CN117501079A - 一种基于无源rfid标签的温度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无源RFID标签的温度测量方法，包括：多次获取标签的电路温度特征，建立标签温度‑特征对应关系；利用所述标签温度‑特征对应关系及当前标签电路温度特征估计所处环境的温度；其中，所述标签电路温度特征为无源RFID标签充电完成后进行断电，所述标签在放电过程中能够正常工作的最大断电维持时间。本发明具有以下有益效果：对于环境的变化具有较高的鲁棒性，同时温度测量准确度高；无需对标签和阅读器的硬件进行任何修改，可以直接部署在现有的商用RFID设备上。

Description

一种基于无源RFID标签的温度测量方法及装置 技术领域

本发明涉及射频识别(RFID)领域，具体涉及一种基于无源RFID标签的温度测量方法及装置。

背景技术

温度是一种表示物体冷热程度的物理量。在生产生活中，绝大部分常见物质的物理化学性质都与温度相关，因而温度测量非常重要。目前温度传感器在火灾预防，冷链运输，农业生产等领域有着极为广泛的运用，具有巨大的实用价值和发展前景。

RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术是一种非接触式自动识别技术，是实现物联网“物物相连”的基础与核心。目前这一技术广泛应用于社会的各个领域，如移动支付、身份认证、物流仓储。现有RFID标签根据有无电池分为有源标签和无源标签两种。相对而言，无源标签因为其造价低廉、使用寿命长、维护简单等优势获得了市场的青睐。

目前主流的基于无源RFID技术的温度测量方法通过在标签上加装专用的温度传感器进行温度测量，仅使用RFID的通信功能将采集的温度数据传输给用户。此方式显著增加无源RFID标签的制造成本，不利于推广使用。同时，无源RFID标签通常能耗较低，使用额外的温度传感器也会降低标签的通信距离和运算能力。受制于以上不足，这一方式在实际场景下难以使用。

为了克服这一问题，近年来一些工作尝试使用未经改造的一般无源标签进行温度测量。这些方法的主要思路是使用标签信号的物理层信息为特征来检测温度变化。一般情况下，温度会改变标签电路的电阻值，从而影响标签发出的无线电信号。通过分析标签信号的物理特征，就能观测温度的变化，从而得出标签所处环境的温度。然而，基于标签信号的物理层信息的温度检测方法通常需要使用昂贵的无线电波分析设备，并且部分方法对环境变化十分敏感，标签位置在检测过程中不能改变。

发明内容

为了克服现有基于无源RFID技术的温度测量手段的不足，本发明提供一种基于无源RFID标签的温度测量方法及装置，该方法可在所有符合ISO标准的商用RFID设备上使用，不需要任何额外设备和硬件改变，而且受外部环境影响很小。

基于上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于无源RFID标签的温度测量方法，所述方法包括：多次获取标签的电路温度特征，建立标签温度-特征对应关系；利用所述标签温度-特征对应关系及当前标签电路温度特征估计所处环境的温度；其中，所述标签电路温度特征为无源RFID标签充电完成后进行断电，所述标签在放电过程中能够正常工作的最大断电维持时间。

多次获取标签的电路温度特征，建立标签温度-特征对应关系具体可包括：将标签置于不同温度的环境中，测量并记录与温度对应的最大断电维持时间，与温度值组成特征二元组，形成所述标签的特征集合；对所述标签的特征集合进行拟合，获得温度-特征对应关系。

优选地，所述最大断电维持时间通过测量所述标签的易失性存储器的失能保持时间来确定。

关于失能保持时间的测量方法，提供以下实现方式：

(1)阅读器在标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；关闭阅读器，并在等待时间t后查询易失性存储器的数据，若数据改变，则将当前的等待时间作为易失性存储器的失能保持时间；若数据未改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作，直至获取数据改变所对应的等待时间。

(2)阅读器在多个目标标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；关闭阅读器，并在等待时间t后查询易失性存储器的数据，若存在标签的数据第一次改变，则将当前的等待时间作为相应标签的易失性存储器的失能保持时间，若无标签的数据改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作；若尚有标签的数据未改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作，直至获取所有目标标签的易失性存储器的失能保持时间。

在易失性存储器具体为S1盘存标志位时，无需尝试不同的等待时间，只在 一个时间窗口内测量失能保持时间，从而节省大量开销，提供以下实现方式：

(1)阅读器在标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；阅读器持续查询易失性存储器的数据，直至数据发生改变，则将等待数据改变的等待时间作为易失性存储器的失能保持时间。

(2)阅读器在多个目标标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；阅读器持续查询易失性存储器的数据，若存在标签的数据改变，则将当前的等待时间作为相应标签的易失性存储器的失能保持时间，直至获取所有目标标签的易失性存储器的失能保持时间。

其中，所述多个目标标签可以为阅读器读取范围内的目标标签集合的一个未测量标签子集，阅读器多次选取新的未测量标签子集进行测量，直至阅读器读取范围内所有目标标签的失能保持时间都被测量。

