基于 RFID 技術的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1、基于 RFID 技術的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計摘 要：本設計基于集成溫度傳感器的主動式有源 RFID 電子標簽，來解決醫(yī)院檢驗科冰箱的溫度監(jiān)測問題。簡要論述了溫度監(jiān)測系統(tǒng)的架構圖和電子標簽的硬件結構。箱體溫度由集成的傳感器探測到，通過無線射頻傳送給主機進行實時顯示。通過對連續(xù)溫度變化的分析，我們可以判斷箱體溫度以及冰箱是否工作正常。 關鍵詞：RFID，溫度監(jiān)測0 前言大型三甲醫(yī)院檢驗中心通常都有大量的冷庫、冰箱、超低溫冰箱用來保存樣品、試劑。準確可靠的檢測結果，需要大量合格的試劑保證。試劑的保存需要合適的冰箱溫度。一旦溫度失控，將導致試劑的失效，從而影響檢測結果的可靠性。因此，檢測結果的質量控制

2、就必然要求對冰箱溫度的監(jiān)測。國家實驗室認可委執(zhí)行的 ISO15189 標準，明確規(guī)定，存儲試劑、以及孵育的箱體溫度必須連續(xù)監(jiān)測。 目前，通常的溫度監(jiān)測有兩種類型，普通紙質記錄與電子式記錄器。普通紙質記錄，每一個小時記錄一次，需要專人負責記錄。由于冰箱數(shù)量多，比如 30 臺，每臺半分鐘的話，也需要 15 分鐘。人工操作耗時耗力，工作量大，而且容易遺漏。紙質記錄，不易保存，在目前辦公電子化的環(huán)境下，后期的數(shù)據(jù)處理工作量也較大。電子式記錄器，目前電子式記錄器通常都是放置于箱體內(nèi)，記錄溫度以后，把記錄器拿出箱體，讀取數(shù)據(jù)。只能對單個箱體進行記錄，而且這是事后監(jiān)測，在使用過程中，如果溫度出現(xiàn)波動，無法及

3、時干預。1 研究目的通過分析現(xiàn)有溫度監(jiān)測手段的缺點，以及臨床的實際需求，理想的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，應該是實時的、連續(xù)的、多臺同時監(jiān)測、自動數(shù)字化的并具有溫度異常自動報警功能。實時連續(xù)監(jiān)測多臺箱體的溫度，并把數(shù)據(jù)傳回計算機系統(tǒng)，若出現(xiàn)異常情況，自動報警，方便工作人員及時干預。2 技術背景介紹本設計采用基于集成溫度傳感器的主動式RFID電子標簽，來解決溫度測量、信號發(fā)送的問題，后端的軟件系統(tǒng)解決溫度異常報警、溫度數(shù)據(jù)存儲處理的問題。這樣就較好的完成了本設計所要解決的問題。2.1 RFID簡介射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）技術，是一種利用射頻通信實現(xiàn)的

4、非接觸式自動識別技術。RFID標簽（俗稱電子標簽）具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。RFID技術與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術相結合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。RFID技術應用于物流、制造、公共信息服務等行業(yè)，可大幅提高管理與運作效率，降低成本。目前，RFID在工業(yè)領域應用更廣泛。沃爾瑪超市就要求全球上萬家供應商全面啟用電子標簽代替?zhèn)鹘y(tǒng)的條形碼。上海世博會門票也采用了電子標簽，電子標簽的快速讀寫能力使每天幾十萬的游客在有限的幾個入口順利入園。高速公路ETC通道的廣泛應用，也將會使高速公路出入口的通行能力大幅提升，

5、常見的收費站排隊現(xiàn)象也會消失。2.2 RFID的基本元件標簽，主要負責存儲標簽的ID 號。標簽可以做成各種形式，卡式、紐扣式、手環(huán)式等各種封裝類型。標簽分為2類，被動式和主動式。被動式標簽只有在讀寫器發(fā)送射頻信號后，天線獲得能量，然后把自己的ID號發(fā)送回給讀寫器。主動式標簽，也稱有源標簽，集成了電源，通常是電池，能按照預設的時間間隔主動發(fā)送自己的ID號給讀寫器。隨著封裝技術的成熟，現(xiàn)在大量的傳感器可以封裝在標簽里。比如集成溫度傳感器的主動式有源標簽，溫度傳感器負責環(huán)境溫度的測量，傳感器把測量到的溫度數(shù)據(jù)通過標簽的天線發(fā)送出去，由讀寫器接收1。目前，集成溫度傳感器的無源電子標簽已經(jīng)設計出來2。但

6、在技術成熟度，商品化方面仍待完善。技術參數(shù)方面，尤其是測溫方面，測溫范圍-10120，測溫精度±2，不符合我們的使用要求，因此，不采用無源電子標簽。讀寫器，負責讀寫電子標簽上的資料。它通過射頻無接觸的讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體及數(shù)據(jù)的目的。讀寫器通常通過RS232串口與主機連接，或使用WLAN技術進行數(shù)據(jù)傳送，所讀取的標簽信息被傳送到主機后進一步處理。天線，負責無線電訊號的感應，在標簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。3 系統(tǒng)架構與設計在硬件結構上，本系統(tǒng)由集成溫度傳感器的有源電子標簽、讀寫器、計算機組成。系統(tǒng)硬件架構如下圖所示。電子標簽放置于冰箱內(nèi)，一個電子

