基于射頻技術的無線智能傳感標簽設計*

張世輝，李 松，陳 碩，翁雪濤

(1.武漢理工大學 物流工程學院，湖北 武漢430063;2.海軍工程大學 船舶振動噪聲國家重點實驗室，湖北 武漢430033)

0 引 言

現代物流倉儲行業的迅猛發展，使物流倉儲自動化程度越來越高，為保證物流倉儲作業的效率、準確率，降低錯誤操作帶來的損失，作業中貨物各方面信息的采集和及時反饋就顯得格外重要。傳統的標簽只標記了貨物的基本信息，而現有的傳感標簽不能很好地及時反饋信息，Zig Bee，WiFi 等傳感監控技術存在結構復雜、功耗大等問題。而射頻識別技術具有環境適應性強、能夠穿透非金屬材質、數據存儲量大、抗干擾能力強等突出優點［1～4］。

近幾年，隨著射頻識別(RFID)和EPC(electronic product code)標準的發展，RFID 結合傳感技術也得到越來越多的關注。在智能包裝中，結合了傳感器的標簽得到了應用，不僅可以讀取貨物的數量，而且可以獲取環境信息。這些都得益于RFID 無源微型芯片可以將編碼信息通過集成的應答器傳送給閱讀器，同時標簽也可以保存信息［5］。被動無源的UHF RFID 標簽和傳感器的創新結合，可以將RFID 的應用延伸到環境監測、食品質量監測、健康情況監測等新型領域［6］。

本文設計的射頻智能傳感標簽是一種基于Arduino 的具有傳感信息采集、信息提示的特高頻(UHF)智能傳感標簽，符合EPCglobal 射頻識別協議第1 類第2 代UHF RFID 860 ～960 MHz 通信協議。標簽可以實時采集溫濕度和運動姿態數據并儲存，并上傳到上位機進行可視化監控。上位機也可以發送指令控制傳感標簽的信息顯示單元，提示相應物流操作。實驗結果驗證了該標簽的有效性。

1 系統硬件設計

本文設計的UHF 智能傳感標簽結構如圖1 所示。系統微控制器采用低功耗單片機ATmega 328P;標簽芯片采用UCODE I2C 系列的無源UHF 電子標簽芯片，被動無源RFID芯片可以大幅降低傳感標簽的功耗。傳感單元采用高精度溫濕度傳感器SHT10，可以同時采集溫度和濕度信息，MPU6050 可以采集物體的運動姿態信息;信息顯示單元采用一個LED 燈為例，上位機發送不同指令可以控制燈的狀態;電源單元為傳感標簽各模塊供電，采用3.7 V 可循環充電鋰電池。

圖1 智能傳感標簽結構框圖Fig 1 Structure block diagram of smart sensing tag

1.1 PCB 天線設計與仿真

天線采用PCB 印制天線，形狀和尺寸參考RFID 芯片制造商設計手冊進行設計［7］，如圖2。標簽芯片阻抗為(12.7－j199)Ω，經過HFSS 建模仿真，天線在915 MHz 時的回波損耗大約為－21 dB 小于－10 dB，仿真結果顯示天線有較寬帶寬和較高的輻射效率。回波損耗仿真結果如圖3。

圖2 PCB 天線制版Fig 2 PCB antenna platemaking

圖3 回波損耗仿真結果Fig 3 Simulation result of return loss

1.2 電路設計

電路原理圖如圖4 所示，因為采用了集成EEPROM 和I2C 功能的無源標簽芯片，較以往的傳感標簽，電路復雜程度減小，體積也減小。

微控制器選擇型號為ATmega 328P 的8 位高性能、超低功耗AVR 系列單片機。工作電流在主動模式下低至0.2 mA，省電模式下低至0.75 μA，同時具有I2C，SPI 和UART 接口［8］。標簽芯片選擇NXP 公司UCODE 系列的無源智能標簽芯片，被動無源的RFID 芯片不需要為其提供電源就可以和讀寫器進行通信，極大降低傳感標簽的功耗［9］，且具有I2C 接口。傳感單元選擇SHT10 溫濕度傳感器，體積微小、功耗極低、響應迅速、抗干擾能力強，外圍電路簡單。MPU6050 運動傳感器內部集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀，實時測量物體的三維加速度值和角速度值，可以計算出物體的方向信息。

圖4 智能傳感標簽電路原理圖Fig 4 Principle of circuit of smart sensing tag

2 系統軟件設計

2.1 傳感標簽程序設計

ATmega 328P 通過C 接口讀取并判斷標簽芯片內存中存儲數值來判斷工作模式。當暫時不使用標簽傳感功能時，可以通過閱讀器發送指令讓標簽進入休眠狀態，不啟用傳感功能，只保留標簽識別，需要使用時再發送指令激活傳感功能。傳感信息由單片機寫入標簽芯片內存，然后讀寫器將讀取的傳感數據上傳到上位機，上位機軟件就可以實時監控貨物所處環境的溫濕度信息和姿態。LED 由上位機軟件發送指令控制，通過讀寫器將指令寫入標簽內存，單片機再讀取并判斷標簽芯片內存中寫入的數值來控制LED，0x20 代表閃爍，0x21 代表常亮，0x22 代表熄滅。燈的不同狀態可以代表不同物流操作，也可用作環境信息的報警提示，LED 也可以換為小尺寸液晶屏，顯示文字信息。智能傳感標簽軟件流程如圖5 所示。