获取温度-特征对应关系时，具体可以对标签的特征集合利用最小二乘拟合获得温度-特征函数。

为了提高校准的效率，可以针对同一型号的标签采用共同的温度-特征函数，具体地，可以合并多个标签的特征集合，拟合获得所述多个标签的共同温度-特征函数；或者，对多个标签的特征集合分别利用最小二乘拟合获得温度-特征函数中的参数，将相应参数的平均值作为所述多个标签的共同温度-特征函数的参数。

相应地，本发明还提供一种基于无源RFID标签的温度测量装置，所述装置包括阅读器和主控器，所述主控器与所述阅读器进行通讯，使得所述装置能够执行前述的温度测量方法。

本发明具有以下有益效果：

对于环境的变化具有较高的鲁棒性，测量精度高；并且无需对标签和阅读器的硬件或固件进行任何修改，因此可以直接部署在现有的商用RFID设备上。

下文将结合附图对本发明具体实施例进行详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实 施例，附图中相同的附图标志标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是无源RFID标签芯片充电过程的等效电路图；

图2是无源RFID标签芯片放电过程的等效电路图；

图3是本发明一实施例提供的一种基于无源RFID标签的温度测量方法流程图；

图4是标签的逻辑内存结构；

图5是本发明又一实施例提供的一种测量标签易失性存储器失能保持时间的方法流程图；

图6是阅读器与标签的一轮通信过程；

图7是本发明又一实施例提供得一种并行测量多标签易失性存储器失能保持时间的方法流程图；

图8是本发明又一实施例提供的一种基于S1盘存标志位测量标签易失性存储器失能保持时间的方法流程图；

图9是本发明又一实施例提供的一种基于S1盘存标志位、并行测量多标签易失性存储器失能保持时间的方法流程图；

图10是本发明一实施例提供的标签单独校准进行温度测量的方法流程图；

图11是标签易失性存储器等效电路图；

图12本发明一实施例提供的多标签共同校准进行温度测量的方法流程图；

图13是单标签校准与多标签共同校准的测温误差；

图14是本发明一实施例提供的一种无源RFID标签温度测量装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

RFID系统通常包括RFID阅读器、天线和RFID标签，其中，无源RFID标 签没有任何内置电源。阅读器通过天线释放载波与一定范围内的标签通信，无源RFID标签从阅读器释放的载波中持续汲取能量，为了确保可靠和连续的运行，标签需要在其芯片中存储一些电能，这等价于一个电容电路。

如图1所示，是无源RFID标签芯片充电过程的等效电路图，其中，D为标签芯片的二极管，C为标签芯片的电容。无源RFID标签从载波持续汲取能量，对自身电容充电，充电过程完成后(电容两端电压到达额定阈值V _max)，不再从阅读器汲取电能。根据相关标准，标签的充电过程耗时小于2ms，可以认为阅读器一经打开，范围内的标签均已完成充电。如图2所示，如果此时关闭阅读器，电容两端因电势差产生电流，导致电容两端电压V随时间不断减小。在这一过程中，电容起到一个辅助电源的作用，当其电压V大于阈值V ₀时能维持标签正常运转。二极管在这一过程中对电流起到阻碍作用，使得电容维持电路工作的时间符合相关标准。

在此电路中，二极管D对于外界温度变化非常敏感。一般的，随着温度的升高，二极管内部的自由电子相应增多，使得其对于电流的阻碍作用变小，标签在放电过程中电流随之增大。这一变化导致标签断电后维持自身功能的最大时间T减小。也就是说，T值较大对应较小的放电电流，表示温度较低。T值较小对应较大的放电电流，表示温度较高。通过观测这一现象，就能利用无源RFID标签自身电路特性间接感知周围环境温度，实现温度检测。由于最大断电维持时间T只由标签硬件特性确定，与环境因素(例如通信距离，标签位置，多路径效应)无关。因而，与现有方法相比，以最大断电维持时间T作为特征的温度检测方式对于环境变化具有很强的鲁棒性。

本发明实施例提供的一种基于无源RFID标签的温度测量方法如图3所示，该方法包括：多次获取标签的电路温度特征，建立标签温度-特征对应关系；利用所述标签温度-特征对应关系及当前标签电路温度特征估计所处环境的温度；其中，所述标签电路温度特征为无源RFID标签充电完成后进行断电，所述标签在放电过程中能够正常工作的最大断电维持时间。

具体地，该方法可包括：测量标签的最大断电持续时间，并记录下对应温度值，形成特征二元组；将标签置于不同温度的环境中，重复上述过程，形成特征二元组集合；对标签特征二元组集合进行最小二乘拟合，获取温度-最大断电持 续时间对应函数；将标签置于待检测环境中，再次测量其最大断电持续时间，利用温度-最大断电持续时间对应函数计算得到环境温度。