7、標簽監(jiān)測一臺冰箱。由于箱體內(nèi)部溫度并不均勻，因此選擇溫度最高的位置放置，通常為靠近門側處。如果是重點監(jiān)測對象，也可放置多塊標簽以達到全面監(jiān)測的目的。下面將介紹本設計的重點部分。3.1 集成溫度傳感器的有源電子標簽在硬件結構上，電子標簽主要由射頻芯片與溫度傳感器組成。由于技術成熟度比較高，選擇CC2430芯片與DS18B20溫度傳感器。電子標簽硬件結構圖如下圖所示。CC2430包含了1個高性能2.4 GHz的直接序列擴頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級小巧高效的8051控制器，在單個芯片上整合了射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器，它

8、具有3引腳TO92小封裝體積，其不銹鋼外殼封裝形式可以防水防潮，適合惡劣的現(xiàn)場溫度檢測，其溫度測量范圍為-55+125，測溫分辨率可達0.5。除部分工作溫度在-80超低溫冰箱外，大部分的冰箱溫度都在其測量范圍內(nèi)。因此，對監(jiān)測對象的全覆蓋，仍有待新型小型溫度傳感器的出現(xiàn)。當電子標簽上電后，首先對無線射頻模塊及傳感器進行初始化，然后微控制器把傳感器定時采集到的溫度數(shù)據(jù)通過通信接口發(fā)送給射頻芯片，射頻芯片再通過發(fā)射模式把標簽的ID號與溫度信號發(fā)送給讀寫器，讀寫器通過串口發(fā)送給上位機進行實時顯示。3.2 結果的后處理結果的顯示，可以以數(shù)據(jù)表格的形式體現(xiàn)，也可以以曲線圖的形式體現(xiàn)。由于RFID技術能實時

9、識別多個標簽，一般能同時識別100個，因此，一個箱體放置一個標簽，即可以實現(xiàn)對該箱體的溫度監(jiān)測。箱體的增減，通過取放標簽以及軟件內(nèi)標簽對應箱體的編號就可以實現(xiàn)，因此使用極其方便。軟件系統(tǒng)還需要對結果的分析，以達到自動報警的功能。上表為模擬的結果顯示。從表中，可以看出1#冰箱，8點上班前，為-20，工作正常；上班后，隨著工作人員取放試劑，箱體溫度變高，但仍維持在設定溫度附近。因此，該冰箱工作正常。2#冰箱，8點上班前，溫度已達到11，超過通常設定的4-10的正常范圍，但上班時間內(nèi)，溫度波動范圍小。由此推斷該冰箱有制冷能力，但制冷能力已經(jīng)無法達到正常值，因此需要通知維修人員進行維修。3#冰箱，8點

10、上班前，溫度4，在正常范圍內(nèi)，但上班時間內(nèi)，溫度超過設定值，并維持在一個溫度附近。通常，冰箱不會突然損壞，因此很有可能是使用者在使用過程中沒有關好冰箱門，導致超溫。這種情況就應該先進行自查，排除這個因素后，溫度仍然無法達到設定值，再通知維修人員進行維修。4 總結RFID芯片與溫度傳感器的集成，是本設計的基礎。目前，市場上成熟的集成溫度傳感器的有源電子標簽商品逐步增多，可根據(jù)具體的實際要求進行選擇。本系統(tǒng)可以遷移到其他類型的溫度監(jiān)測上，比如病人體溫的采集，但溫度傳感器的測溫精度就要求更高，必須達到0.1才能符合使用要求。附錄托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項目。浙江托普儀

11、器是國內(nèi)領先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領域的研發(fā)實力，和自主研發(fā)的配套設備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術、計算機技術、GIS信息技術，以及物聯(lián)網(wǎng)技術，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處

12、理網(wǎng)絡）、應用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠程控制異地園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風機，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實時生長狀況。4、預警模塊：即遠程植保預警系統(tǒng)

13、。可以通過聲光報警、短信報警、語音報警等方式進行預警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實施實時信息自動記錄，有據(jù)可查，在儲藏、運輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術對各個階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實現(xiàn)消費者拿到農(nóng)產(chǎn)品時通過終端設備或網(wǎng)絡就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對整個區(qū)域情況進行監(jiān)測，包括各個區(qū)域采集點參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實時視頻圖像、施肥噴藥狀況、報警信息等。參考文獻 1 張欣 露，吳勇 ，等 .集成溫度傳感 器的有源 電子標簽 設計 J,微 型機與應用,2010,29(3):29-34 2 沈紅偉,李力南,陳國華.集成溫度傳感器的超高頻無源電子標簽芯片設計,微電子學與計算機,2008,25(4):192-195 3 陳得民.CC2430 與 DS18B20 的糧庫溫度傳感器網(wǎng)絡設