CN102762967A - 温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本文献描述了一种测量温度的方法。根据本发明，依据RFID标签(1)本地振荡器的频率变化来确定温度。

Description

温度测量方法

技术领域

本发明一般涉及温度测量。

特别地，该方法涉及采用射频识别(RFID)技术的温度测量。

背景技术

现有的传感器标签采用昂贵的定制IC，生产数量有限，并且需要特定指令和读取器。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种温度测量的新方法。

本发明描述了标准的RFID标签如何用于远程地测量环境温度，而不需要特定指令或定制标签。采用第2代EPC(产品电子代码)协议对原理进行说明，但是该原理也可应用于其它包括片上振荡器的标签。该测量基于标签内部振荡器的频率变化和传输EPC协议的前同步码。

根据本发明的一个方面，频率变化由RFID读取装置2通过改变传输时序TRcal(标签对读取器校准)3来确定。

更具体地，根据本发明的方法通过权利要求1特征部分中所表述的来表征。

对于它的一部分，根据本发明的应用，通过权利要求8-12中所表述的来表征。

借助本发明可获得相当多的优点。

本发明还存在多个实施例，可以提供超过先前已知的温度测量方法的某些优点。

根据实施例，读取器生产者可以使用本发明，通过廉价、易于得到的、标准标签为他们的系统增加温度传感器功能。

本发明不需要标签上的特殊硬件并且不会增加功耗，因此读取距离保持相同。每个标签都可以被校准并且数据存储在标签存储器自身之中。

与现有的RFID传感器标签相比，本发明中描述的解决方法使用标准标签，其广泛用于一小部分专属价格标签。读取器软件的实现原理很简单。温度感应功能不会增加功耗，因而对于测量可获得相同的读取范围(通常达到10米)。所需的校准信息可存储在标签存储器自身之中。

在一些情形中，可以将对参量的直接测量转换为温度测量，例如，液体的不透明度阻碍光穿过液体并且导致受光标签的温度降低。通过测量标签温度，可以推导出液体的不透明度。这仅仅意味着许多参量可以采用无线温度传感器进行测量。

本发明还具有一些提供相关优点的其它实施例。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现借助于示例并参照以下附图对本发明进行描述，其中：

图1示出了适合本发明的系统的一般原理的方框图；

图2示出了根据本发明的EPC前同步码计时图。

图3以图表示出了根据本发明模拟链路频率与TRcal持续时间的相关性；

图4a和4b示出了用于展示本发明及将来可能的集成的系统方框图；

图5示出了一个用于确定标签温度的TRcal扫描示例。

图6示出了对利用反向散射频率差确定标签振荡器频率的仿真。

图7以图表示出了根据本发明的作为温度的函数的被测TRcal跳变值。

具体实施方式

接下来，更透彻地讨论根据本发明的原理和示例。

根据图1，温度影响RFID标签1的片上振荡器的频率。标签1由RFID读取装置2读取。标签1本地振荡器的频率通过本文献中稍后详细描述的方法来确定。有意地使协议对该频率变化不敏感。利用适当的方法，可以确定出标签时钟频率。标签频率与温度成正比。

根据图6a和6b，为了去除最大的噪声和未知参数，温度逐阶升高或降低。

假定以下情形：

·UHF(超高频)标签的内部振荡器通常是基于环形振荡器

·环形振荡器的频率与标签温度成正比

·环形振荡器频率的相关性已被表征

温度影响每个电子装置。如图1所示，在UHF RFID标签中，本地振荡器的频率与温度成正比。逻辑的时钟频率随温度变化。

用于UHF的EPC协议不利用本地振荡器频率来对标签应答反向散射，而是利用图2中所示的读取器前同步码持续时间的函数。因此温度不影响数据传输。

根据本发明，由于引起链路频率跳变的TRcal值随温度下降，因此可以确定标签本地振荡器的频率。这在图3中进行了模拟。技术原因在于标签逻辑中TRcal持续时间的离散化。

图4a和4b显示了用于确定标签温度相关性的系统以及如何将本发明直接集成在RFID读取器中。在实验中，计算机10控制标准RFID读取器2。计算机调整前同步码参数TRcal 3并且询问标签1的ID。解调的读取器输出由示波器11采集并且通过计算机分析以确定响应的链路频率。