通常，在标签电路的放电过程中，检测电路两端的电压变化可以得到放电电压曲线，进而可以得到电压V由V _max衰减到V ₀的时间，即最大断电维持时间T。然而，该方式需要使用专用检测设备，影响方法的实用性。

优选地，本发明利用标签的标志位(flag)所呈现的状态作为标签电量的参照。与非易失性存储器(例如NAND闪存、固态驱动器)不同，标签的标志位(flag)为一种易失性存储器，其需要电源来维持所存储的信息，一旦切断电源或供电电压低于阈值，存储的数据就会迅速丢失。对于无源RFID标签，关闭阅读器即切断了标签的电源，标签的电容电路开始放电，当标签的电容两端电压V<V ₀时，标签的标志位(flag)状态会回落至默认状态，因此，通过检查标志位状态的改变，就可确定出标签电路输出电压衰减至阈值V ₀的时间点，进而确定出最大断电维持时间T。标签的标志位状态可由所有商用阅读器自由调取，保证了本发明的实用性。

按照RFID标签生产标准规定，RFID标签拥有五个标志位，五个标志位由易失性存储器实现，分别为选择标志位(Selected Flag，SLFlag，SL标志位)以及四个会话域(Session)S0、S1、S2、S3所对应的四个盘存标志位(Inventoried Flag)。

下面简单介绍RFID标签的标准规范。一个标签的内部存储空间在逻辑上可划分为4个区域，分别是保留区(Reserved Memory)、EPC区(EPC Memory)、TID区(TID Memory)和用户区(User Memory)，如图4所示。

●保留区。保留区存储了标签的灭活密码和访问密码，只有在对标签执行灭活操作和加密的访问操作时用到。这一区域一共占用64比特。

●EPC区。EPC区前32比特存储标签控制信息，依次为循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)结果、协议控制字(Protocol-control，PC)、扩展性协议控制字(Extended Protocol Control，XPC)。紧接着是标签EPC号(Electronic Product Code，电子产品代码)，EPC号可由用户编程修改，用来唯一地标识一个标签。EPC长度一般为96比特，也有芯片达到128比特甚至496比特。

●TID区。TID区存储了标签的制造商信息、标签类型标识以及唯一识别码，每个标签的TID是全球唯一的。与EPC字段不同的是，该区域出厂时进行设置，并且不能再被用户修改。

●用户区。用户区提供了一块完整的逻辑空间，方便用户存储自己的信息。

除了统一的逻辑内存区域设计，每个标签都同时支持4个会话域，分别用符号S0、S1、S2、S3表示。标签在与一个阅读器的一轮通信中会使用其中一个会话域，多个阅读器可以利用不同的会话域与同一个标签在同一时刻进行通信。例如，1号阅读器利用S0会话域与标签通信的同时，2号阅读器也可以利用S1会话域与该标签通信。

每个会话域都有一个对应的盘存标志位(Inventoried Flag)来反映标签的当前盘存状态。盘存标志位的取值为A或者B，A与B的取值会受到阅读器命令的影响，随着标签的状态变化发生互换，我们称为状态翻转。每当标签完成一轮通信后，当前会话域的标志位就会翻转。标志位从A到B记为A→B，从B到A记为B→A。会话域的一个重要目的就是使得标签在与多个阅读器同时通信时可以为每个通信维护一个独立的状态(A或B)。

除了四个会话域对应的四个盘存标志位之外，每个标签还有一个特殊的位——选择标志位(Selected Flag，SL标志位)。选择标志位在功能上与其他盘存标志位类似，也存在两种对立的状态，分别用SL、～SL表示。

当标签获得能量时，S0标志位总是被置为A，其他会话域的盘存标志位状态根据阅读器的命令被初始化为A或者B，选择标志位被初始化为SL或者～SL。而当标签与阅读器完成一轮通信后，盘存标志位总会自动地翻转为相反状态，用来表示该标签已被盘存。除了标签被盘存后标志位会自动翻转之外，每个标志位还有对应的失能保持时间，也就是标签失去阅读器载波供能后还能维持自身标志位状态的时间，以盘存标志位为例，B状态需要高电平维持，当标签内部电量耗尽时，标志位将初始化为A状态，从标签失能开始至盘存标志位状态B→A的时间跨度即为失能保持时间，各具体数值如表1所示。标签在失能后一旦过了对应的保持时间，标志位便会回落到默认状态，盘存标志位的默认状态是A，选择标志位的默认状态是SL。

表1

由表1可以看出，S2盘存标志位、S3盘存标志位以及SL选择标志位的失能保持时间大于2s，S1盘存标志位的持续时间在500ms与5s之间，而S0没有失能保持时间(即始终保持A状态)。因此，通过测量S1盘存标志位、S2盘存标志位、S3盘存标志位以及SL选择标志位的失能保持时间就可以获取标签的最大断电维持时间T。具体地，可以将S1盘存标志位、S2盘存标志位或S3盘存标志位设置为B状态，在标签失能后观测盘存标志位由B到A的转变；或者将把SL选择标志位设置为～SL状态，在标签失能后观测SL选择标志位由～SL到SL的转变。

