CN105701521B - 无线射频识别温度标签的监测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种无线射频识别温度标签的监测装置，包括：读写器，所述读写器与至少一个包含有温度传感器的温度标签通过无线射频互连，以及向所述温度标签发送功率；控制单元，所述控制单元与所述读写器互连，以及控制所述读写器改变功率同时读取所述温度传感器测量的温度，并根据不同功率下测量的温度计算匹配最佳测温功率。为保证温度标签测温数据的准确性，本发明在该控制单元中提出了一种自适应功率匹配算法，使得标签能够在最优的读写器发射功率下进行温度测量。以及一种无线射频识别温度标签的监测系统和监测方法。本发明实现了物品身份标识、温度实时监测和历史温度查询等功能。

Description

无线射频识别温度标签的监测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及温度监测系统技术领域，更为具体地，涉及一种无线射频识别温度标签的温度监测装置、系统和方法。

背景技术

无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种无接触自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触目标识别并能读写相关数据。无源超高频RFID标签具有成本低、速度快、识别距离远、可多目标同时识别等优点，且无需电池供电和复杂的布线，因此该技术在物流管理及零售等领域具有非常广阔的应用前景。将CMOS温度传感器嵌入到无源超高频RFID标签后，可实时监测物品温度、动物或人体的体温、环境温度等，在冷链物流、药品疫苗、仓库存贮等领域发挥至关重要的作用。

相比于其它传统温度监测方法，无源超高频RFID温度标签的新型测温系统具有实时性好、可多点同时测温、无线数据传输、测温节点体积小、成本低和寿命长等优点；相比于有源RFID温度标签或其它电子温度监测方法，无源超高频RFID温度标签在保证温度可靠性的情况下，可大大降低成本和功耗。

由于无源超高频温度标签中CMOS传感器的测温精度受内部工作电压影响，而标签内部电压是由温度标签接收到的功率大小决定，因此，为了确保测量温度值的精度，标签需要在最佳测温功率下工作。

实际中影响标签最佳测温功率的因素主要有：标签与读写器之间的距离和角度、标签间相互差异、多标签之间信号相互干扰以及复杂多变的实际测量环境，这些因素导致标签的最佳测温功率不能被直接计算出来。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供无线射频识别温度标签的监测装置、系统和方法，以实现温度标签在最佳测温功率下工作。

本发明提供一种无线射频识别温度标签的监测装置，包括：

读写器，所述读写器与至少一个包含温度传感器的温度标签通过无线射频互连，以及向所述温度标签发送功率；

控制单元，所述控制单元与所述读写器互连，以及控制所述读写器改变功率同时读取所述温度传感器测量的温度，并根据不同功率下测量的温度计算匹配最佳测温功率。

根据本发明的一种具体实施方式，所述控制单元为单片机、个人PC或网络终端。

根据本发明的一种具体实施方式，所述温度标签进一步存储有可供读写器读取和控制单元处理的EPC码。

根据本发明的一种具体实施方式，所述控制单元控制所述读写器改变功率的方式为：在读写器输送功率范围内连续提高功率，计算的算法为：当某功率点所测温度与之前和之后连续的功率点所测温度变化率最小，则选取当前功率点为最佳测温功率。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供一种无线射频识别温度标签的监测系统，包括：

至少一个包含温度传感器的温度标签，所述温度标签粘贴于待测物体上；以及

如权利要求1-4任意一项所述的无线射频识别温度标签的监测装置。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供一种无线射频识别温度标签的监测方法，其特征在于方法包括：

步骤一、制备含温度传感器的至少一个温度标签，分别贴于至少一个待测物体上；

步骤二、设置读写器，与所述温度标签通过无线射频互连并给所述温度标签提供发射功率；

步骤三、设置控制单元，通过控制单元改变读写器发射功率同时读取所述温度传感器测量的温度，并根据不同功率下测量的温度计算出最佳测温功率。

根据本发明的一种具体实施方式，上述监测方法中，步骤三中改变发射功率的方式为在发射功率范围内连续提高功率。

根据本发明的一种具体实施方式，上述监测方法中，步骤三中计算的方式为：当读出的温度数据不在待测温度测量范围内，舍弃该数值；当标签在某一功率能输出处于正常测温范围的数值，且与之前和之后的功率点所测数值变化率最小，则选取功率点为最佳测温功率。

根据本发明的一种具体实施方式，上述监测方法中，所述监测方法进一步包括步骤四：在计算出最佳测温功率后，还包含在该功率下多次测量温度后得到的平均温度值作为待测物体的温度并存入控制单元。

根据本发明的一种具体实施方式，上述监测方法中，所述监测方法进一步包括步骤五：在步骤四完成后，重复步骤三和步骤四。

通过上述技术方案，本发明无线射频识别温度标签的监测装置、系统和方法的有益效果在于：

(1)通过改变读写器的发送功率，直至在最佳功率测量温度，克服了现有技术中最佳测温功率不能被直接计算出来的问题，提高了待测物体温度的准确性；

(2)通过提出一种自适应功率匹配算法，使得标签能够在最优的读写器发射功率下进行温度测量，提高测量精度；

(3)通过重复步骤三和四，实现了对多个待测物体的实时监控，构建高精度温度监测系统。

(4)本发明将无源超高频RFID技术与温度采集技术相结合，可实时监测物品温度、动物或人体的体温、环境温度等，在冷链物流、药品疫苗、仓库存贮等领域发挥至关重要的作用。

