来代替，不仅减少了计算量，而且提高了精度，质心对噪声不敏感。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于SAW的无源温度标签结构；

图2为基于SAW的无源温度标签阅读器；

图3为回波基带信号波形；

图4为数据处理后的波形；

图5为带通采样后的频谱搬移；

图6为解调后得到的信号波形。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为基于SAW的无源温度标签结构，如图所示：本发明提供的基于SAW的无源温度标签，包括基片、叉指换能器(IDT)1、用于接收电磁波信号的标签天线和温度反射栅3，所述基底上设置有至少一对并行的叉指换能器1，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，用于负责完成信号的电声转换和声电转换，所述叉指换能器和温度反射栅设置于基片上，所述标签天线设置于基片上用于接收/发射信号，本实施例中的标签天线相当于传感器中的天线，即标签天线就是接收电磁波信号的天线，该标签天线也可以通过其他方式与设置有叉指换能器1和温度反射栅的基片上的叉指换能器1连接。所述延迟线型声表面波器件上还设置有ID标签反射栅2，所述ID标签反射栅2用于通过反射基片上声表面波来识别被检测物。所述ID标签反射栅为至少一条反射基底上声表面波的反射栅。

本实施例的无源温度标签前8条反射栅用作标签，利用反射栅的有无来对标签进行区分。后3条反射栅用作温度测量，对于温度测量，结合时延测量和相位测量的解调思路：首先寻找位相随时延的变化对应关系；然后建立起为位相和被测温度间的对应关系，最后得到时延随测温度间的对应关系。虽然最初利用的是时延的测量，但是由于时延、位相和被测量的对应关系，实质利用相位的精确解调优势，解调过程计算量很小，便于在FPGA中实现。

所述温度反射栅采用从基底上反射传递回的声表面波的相位差、时延差和被测温度间的关系来确定对应被检测物的温度。

所述ID标签反射栅和温度反射栅采用延迟线反射栅结构，所述基片为采用128°铌酸锂压电材料制作的基片。利用半导体平面工艺，将换能器和反射栅制作在该基片上。

图2为基于SAW的无源温度标签阅读器，图3为回波基带信号波形，图4为数据处理后的波形，图5为带通采样后的频谱搬移，如图所示，本实施例还提供了用于获取无源温度标签中信息的阅读器，包括发射接收天线、发射电路、接收电路、晶振电路和中频信号处理板；

所述发射接收天线4，用于接收从无源温度标签反射回的信息和向无源温度标签发射射频信号；

所述接收电路5，用于预处理从无源温度标签反射回的射频信号；

所述发射电路6，用于产生向无源温度标签发射的射频信号；

所述晶振电路7，用于向发射电路和接收电路提供固定频率的脉冲信号，本实施例中的晶振电路采用晶振10MHz：产生带宽为10MHz的信号，可以产生频率为80MHz和840MHz两种频率；

所述中频信号处理板8，用于处理经过接收电路处理的信息并生成零中频信号，对信号进行中频处理，得出测试结果。

所述接收电路包括信号预处理单元、中频滤波电路和对信号增益进行自动调节的自动增益控制单元AGC，所述信号预处理单元将接收到的信号进行预处理后输入到中频滤波电路中进行中频滤波将信号中的杂波滤除，所述滤波后的信号通过自动增益控制单元AGC后输入到中频信号处理板；

所述信号预处理单元包括接收开关单元、低噪声放大器LNA、滤波器和放大器；

所述接收开关单元，用于控制信号的接收；

所述低噪声放大器LNA，用于对接收信号进行去噪和放大；

所述滤波器，用于对通过低噪声放大器LNA的信号进行滤除杂波；

所述放大器，用于对通过滤波器的信号进行功率放大。

所述发射电路包括带通滤波器、放大器、发射开关和功放电路；

所述带通滤波器用于对带宽为10MHz频率为920MHz的信号进行滤除杂波处理，对两路信号进行数字下变频；

所述放大器，用于对通过带通滤波器的信号进行放大；

所述功放电路，用于对通过放大器的信号进行功率放大；

所述发射开关，用于控制通过功放电路的信号的发射。

所述中频信号处理板根据反射栅的回波基带信号波形的质心位置来代替回波基带信号的脉冲峰值位置。

所述中频信号处理板按照以下步骤进行处理信号：

S1：中频信号处理板将接收到的中频信号进行中频采样，

S2：对采样信号进行0°功分和90°功分，

S3：然后对这两路信号进行数字下变频，将中频信号变成两路基带信号；

S4：对两路基带信号信号通过以下公式进行质心法：

$t_c=\frac{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}t\×s\left(t\right)}{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}s\left(t\right)}$

找出信号的极小值点，对于每两个极小值点之间的脉冲波形其位置用质心来表示；还可以找到脉冲的其它位置

其中，t_c表示信号的质心位置，s(t)表示基带信号，t表示信号的时间位置。

S5：标签识别，根据ID标签反射栅反射回的脉冲信号找到其脉冲质心位置，根据脉冲质心位置之间的时间差，识别出脉冲质心位置的编码，得出ID标签反射栅的标签编码，因为标签之间的间距都是两标签之间的最小间距或者最小间距的整数倍，所以，根据找到的