如图5所示，本发明另一实施例进一步提供了测量标签易失性存储器的失能保持时间的方法，包括以下步骤：

阅读器在标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持(即需要供电进行维持)；关闭阅读器，并在等待时间t后查询易失性存储器的数据，若数据改变，则将当前的等待时间作为易失性存储器的失能保持时间；若数据未改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回写入数据的操作，直至获取数据改变所对应的等待时间。

阅读器在标签的易失性存储器中写入数据以及查询易失性存储器的数据，这些操作均是通过阅读器与标签之间的通讯实现的。下面介绍阅读器与标签的通讯规范。

阅读器与标签的一次完整通信过程称为一轮(Cycle),每一轮中阅读器会根据要求首先从所有标签组成的集合中选出目标标签集合，并只和目标标签集合通信，获得标签的电子产品代码EPC等基本信息。进一步地，阅读器还能对标签执行读取、写入等复杂操作。

每一轮的通信由三个阶段组成：选择阶段(Select)、盘存阶段(Inventory)、 访问阶段(Access)。在每个阶段阅读器发送对应命令，标签根据自己的状态回复阅读器的命令做出应答。图6展示了阅读器与标签之间典型的一轮通信过程，下面介绍与本发明相关度高的选择阶段和盘存阶段。

(1)选择阶段

选择阶段是阅读器与标签一轮通信的第一阶段。在该阶段，阅读器的目标是将标签集合分为两类，匹配标签集合和不匹配标签集合。结合盘存阶段的相关命令，最终选出目标标签集合，这些标签将会参与到盘存阶段与阅读器的交互，而那些没有被选中的标签在之后的阶段保持静默状态，不会响应任何命令。

选择阶段只有Select这一条强制命令，所有的阅读器都必须实现该命令。Select命令的结构如表2所示。

表2

Select命令一共有七个域，以下介绍与本发明相关度高的六个域：

■内存区、指针、长度、掩码

如何选出匹配的目标标签集合由内存区(MemBank)、指针(Pointer)、长度(Length)、掩码(Mask)四个域共同决定。Select命令中的内存区指定了进行比较的逻辑内存区域，命令中允许的区域可以是EPC区、TID区和用户区；指针指向比较区域的起始位置；长度则规定了进行比较的比特串的位数。内存区、指针和长度三者能够唯一确定标签的一块内存区域，例如，(MemBank＝01 ₂，Pointer＝32，Length＝96)表示选定EPC区、从该内存区域的第32位开始(也就是EPC区中EPC字段的起始位置)、长度为96位的内存区域。若选定内存区域的内容与命令中的掩码值(Mask)完全一致，则标签匹配，否则标签不匹配。

■目标域、动作域

在选出掩码匹配的目标标签集合(同时也选出了不匹配的标签集合)之后， 目标域(Target)和动作域(Action)共同指定了要对标签集合执行的动作。Select命令中的目标域指定了阅读器在通信中要使用的会话域。例如，Target＝010 ₂表示阅读器选定了S2会话域。除了四个会话域，阅读器也可以使用额外的选择标志位SL。

动作域代表了要对目标标志位执行的动作，具体的内容见表3，其中定义了8种操作。例如，当Target＝010 ₂，Action＝000 ₂时，掩码匹配的标签集合会将自己的S2盘存标志位置为A，掩码不匹配的标签集合会将自己的S2盘存标志位置为B；当Target＝100 ₂，Action＝000 ₂时，掩码匹配的集合将自己的选择标志位置为SL，不匹配的集合会将选择标志位置为～SL；以上动作用符号表示为AB。

表3

综上所述，通过内存区、指针、长度、掩码、目标域、动作域这六个字段的共同控制，阅读器可以将标签集合分成了两类，两类标签执行不同的动作。

(2)盘存阶段

阅读器在选择阶段主要做两个工作，一是根据掩码是否匹配将标签集合分为两类，二是通过指定动作设置两类标签标志位的状态。在Select命令之后，阅读器持续发射载波为标签提供能量，为进入盘存阶段做准备。

盘存阶段包含五条命令：Query、QueryAdjust、QueryRep、ACK、NAK，这些命令都是强制命令。在盘存阶段中，阅读器与标签进行通信，获得目标标签集合中所有标签的EPC信息，我们称为盘存。盘存后，标签的盘存标志位会发生 翻转。也就是说，在一轮盘存阶段中，标签至多被盘存一次。

盘存阶段的典型流程如图6所示，阅读器首先发送Query命令，目标标签收到命令后通过反向散射的方式返回一个RN16随机数。阅读器收到标签应答后发送ACK命令，该命令中带有相同的RN16，通知标签开始传输数据。标签收到有效确认后，将自己的PC、EPC、CRC信息发送给阅读器。通过以上流程，阅读器顺利获得了标签的信息。