圖5 智能傳感標簽軟件流程圖Fig 5 Software flowchart of smart sensing tag

2.2 上位機軟件設計

標簽讀寫器通過串口和上位機通信，上位機軟件通過調用動態鏈接庫操作EPCC1－G2 標準的電子標簽讀寫器。主要的EPCC1－G2 命令包括:詢查標簽，讀取數據，寫數據。軟件用列表和曲線圖顯示采集的傳感信息;三維姿態模型由Processing 建立;可以發送控制LED 狀態的指令;可以鏈接數據庫，保存對應編號的貨物傳感信息。軟件功能流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件功能流程圖Fig 6 Flowchart of software function

3 標簽性能測試

智能傳感標簽原型實物參考坐標如圖7(a)所示，將標簽固定在物體上進行實際測試，實驗環境如圖7(b)所示。上位機軟件查詢標簽并選擇傳感標簽對應的EPC 編號讀取溫濕度和運動姿態信息，擺動物體過程進行實時錄像，并測量讀取距離。

圖7 實物圖Fig 7 Physical image

3.1 讀取距離測試

根據RFID 的通信理論［10］，最大識讀距離計算如式(1)

頻率在915 MHz 時，選用的標簽芯片在被動模式下工作，接收的最小功率Ptag為－18 dBm，仿真結果中標簽天線最大增益Gtag為1.97 dBi。實驗中閱讀器的傳輸功率Preader為30 dBm，天線增益Greader為8 dBi。通過公式(2)計算為0.225，其中Zc，Za分別為標簽芯片和天線的阻抗，Rc，Ra分別為標簽芯片和天線的電阻。假設極化損失PLF 取0.5。最終計算的smax約為9.8 m。實驗測量中，標簽在空間內自由移動，實際測得能被閱讀器讀取并能正常進行信息監測的最大距離為6.8 m，接近理論計算值。

3.2 傳感性能測試

在運輸重要物資時貨物翻轉是不允許的，所以，物體繞X 或Y 軸旋轉角度范圍－90°～90°。實驗中物體分別繞X 軸或Y 軸擺動，以及隨機轉動時，采集的X，Y 軸與水平面的夾角如圖8 中(a)，(b)，(c)所示。實驗數據采集1500 組，采樣間隔0.01 s。實驗結果顯示:三維模型運動方向和所測數據，以及實際運動過程三者基本一致。說明該傳感標簽對運動姿態有較好的無線監測功能。

圖8 運動傳感器輸出的方向數據Fig 8 Output direction datas of motion sensor

溫濕度監測方面，采集的溫濕度數據與標準儀器測得數據基本相符，可以滿足采集溫濕度信息的要求。將手指放在傳感器上時，溫濕度信息會有明顯變化，曲線會實時變動，達到了實時監控的目的。溫濕度超過設定閾值自動報警。當上位機發送燈閃爍指令控制燈的狀態時，LED 燈按照指令閃爍，達到了無線控制的目的。

4 結 論

實驗環境下，該射頻傳感標簽能較好地滿足環境感知、數據存儲、無線數據傳輸、信息提示等方面的需求。其主要集成了UHF 無源被動標簽芯片，大幅減少電池的消耗，減小傳感標簽的體積，符合UHF EPCC1Gen—2 無線射頻通信協議的讀寫器都可以讀取該傳感標簽采集的數據或將指令信息寫入標簽，可以擴展成不同類型傳感器的智能標簽，結合上位機能實現信息反饋和物流操作信息提示等功能。預期該智能標簽經過優化設計后，應用場景更加廣泛。

［1］ 周恩輝，肖 謐，毛陸虹，等.應用于無源RFID 標簽的BICMOS 溫度傳感器［J］.傳感器與微系統，2014，33(1):68－71.

［2］ 尤義山，曾偉等，張金霞，等.基于MSP430 的智能傳感標簽的設計與實現［J］.計算機工程與設計，2011，32(7):2328－2339.

［3］ 趙蒼榮，鄭淼淼.一種RFID 智能傳感電子標簽的設計［J］.計算機測量與控制，2013，21(4):1024－1026.

［4］ Hasani M，Vena A，Sydanheimo L，et al.Implementation of a dualinterrogation－mode embroidered RFID－enabled strain sensor［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12:1272－1275.

［5］ Occhiuzzi C，Paggi C，Marrocco G.Passive RFID strain－sensor based on meander－line antennas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(12):4836－4840.

［6］ Kerem Kapucu，Catherine Dehollain.A passive UHF RFID system with a low－power capacitive sensor interface［C］∥IEEE RFID Technology and Applications Conference，Orlando:IEEE，2014:301－305.

［7］ NXP Semiconductors.UCODE I2C PCB antenna reference designs［EB/OL］.［2013—03—07］.http://www.cn.nxp.com/documents/application_note/AN11180.pdf.

［8］ Atmel Corporation.AVR 8－bit microcontroller datasheet［EB/OL］.［2014—10—01］.http:∥www.atmel.com/images/Atmel－8271－8－bit－AVR－Microcontroller－ATmega48A－48PA－88A－88PA－168A－168PA－328－328P_datasheet_Complete.pdf.

［9］ NXP Semiconductors.SL3S4011_4021 UCODE I2C Product datasheet［EB/OL］.［2013—07—09］.http:∥www.cn.nxp.com/documents/data_sheet/SL3S4011_4021.pdf.

［10］Rao K V S，Nikitin P V，Lam S F.Antenna design for UHF RFID tags:A review and a practical application［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，12:3870－3876.