附图说明

图1为本发明实施例1无线射频识别温度标签的监测系统的硬件系统结构图；

图2为本发明实施例1无线射频识别温度标签的监测系统的软件系统结构图；

图3为本发明实施例1中使用的无源超高频RFID标签的标签结构图；

图4为本发明实施例1无线射频识别温度标签的监测系统的软件流程图；

图5为本发明实施例1无线射频识别温度标签的监测系统单次温度测量流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种无线射频识别温度标签的监测装置，包括：

读写器，所述渎写器与至少一个包含温度传感器温度标签通过无线射频互联，以及向所述温度标签发送功率；

控制单元，所述控制单元与所述读写器互联，以及控制所述读写器改变功率同时读取所述温度传感器测量的温度，并根据不同功率下测量的温度计算匹配最佳测温功率。

还提供一种无线射频识别温度标签的监测系统，所述系统包括：

粘贴于待测物体上的至少一个温度标签；

以上所述无线射频识别温度标签的监测装置；

所述温度标签与所述监测装置中的读写器通过无线射频互连。

还提供一种无线射频识别温度标签的监测方法，其特征在于方法包括：

步骤一、制备含温度传感器的至少一个温度标签，分别贴于至少一个待测物体上；

步骤二、设置读写器，与所述温度标签通过无线射频互联并给所述温度标签提供发射功率；

步骤三、设置控制单元，通过控制单元改变读写器发射功率同时读取所述温度传感器测量的温度，并根据不同功率下测量的温度计算出最佳测温功率。

对于传感器的选择，优选的温度传感器为嵌入式CMOS温度传感器。

对于温度标签的设置，优选的包括存储器、协议处理器和射频/模拟单元，优选的所述温度标签进一步存储有供读写器读取和控制单元处理的EPC码。

对于改变功率的方式，优选的采用自适应功率匹配算法，在读写器输送功率范围内连续提高功率，更加优选的算法为：当某功率点所测温度与之前和之后连续的功率点所测温度变化率最小，则选取当前功率点为最佳测温功率；进一步优选的算法为：根据读写器发射功率范围，从最小发射功率开始，每秒增加0.25dBm，每个功率点都进行多次温度测量操作，得到多个温度值，测得的温度值经过一系列过滤算法(当读出的温度数据不在-30℃到50℃的传感器温度测量范围内，或温度值在测量范围内但波动较大，证明该功率不是最佳功率；当标签在某一功率P1能输出处于正常测温范围的数值，且之后连续2个功率点P2，P3的平均温度相差很小(±1℃范围内)，则选取功率点P2为最佳测温功率，该功率点处多次测量后得到的平均温度值就是测得的温度)，判断是否为最终的测量结果。还优选的，在计算出最佳测温功率后，还进行步骤四操作：在该功率下多次测量温度后得到的平均温度值作为待测物体的温度并存入控制单元。以及在步骤四完成后，设置步骤五，重复步骤三和步骤四，通过该方式实现对待测物体的实施监控。

对于所述监测方法的应用领域，包括但不限于监测物品温度、动物或人体的体温、环境温度等，在冷链物流、药品疫苗和仓库存贮领域，在冷链物流、药品疫苗、仓库存贮等领域发挥至关重要的作用。

实施例1：

本实施例提供的一种无线射频识别温度标签的监测系统，该温度监测系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统包括嵌入CMOS温度传感器的无源超高频RFID温度标签、超高频RFID读写器和客户端PC，如图1所示。

图2给出了温度监测系统中软件系统的结构图，包括读写器控制模块、标签操作模块以及温度测量模块。

其中读写器控制模块负责客户端软件中读写器的连接和参数设置，读写器设置主要包括读写器发射频率设置、发射功率设置、天线接收灵敏度、是否周期性运行、是否多目标识别等。

标签操作模块负责无源超高频RFID温度标签的相关控制，包括EPC码修改、EPC码与物品关联存入数据库、设置温度标签的校准码，以及后续温度测量时需要在标签用户数据区控制字的写入。

温度采集模块通过自适应功率匹配算法为标签匹配最佳读写功率，读取和过滤温度数据，最终测温结果存入数据库中。

如图3所示，为本发明中使用的无源超高频RFID标签，标签芯片中嵌入了一种极低功耗的CMOS温度传感器；该标签与超高频之间采用无线双向通讯方式进行通讯，传感器温度测量范围为-30℃到50℃，测量误差为-1.0℃/1.2℃，测量分辨率为0.18℃。

由于无源超高频RFID标签无需电池供电，工作频率为902MHz～928MHz，其内部工作电压由读写器天线发射的电磁波提供，所以相较于有源RFID标签或其他电子测温设备，无源超高频温度标签在功耗和成本方面占有巨大优势。