Query命令意味着新一轮盘存阶段的开始。完整的Query命令一共有八个域，除了规定标签应答需要遵循的物理层信息，还最终决定哪些标签将参与应答。以下介绍与本发明相关度高的三个域：

■Sel域、会话域、目标域

在Select命令的基础上，选择域(Sel)、会话域(Session)、目标域(Target)三者共同确定了真正参与应答的目标标签集合。Query命令中的会话域(Session)与Select命令中的目标域(Target)总是保持一致，表明阅读器与标签在该轮通信使用的会话域，取值是S0、S1、S2或S3。Query命令中的选择域(Sel)表明目标标签集合应有的选择标志位的状态，例如，Sel＝00 ₂表示选择标志位为SL或者～SL的标签都有机会参与应答，Sel＝11 ₂表示只有选择标志位状态为SL的标签才有可能参与应答。与选择域(Sel)类似，Query命令中的目标域(Target)对标签的会话域标志位做了进一步的选择，例如，Target＝1 ₂表示只有会话域盘存标志位为B的标签才有可能参与应答。总的来说，只有同时匹配Query命令中选择域与目标域的标签才能参与接下来的盘存，各个域的取值如表4所示。

表4

综上所述，只有结合Select命令和Query命令，才能真正地选出参与应答的目标标签集合，而剩下的标签将会在盘存阶段保持静默状态。

下面具体介绍基于Select命令与Query命令实现本发明方案的例子。

后面采用如下格式编写Select命令：

以S1盘存标志位为例(S2盘存标志位、S3盘存标志位以及SL选择标志位可以类似的方式操作，仅使用的命令略有不同，不再赘述)，阅读器广播以下内容的Select选择命令，使EPC号为id的标签将S1盘存标记位设置为B，其他标签将S1盘存标记位设置为A：

Flag←BA：S(1，4，1，32，96，id)， (2)

由于标签的充电时间应不超过2ms，这比广播Select命令的时间段(约20ms)要短得多，换句话说，一旦执行了(2)中的Select命令，目标标签的盘存标记位被设置为B，而标签电容也充满电。

之后，通过关闭阅读器使标签进入放电过程。在经过等待时间t后，阅读器广播Query查询命令以检查是否存在S1盘存标记位为B的标签。Query查询命令如下：

Query B：Q(Session＝1，Target＝1，Sel＝0). (3)

如果有标签答复，则意味着该标签的失能保持时间比t长。在这种情况下，需要将t增加一小步Δt，然后再次重复上述选择、查询过程，直至没有标签应答(意味着电量用完，标签的盘存标志位已变为A)，将此时的等待时间作为标签S1盘存标记位失能保持时间的测量值。

对于会话域S1，由于失能保持时间限制在500ms至5s之间，因此，可以将t初始化为500ms，并逐渐增加一个步长Δt，直到没有标签应答为止。步长Δt的选择需要平衡检测精度和检测效率，小的Δt会增加尝试次数，导致获取单个标签温度特征的时间增加，但是可以提高检测精度，大的Δt提高了检测效率，但检测精度会有所降低。在实际使用中，用户可以根据需求对Δt的值进行修改。

前面这一例子实现了阅读器范围内单个标签失能保持时间的获取。在实际情况下，通常需要一次验证多个标签。一种直观的解决方案是依次对每个标签进行特征获取，这是可行的，但效率低下，其中，广播Select选择和执行Query查询操作仅需要几毫秒，大多数时间开销来自尝试等待时间t。如果让多个标签同时 等待，执行时间将急剧下降，因此，为了提高温度检测的效率，对于多标签的情况采用并行处理的方式。

如图7所示，提供一种并行测量多标签失能保持时间的方法，包括以下步骤：

阅读器在多个目标标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；

关闭阅读器，并在等待时间t后查询易失性存储器的数据，若存在标签的数据第一次改变，则将当前的等待时间作为相应标签的易失性存储器的失能保持时间，若无标签的数据改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作；

若尚有标签的数据未改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作，直至获取所有目标标签的易失性存储器的失能保持时间。

以盘存标志位为例，首先将所有目标标签的盘存标志位设置为状态B，而不是一次单独处理一个标签；之后，这些目标标签进入放电过程，能量逐渐消耗；在等待时间t后，查询盘存标记位为B的标签，如果标签不应答，则其失能保持时间为当前的等待时间t(若在前面的过程中已经获取某个标签的失能保持时间，则对于更长的等待时间t，该标签自然也不会应答，但此时并不将该等待时间t作为该标签的失能保持时间，而仅将该标签第一次不应答时所对应的等待时间作为该标签的失能保持时间，这应是容易理解的)；更新等待时间t，重复此过程，直到测量了所有目标标签。

这种方式使得标签长时间的放电过程并行执行，节省了大量时间开销。实验表明，假设需要对10个标签进行测量，此方式可以消除大约90％的等待时间。

具体地，假设有n个标签，其中m个标签是目标标签，可以通过m个select命令将这m个标签从整个标签集中分离：

首先，使用Action＝BA来设置第一个标签t ₁，即t ₁的S2盘存标志位设为B，而其他标签设为A；而后，对于第i个标签t _i，Action设置为B-，此操作将标签t _i的S2盘存标志位设为B，但不会改变其他标签的设置。