在图4b中，温度读取功能被集成到读取器5中。计算机10直接请求标签ID和它的温度。

根据图5，本地振荡器的频率是具有不同TRcal序列长度的离散值。y轴表示1/LF并且x轴以微秒表示TRcal 3。

在恒定温度下，LF(链路频率)按照预期‘跳变’。

输入信号很嘈杂，LF的测量会不准确(在该图上噪声是可见的)。

根据适当的阈值，引起LF跳变的TRcal值很容易被确定。

通过扫描TRcal参数并测量反向散射标签响应的链路频率，读取器可以获取类似于图5的曲线。点A、B和E为随机选择。点C、D和F位于台阶边缘。

通过利用一个或多个(TRcal，LF)对，读取器可以确定标签振荡器的频率并且从而确定标签温度。读取器可以利用：

·一个或多个ΔLF(例如LF_A-LF_E)

·一个或多个‘跳变值的差’ΔTRcal(例如TR_C-TR_F)

·一个或多个绝对跳变TRcal值(例如TR_C)

·一个或多个随机点‘TRcal和相应的LF’对(例如(TR_B，LF_B))

·一个或多个“跳变TR值和相应的LF”对(例如(TR_C，LF_C))

·一个或多个限定台阶的三联组(例如TR_C，TR_F，LF_F)

·上述方法的组合

为了示出读取器如何利用TRcal扫描信息(图5)，将描述两种方法。

方法一：利用一个ΔLF

·读取器发出请求标签响应的命令，命令的前同步码指定被标签用于产生反向散射频率LF的TRcal定时，

·标签利用它自身的振荡器时钟测量TRcal 3的持续时间，TRcal 3在标签逻辑中是离散值(TR计数(TRcount))，

标签1利用离散的LF值反向散射响应

TRcount＝round(TRcal·f_clk)

$\mathrm{LF}=\frac{\mathrm{DR}}{\mathrm{TRcal}}=\frac{\mathrm{DR}\·f_{\mathrm{clk}}}{\mathrm{TRcount}}$

·读取器2精确测量该反向散射的LF频率(LF_A)，

·读取器2发出另一个命令，如果变化足够大就小幅增加TRcal 3定时，标签离散值TRcount将增加一位并且反向散射的LF_B频率将因此略为变小

${\mathrm{LF}}_A=\frac{\mathrm{DR}\·f_{\mathrm{clk}}}{{\mathrm{TR}}_A}$ 以及 ${\mathrm{LF}}_B=\frac{\mathrm{DR}\·f_{\mathrm{clk}}}{{\mathrm{TR}}_B}$

TR_B＝TR_A+1

$\frac{{\mathrm{TR}}_A}{f_{\mathrm{clk}}}=\frac{\mathrm{DR}}{{\mathrm{LF}}_A}$ 以及 $\frac{\mathrm{TR}+1}{f_{\mathrm{clk}}}=\frac{\mathrm{DR}}{{\mathrm{LF}}_B}$

·根据这两个LF的测量结果，读取器2可以推导出标签环形振荡器的频率：

$f_{\mathrm{clk}}=\frac{{\mathrm{LF}}_A\·{\mathrm{LF}}_B}{\mathrm{DR}\·({\mathrm{LF}}_A-{\mathrm{LF}}_B)}$

·读取器可以从标签存储器得到环形振荡器校准参数并且利用环形振荡器频率的线性相关性来估算标签温度：

f_clk＝TC·Temp+offset

图6中示出了对该方法的模拟。

方法二：利用跳变TRcal值

另一种确定标签温度的方法是观察跳变TRcal值3随温度的变化。图7示出了一个标签从-30℃到+70℃的大温度范围中的这一变化。该曲线具有单调性并且可通过多项式函数拟合。

温度测量的性能很大程度依赖于标签族。以下给出的灵敏度是示例；一些标签族可能更加灵敏而另一些族可能不太灵敏。灵敏度通常取决于温度。在低温下灵敏度较高。

·在-20℃，大约0,2℃每位数

·在0℃，大约0,3℃每位数

·在+20℃，大约0,5℃每位数

测量范围与标签工作的温度范围相同。标签通常在-40℃到+80℃之间工作。

采集时间等于n次读取操作。通常n＜10。因此采集时间小于一秒钟。为了获得更好的精度，可对测量结果进行平均。

通过在不同环境温度下测量标签可得到拟合TRcal跳变值随温度变化的多项式函数。为了获得更好的精度，可对标签分别进行校准。为了得到较低的成本，对标签族的校准可以是唯一的。系数可以存储在标签存储器或中央数据库中。