…之间的时间差，得出标签的编码。

S6：温度识别，将两路基带信号进行比较，根据最后三条温度反射栅的相位信息的变化和温度变化的线性关系，得到温度信息。

本发明实施例提供的基于SAW的无源温度标签是集成了RFID功能并具有传感功能的一种传感器，该传感器利用RFID的射频信号传输能量为其供电，感应温度数据可以存储，本发明提供的存储部件就是FPGA，随时通过阅读器读取上传给中频信号处理板，实现自动控制。

本实施例中采用125M对915M载波的信号进行带通采样，对40ns的脉冲5倍过采样。ADC采样后的频谱搬移如图5所示。

解调后得到的信号波形如图6所示，与图2矢量分析仪测出的SAW芯片回波信号相似。

通过本实施例提供的传感器采集的数据，并对数据进行平滑滤波处理，可以得到如图4所示的图形。根据峰值的有无来判断标签的编码，如图所示的编码就为11111111。

利用该SAW传感器系统，我们实现了温度的大量程高精度的测量。通过相位差、时延差和被测温度间的关系，可以精确确定对应的温度。为了保证实时性，解调算法在FPAG中实现。实验中，SAW器件有三个反射栅，其中心频率为925MHz，该器件的温度敏感系数α＝-70ppm/℃。

在图6中，实线表示真值，小黑点表示测量值。为了清晰看出解调精度，取真值在0℃～50℃范围内的数据，但实际测量范围可能会更大些。由图可见，随着温度的升高，测量值基本在每个变化的真值温度上下波动。数据统计表明，不同真值温度的标准方差是一个随机量，最高为0.5℃。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.基于SAW的无源温度标签，包括基片、叉指换能器、标签天线和温度反射栅，所述标签天线用于接收信号，所述基底上设置有至少一对并行的叉指换能器，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，用于负责完成信号的电声转换和声电转换，所述叉指换能器和温度反射栅设置于基片上，特征在于：所述延迟线型声表面波器件上还设置有ID标签反射栅，所述ID标签反射栅用于通过反射基片上声表面波来识别被检测物。

2.根据权利要求1所述的基于SAW的无源温度标签，其特征在于：所述ID标签反射栅为至少一条反射基底上声表面波的反射栅。

3.根据权利要求2所述的基于SAW的无源温度标签，其特征在于：所述温度反射栅采用从基底上反射传递回的声表面波的相位差、时延差和被测温度间的关系来确定对应被检测物的温度。

4.根据权利要求3所述的基于SAW的无源温度标签，其特征在于：所述ID标签反射栅和温度反射栅采用延迟线反射栅结构，所述基片为采用128°铌酸锂压电材料制作的基片。

5.用于根据权利要求1-4任一所述的无源温度标签的阅读器，其特征在于：包括发射接收天线、发射电路、接收电路、晶振电路和中频信号处理板；

所述发射接收天线，用于接收从无源温度标签反射回的信息和向无源温度标签发射射频信号；

所述接收电路，用于预处理从无源温度标签反射回的射频信号；

所述发射电路，用于产生向无源温度标签发射的射频信号；

所述晶振电路，用于向发射电路和接收电路提供固定频率的脉冲信号；

所述中频信号处理板，用于处理经过接收电路处理的信息并生成零中频信号。

6.根据权利要求5所述的基于SAW的无源温度标签阅读器，其特征在于：所述接收电路包括信号预处理单元、中频滤波电路和对信号增益进行自动调节的自动增益控制单元AGC，所述信号预处理单元将接收到的信号进行预处理后输入到中频滤波电路中进行中频滤波将信号中的杂波滤除，所述滤波后的信号通过自动增益控制单元AGC后输入到中频信号处理板；

所述信号预处理单元包括接收开关单元、低噪声放大器LNA、滤波器和放大器；

所述接收开关单元，用于控制信号的接收；

所述低噪声放大器LNA，用于对接收信号进行去噪和放大；

所述滤波器，用于对通过低噪声放大器LNA的信号进行滤除杂波；

所述放大器，用于对通过滤波器的信号进行功率放大。

7.根据权利要求6所述的基于SAW的无源温度标签阅读器，其特征在于：所述发射电路包括带通滤波器、放大器、发射开关和功放电路；

所述带通滤波器，用于对带宽为10MHz频率为920MHz的信号进行滤除杂波处理；

所述放大器，用于对通过带通滤波器的信号进行放大；

所述功放电路，用于对通过放大器的信号进行功率放大；

所述发射开关，用于控制通过功放电路的信号的发射。

8.根据权利要求7所述的基于SAW的无源温度标签阅读器，其特征在于：所述中频信号处理板根据反射栅的回波基带信号波形的质心位置来代替回波基带信号的脉冲峰值位置。

9.根据权利要求8所述的基于SAW的无源温度标签阅读器，其特征在于：所述中频信号处理板按照以下步骤进行处理信号：

S1：中频信号处理板将接收到的中频信号进行中频采样；

S2：对采样信号进行0°功分和90°功分；

S3：然后对这两路信号进行数字下变频，将中频信号变成两路基带信号；

S4：对两路基带信号信号通过以下公式进行质心法：

$t_c=\frac{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}t\×s\left(t\right)}{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}s\left(t\right)}$

其中，t_c表示信号的质心位置，s(t)表示基带信号，t表示信号的时间位置；

S5：找到其脉冲质心位置，根据脉冲质心位置之间的时间差，识别出脉冲质心位置的编码，得出标签的编码；

S6：将两路基带信号进行比较，根据温度反射栅的相位信息的变化和温度变化的线性关系，得到温度信息。

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