前面所描述的测量方式需要不断调整等待时间t、重复选择-查询的操作，这一过程比较耗时。例如，假设标签的失能保持时间为3s，将等待时间t初始化为 0.5s，采用0.1s的步长，则前述方法需要迭代尝试0.5s，0.6s，0.7s，…，3.0s，对所有的等待时间进行求和为45.5s。对于某些没有实时要求的应用来说，这是可接受的，但在实时性要求高的场合，此时间太长，无法满足使用需要。

时间效率低的根本原因在于，更新了等待时间t后，需要重置所有标签并尝试新的等待时间。如果只需要在一个等待时间窗口内进行测量，则效率将得到极大改善。经过广泛的实验，发现query命令不会在会话域S1中对标签充电，换句话说，在放电过程中，对标签进行查询后能够继续查询标签，而无需重置标签并关闭阅读器。

如图8所示，提供另一种测量标签失能保持时间的方法，包括以下步骤：

阅读器在标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；

阅读器持续查询易失性存储器的数据，直至数据发生改变，则将等待数据改变的等待时间作为易失性存储器的失能保持时间；

其中，所述易失性存储器为S1盘存标志位。

具体地，可以如下测量标签t ₁的持续时间：首先，阅读器广播式(2)中的Select命令，以将标签t ₁的S1盘存标志位设为B；而后，标签开始放电过程，阅读器查询S1盘存标志位为A的标签，查询命令是：

Query A:Q(Session＝1,Target＝0,Sel＝0) (5)

放电过程中，起初内部电容供能使S1盘存标志位保持为B，阅读器无法从标签t ₁得到任何响应；当电量太低而无法保持易失性存储器的信息时，S1盘存标志位将回落至初始状态A，这时，由于阅读器不断查询S1盘存标志位为A的标签，因此满足此条件的标签t ₁将应答阅读器，从放电开始到标签应答的时间跨度即为标签t ₁的S1盘存标志位的失能保持时间。

显然，这种方式无需尝试不同的等待时间，只在一个时间窗口内测量失能保持时间，从而节省了大量开销。例如，假设上述标签具有3s的失能保持时间，与前面的方式相比，这种方式带来了巨大的性能改进，将等待时间从45.5s减少到只有3s。

在响应阅读器之后，根据标准规范的规则，标签将其S1盘存标志位从A翻转为B，同时电容充满电。通过使阅读器继续查询A，标签将在另一个失能保持时间后应答，因此，如果需要多个失能保持时间的测量值，只需要记录标签相邻 两个应答之间的时间间隔即可。实际上，也可以通过删除select命令来简化测量方法，即，阅读器直接进入盘存阶段。

此外，这种测量方式也可以轻松扩展到多标签情况，如图9所示，提供一种基于S1盘存标志位、并行测量多标签的失能保持时间的方法，包括以下步骤：

阅读器在多个目标标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；

阅读器持续查询易失性存储器的数据，若存在标签的数据改变，则将当前的等待时间作为相应标签的易失性存储器的失能保持时间，直至获取所有目标标签的易失性存储器的失能保持时间；

其中，所述易失性存储器为S1盘存标志位。

多标签同时测量面临的最主要挑战为标签之间的信道竞争。当目标标签数目较少时(数目小于10)，商用阅读器较高的采样频率能够支持同时测量每个标签的失能保持时间。但是当阅读器检测标签数目过多(数目大于10)，标签之间的信道竞争会导致其回复时间晚于实际S1盘存标志位失能时间，造成测量误差。为了克服这一问题，本发明通过将大标签集合切分为多个包含少量标签的子集、在每个子集上分别进行测量的方法来缓解信道竞争对并行测量的影响。

具体地，假设标签的集合τ， 是τ的一个未测量标签子集，用τ-τ’表示标签集τ中待测量子集以外的标签集；当使用select命令将τ’中标签的S1盘存标志位设为B、τ-τ’中标签的S1盘存标志位设为A时，后续阅读器查询S1盘存标志位为A的标签，τ-τ’中的标签将参与应答，从而τ’中标签的应答将无法及时被阅读器获取。最初将τ-τ’中标签的S1盘存标志位设为B也不起作用，因为当这些标签的S1盘存标志位回落至A时同样会参与应答。为了解决该问题，可以结合使用S1盘存标志位和选择标志位SL，以消除τ-τ’中标签的干扰。具体方式如下：阅读器从标签集合τ中选择一个未测量标签子集τ’，将τ’中标签的选择标志位设置为SL，而τ-τ’中标签的选择标志位设置为～SL；在盘存阶段，仅让带有SL标志的标签参与应答。