在一个优选解决方案中，根据标签1的制造商对一组RFID标签确定标签1的温度相关性，或者为了精确测量对每个标签1分别校准。可选择地，对生产的标签1中的样品进行标签校准。

根据本发明，RFID标签本地振荡器的频率信息可用于温度测量，特别是用于人体温度的测量。本发明也可用于通过温度测量来确定湿度信息。本发明的一个实施方式还可以是食品的温度测量，特别是食品低温链的温度控制。

与本发明相关，需要与本发明相关联的以下情形：

·UHF标签的内部振荡器通常基于环形振荡器

·环形振荡器的频率与标签温度成正比

·环形振荡器频率的相关性已被表征

Claims (13)

1.一种测量温度的方法，其特征在于，根据RFID标签(1)本地振荡器的频率变化来确定温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由RFID读取装置(2)通过改变传输时序(TRcal，3)来确定频率变化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由RFID读取装置(2)通过改变读取器前同步码定时，特别是TRcal(3)的持续时间，来确定频率变化。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，由RFID读取装置(2)利用多路传输中至少三个不同定时值(TRcal，3)而改变传输时序(TRcal，3)来确定频率变化。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，按照以下顺序确定本地振荡器的频率：

·读取器(2)向标签(1)发出请求响应的命令，命令的前同步码指定被标签用于产生反向散射频率LF的TRcal定时，

·标签利用它自身的振荡器时钟测量TRcal(3)的持续时间，TRcal(3)在标签逻辑中是离散值(TRcount)，

·标签(1)利用离散的LF值反向散射该响应

TRcount＝round(TRcal·f_clk)

$\mathrm{LF}=\frac{\mathrm{DR}}{\mathrm{TRcal}}=\frac{\mathrm{DR}\·f_{\mathrm{clk}}}{\mathrm{TRcount}}$

读取器(2)精确地测量反向散射的LF频率(LF_A)，

·读取器(2)发出另一命令，如果变化足够大就小幅增加TRcal定时，标签离散值TRcount将增加一位并且反向散射的LF_B频率将因此略为变小

${\mathrm{LF}}_A=\frac{\mathrm{DR}\·f_{\mathrm{clk}}}{{\mathrm{TR}}_A}$ 以及 ${\mathrm{LF}}_B=\frac{\mathrm{DR}\·f_{\mathrm{clk}}}{{\mathrm{TR}}_B}$

TR_B＝TR_A+1

$\frac{{\mathrm{TR}}_A}{f_{\mathrm{clk}}}=\frac{\mathrm{DR}}{{\mathrm{LF}}_A}$ 以及 $\frac{\mathrm{TR}+1}{f_{\mathrm{clk}}}=\frac{\mathrm{DR}}{{\mathrm{LF}}_B},$

·由这两个LF的测量结果，读取器可以推导出标签环形振荡器的频率：

$f_{\mathrm{clk}}=\frac{{\mathrm{LF}}_A\·{\mathrm{LF}}_B}{\mathrm{DR}\·({\mathrm{LF}}_A-{\mathrm{LF}}_B)},$

·读取器(2)可以从标签存储器得到环形振荡器校准参数并且利用环形振荡器频率的线性相关性来估算标签温度：

f_clk＝TC·Temp+offset。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，根据标签(1)制造商对一组RFID标签确定标签(1)的温度相关性。

7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，为获得精确测量，对每个标签(1)分别进行校准。

8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，对生产的标签(1)中的样品进行标签的校准。

9.RFID标签的本地振荡器的频率信息用于温度测量的应用。

10.RFID标签的本地振荡器的频率信息用于人体温度测量的应用。

11.RFID标签的本地振荡器的频率信息用于通过温度测量确定湿度信息的应用。

12.RFID标签的本地振荡器的频率信息用于食品温度测量的应用。

13.RFID标签的本地振荡器的频率信息用于食品低温链的温度控制的应用。

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