如图4所示，为本发明中无源超高频RFID温度标签的高精度温度监测系统的软件流程图，温度监测系统中超高频RFID读写器通过网线与计算机连接，或者直接连入网络路由器网络端口，客户端软件通过读写器的IP地址或读写器名称连接局域网中的读写器，设置读写器发射频率、发射功率、天线接收灵敏度、是否周期性运行、是否多目标识别、工作区域等。

随后读写器天线通过发射电磁波扫描环境中的RFID标签，将扫描到的RFID标签的编号、EPC码、时间信息显示到软件界面中，通过EPC码与数据库中记录相比对，如果数据库中没有该标签记录，则输入标签对应物品的名称、标签传感器参数并计算校准码，然后更新软件界面。

之后，向界面中已经确认过传感器的标签写入控制字，并读取标签反馈的温度值；最后通过一系列数据过滤和数据处理方法得到温度数据，将温度值显示到界面中并更新数据库，并且在软件界面中可以查看各个标签的历史温度数据。单次测量温度流程如图5所示。

由于无源超高频温度标签中CMOS传感器测温精度受内部工作电压影响，而标签内部电压是由标签接收到的功率大小决定，因此，为了确保测量温度值的精度，标签需要在最佳测温功率下工作。

对自适应功率匹配算法具体流程如下：根据读写器发射功率范围，从最小发射功率开始，每秒增加0.25dBm，每个功率点都进行多次温度测量操作，得到多个温度值，单次测量流程如图5所示，测得的温度值经过一系列过滤算法，判断是否为最终的测量结果，天线发射功率继续增加直至达到最大功率后，重新从最小功率开始增加发射功率，进行新一轮测量。

其中，温度数据过滤依据是：当读出的温度数据不在-30℃到50℃的传感器温度测量范围内，或温度值在测量范围内但波动较大，证明该功率不是最佳功率；当标签在某一功率P1能输出处于正常测温范围的数值，且之后连续2个功率点P2，P3的平均温度相差很小(±1℃范围内)，则选取功率点P2为最佳测温功率，该功率点处多次测量后得到的平均温度值就是测得的温度。当某一标签测得温度值后，证明已经为其匹配了最佳测温功率，因此在本轮功率变化时将忽略该标签所输出的温度数据，在下一轮功率变化重新为其匹配功率，并再次进行温度测量。

通过以上自适应功率匹配算法，可以为天线扫描范围内的多个标签分别匹配其最佳测温功率，保证每个标签的测温精度。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，本发明提出的一种无源超高频RFID温度标签的高精度温度监测系统，将无源超高频RFID技术和温度监测技术相结合，可实时监测物品温度、动物或人体的体温、环境温度等，在冷链物流、药品疫苗、仓库存贮等领域发挥至关重要的作用。所应理解的是，对于上述本发明所提出的无源超高频RFID温度标签的高精度温度监测系统，还可以在不脱离本发明的基础上做出各种改进。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线射频识别温度标签的监测装置，其特征在于，包括：

读写器，所述读写器与至少一个包含温度传感器的温度标签通过无线射频互连，以及向所述温度标签发送功率；

控制单元，所述控制单元与所述读写器互连，以及控制所述读写器改变功率同时读取所述温度传感器测量的温度，并根据不同功率下测量的温度计算匹配最佳测温功率；

其中，所述控制单元控制所述读写器改变功率的方式为：在所述读写器输送功率范围内连续提高功率，当某功率点所测温度与之前和之后连续的功率点所测温度变化率最小，则选取当前功率点为最佳测温功率。

2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述控制单元为单片机、个人PC或网络终端。

3.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述温度标签进一步存储有可供读写器读取和控制单元处理的EPC码。

4.一种无线射频识别温度标签的监测系统，其特征在于所述系统包括：

至少一个包含温度传感器的温度标签，所述温度标签粘贴于待测物体上；以及

如权利要求1-3任意一项所述的无线射频识别温度标签的监测装置。

5.一种无线射频识别温度标签的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备至少一个含温度传感器的温度标签，分别贴于至少一个待测物体上；

步骤二、设置一监测装置的读写器，与所述温度标签通过无线射频互连并给所述温度标签提供发射功率；

步骤三、设置所述监测装置的控制单元，通过所述控制单元改变所述读写器发射功率同时读取所述温度传感器测量的温度，并根据不同功率下测量的温度计算出最佳测温功率；

其中，步骤三中改变发射功率的方式为根据天线发射功率范围，从读写器发射的最小功率开始，在等间隔时间天线发射功率增加等量功率；

步骤三中计算的方式为：当标签在某一功率能输出处于正常测温范围的数值，且与之前和之后的功率点所测数值变化率最小，则选取功率点为最佳测温功率。

6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，步骤三中，当读出的温度数据不在待测温度测量范围内，舍弃该数值。

7.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，所述监测方法进一步包括步骤四：在计算出最佳测温功率后，还包含在该功率下多次测量温度后得到的平均温度值作为待测物体的温度并存入控制单元。

8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述监测方法进一步包括步骤五：在步骤四完成后，重复步骤三和步骤四。