通过这种方式，即使τ-τ’中标签的S1盘存标志位为A，也必须对查询S1盘存标志位为A的标签的命令保持沉默。具体地，假定τ’＝{t ₁，t ₂，…，t _m}。阅读器广播select选择命令，如下所示：

首先将标签t ₁的选择标志位设为SL，而其他标签设为～SL；而后，对于第i个标签t _i，将选择标志位设为SL，但不会改变其他标签的设置。从而，τ’中标签的选择标志位设为SL，而τ-τ’中标签的选择标志位设为～SL。

之后，使用query命令进入盘存阶段：

Query A&SL：Q(1，Target＝0，Sel＝3)， (7)

阅读器查询S1盘存标志位为A的标签，且仅选择标志位为SL的标签参与应答，在这种情况下，只有τ’中的标签才有机会应答。对于任何目标标签，通过记录两个相邻应答之间的时间间隔，作为该标签S1盘存标志位的失能保持时间。

重复上述过程，阅读器不断选择新的未测量标签子集τ’进行测量，直到τ中所有标签的S1盘存标志位的失能保持时间都被找到。

通过上述方式，可以同时测量一个标签或多个标签的S1盘存标志位的失能保持时间，改进方法的时间效率。

目前已经给出如何得到标签的最大断电维持时间T，下面给出如何使用T进行温度测量。

如图10所示，提供一种基于最小二乘拟合获取温度-最大断电维持时间特征函数进而进行温度测量的方法，包括以下步骤：

测量标签在不同温度下的最大断电维持时间，与温度组成温度-最大断电维持时间特征二元组集合；

对所述温度-最大断电维持时间特征二元组集合使用最小二乘法求解得到标签温度-最大断电维持时间特征函数；

将标签置于待检测环境中，测量其最大断电维持时间，结合其温度-最大断电维持时间特征函数，得到对应环境的温度。

具体地，RFID标签的工作区间为-40℃到85℃。根据需求可选取其中任意范围作为温度检测区间。一般的，以0℃到85℃为例，以Δk为步长测量其最大断电持续时间。假设步长Δk为5℃，则依次测量标签在0℃,5℃,…,85℃下的最大断电维持时间，与温度组成特征二元组。需要指出，选取较小的步长可以改善 模型精度但会增加所需的尝试次数，在实际情况下可以根据需求调整。

得到标签的特征二元组集合之后，本发明结合标签电路获得最大断电维持时间T和温度k之间的函数关系。本发明通过标签盘存标记位来检测标签最大断电维持时间，图11给出了RFID标签盘存标记位(flag)的等效电路图。该等效电路由两部分组成，包括一个充电电路和一个放电电路。当阅读器给电路充能时，开关S ₂断开，S ₁闭合。外接电路通过充电电路对电容充电，使其两端电压达到最大值V _max。当放电过程开始后开关S ₂闭合。标签电路在电势差的作用下产生放电电流。其中一部分为通过二极管D，记为I ₁。如前文所述，电流I ₁与温度相关，其值一般每c℃乘以2，可表示为 其中k为当前温度以摄氏度为单位，I ₀为0℃对应的电流大小。I ₂为固定电流，用以控制盘存标志位的失能保持时间符合协议标准。根据以上模型，标签的最大断电维持时间T可表示为：

其中Q为电容两端的电荷，C为电容的电容值，V _in为电路的输入电压。进行一系列等式变换，公式可进一步表示为：

其中，参数 参数 参数a，b，c为标签硬件相关的变量，可以通过最小二乘法或遗传算法等优化方法拟合上述特征二元组得到。以最小二乘法为例，假设通过多次试验，已经获得目标标签n个特征二元组{(T ₁,k ₁),(T ₂,k ₂),…,(T _n,k _n)}，其中(T _i,k _i)表示在温度k _i下采集的最大断电持续时间为T _i,1≤i≤n。则参数a，b，c可以通过求解下面的最小二乘问题得到：

求解该问题可以得到使采集数据与理论函数差异最小的参数a，b，c。使用这些参数可得到如下温度求解公式：

将实际场景下采集的最大断电持续时间T代入即可估计标签所处环境的温 度，最终达到设计功能。

除了最小二乘法，当然也可以采用其他的拟合方式，在此不再赘述。

对于每个标签分别求解参数需要较多的尝试次数。本发明提出一种粗粒度的方式，牺牲一定精度以节约校准(求解参数a，b，c)所需要的时间。实验发现同一型号的不同标签因结构与生产工艺相似，同温度下的最大断电持续时间非常相似。因而可以通过少量标签求得温度-最大断电持续时间特征函数，为其他同型号标签使用。

如图12所示，提供一种基于多标签共同温度-最大断电持续时间特征函数的测温方法，包括以下步骤：

对同一型号的若干标签多次获取最大断电维持时间，与温度组成特征二元组；

对每个标签的特征二元组集合，分别使用最小二乘法求解得到参数a，b，c；

将所有标签的a，b，c三个参数分别求和平均得到共同参数a'，b'，c'，用于构建共同温度-最大断电持续时间特征函数；

将标签置于待检测环境中，使用共同温度-最大断电持续时间特征函数和最大断电持续时间，得到对应的环境温度。

还可以先合并多个标签的特征集合，再拟合获得多个标签的共同温度-特征函数。

这两种方式可以缩短标签校准过程，但是因为未考虑标签之间的硬件差异性，会导致一定的精度下降。图13比较了单独校准和共同校准两种方式在0℃到80℃之间的温度检测误差。可以看到当检测温度高于30℃时共同校准也有着较高的检测精度。当温度低于30℃时，单独校准的精度显著高于共同校准。因此，在实际情况下需要根据测温范围和精度需求灵活选取合适的校准方式。

如图14所示，是本发明提供的一种基于无源RFID标签的温度测量装置的示意图，该装置包括阅读器和主控器，主控器能够与阅读器进行通讯，从而实现前面所描述的温度测量方法。

主控器可以采用笔记本电脑或台式电脑等计算机系统，在主控器中例如采用Java作为开发软件来实现控制程序及用户界面的开发，主控器具体可采用相关标准中所指定的低级读取器协议(Low Level Reader Protocol，LLRP)与阅读器进行通信。

由此可见，本发明的温度测量方法无需对标签及阅读器的硬件或固件进行任何修改，只需利用带有相关温度测量程序的主控器与阅读器进行通讯即可。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (11)

1. 一种基于无源RFID标签的温度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

   多次获取标签的电路温度特征，建立标签温度-特征对应关系；

   利用所述标签温度-特征对应关系及当前标签电路温度特征估计所处环境的温度；

   其中，所述标签电路温度特征为无源RFID标签充电完成后进行断电，所述标签在放电过程中能够正常工作的最大断电维持时间。
2. 根据权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于，所述多次获取标签的电路温度特征，建立标签温度-特征对应关系包括：

   将标签置于不同温度的环境中，测量并记录与温度对应的最大断电维持时间，与温度值组成特征二元组，形成所述标签的特征集合；

   对所述标签的特征集合进行拟合，获得温度-特征对应关系。
3. 根据权利要求1或2所述的温度测量方法，其特征在于，所述最大断电维持时间通过测量所述标签的易失性存储器的失能保持时间来确定。
4. 根据权利要求3所述的温度测量方法，其特征在于，测量所述失能保持时间的方法包括以下步骤：

   阅读器在标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；

   关闭阅读器，并在等待时间t后查询易失性存储器的数据，若数据改变，则将当前的等待时间作为易失性存储器的失能保持时间；若数据未改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作，直至获取数据改变所对应的等待时间。
5. 根据权利要3所述的温度测量方法，其特征在于，测量所述失能保持时间的方法包括以下步骤：

   阅读器在多个目标标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；

   关闭阅读器，并在等待时间t后查询易失性存储器的数据，若存在标签的数据第一次改变，则将当前的等待时间作为相应标签的易失性存储器的失能保持时间，若无标签的数据改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作；

   若尚有标签的数据未改变，则以步长Δt更新等待时间t，返回所述写入数据的操作，直至获取所有目标标签的易失性存储器的失能保持时间。
6. 根据权利要求3所述的温度方法，其特征在于，测量所述失能保持时间的方法包括以下步骤：

   阅读器在标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；

   阅读器持续查询易失性存储器的数据，直至数据发生改变，则将等待数据改变的等待时间作为易失性存储器的失能保持时间；

   其中，所述易失性存储器为S1盘存标志位。
7. 根据权利要求3所述的温度测量方法，其特征在于，测量所述失能保持时间的方法包括以下步骤：

   阅读器在多个目标标签的易失性存储器中写入数据，所述数据需要充能保持；

   阅读器持续查询易失性存储器的数据，若存在标签的数据改变，则将当前的等待时间作为相应标签的易失性存储器的失能保持时间，直至获取所有目标标签的易失性存储器的失能保持时间；

   其中，所述易失性存储器为S1盘存标志位。
8. 根据权利要求7所述的温度测量方法，其特征在于，所述多个目标标签为阅读器读取范围内的目标标签集合的一个未测量标签子集，阅读器多次选取新的未测量标签子集进行测量，直至阅读器读取范围内所有目标标签的失能保持时间都被测量。
9. 根据权利要求2所述的温度测量方法，其特征在于，对标签的特征集合利用最小二乘拟合获得温度-特征函数。
10. 根据权利要求2所述的温度测量方法，其特征在于，合并多个标签的特征集合，拟合获得所述多个标签的共同温度-特征函数；或者，

    对多个标签的特征集合分别利用最小二乘拟合获得温度-特征函数中的参数，将相应参数的平均值作为所述多个标签的共同温度-特征函数的参数。
11. 一种基于无源RFID标签的温度测量装置，其特征在于，所述装置包括阅读器和主控器，所述主控器与所述阅读器进行通讯，使得所述装置执行权利要求1-10任一项所述的温度测量方法。