聲表面波射頻識別與溫度傳感一體化系統

趙文玉,陳智軍,朱衛俊,程勝軍,陳 濤,賈 浩

(1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106；2.中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

識別、傳感是物聯網的兩大核心環節。在很多應用場合，需要識別和傳感功能同時實現[1]。以食品安全為例，近年來食品安全問題頻發，其重要原因之一是食品安全事故追溯不到源頭，責任不清楚，無法做到有效監管，故需要采用識別技術加強對食品的過程追蹤；同時還需要結合傳感技術，通過對食品質量的實時監控來提前避免食品安全事故的出現，如冷鏈食品在運輸、流通及存儲過程中對溫度的實時監測[2]。射頻識別(RFID)技術是一種非接觸式的自動識別技術，是物聯網的重要組成部分。射頻識別系統主要由標簽和閱讀器組成，兩者之間通過天線實現信息的無線傳輸。基于聲表面波(SAW)技術的RFID系統采用無源無線的SAW標簽[3]，SAW在壓電基底上的傳播時間受溫度影響，因此，SAW標簽在RFID的同時也可作為溫度傳感器[4]。鑒于SAW標簽的大容量編碼和多參數敏感特點，能夠同時實現對食品的溯源與質量監控。

本文采用脈沖時延結合相位編碼方案，由此增加了SAW標簽的編碼容量以實現規模化應用。在分析SAW標簽識別與測溫原理的基礎上，采用直接欠采樣數字正交解調方案設計閱讀器，以提高識別、測溫的準確性與穩定性，并在柔性PCB板上制作折疊偶極子天線以實現標簽天線的柔性和小型化。實際制作了SAW RFID與溫度傳感一體化系統，測試結果表明，系統在溫度-20～60 ℃能正常工作，在距離2 m內，系統不僅能實現標簽編碼的準確識別，且測溫精度可達0.6 ℃。

1 系統工作原理

SAW RFID與溫度傳感一體化系統如圖1所示。設計不同的反射柵編碼結構，通過對標簽的回波脈沖串解算可讀出相應編碼，從而實現識別功能。當溫度變化時，壓電基底的材料參數發生變化，SAW在反射柵之間傳播的時間發生相應變化，導致回波脈沖之間的時延改變，時延與溫度間存在的對應關系使SAW標簽也同時具有溫度傳感功能[5]。

圖1 SAW RFID與溫度傳感一體化系統

目前常用的SAW標簽編碼方案有脈沖幅度、脈沖時延及脈沖時延結合相位編碼3種。與前兩種相比，脈沖時延結合相位編碼方案通過相位測量來彌補時間分辨率的不足，能極大地提高標簽的編碼容量[6]。以圖2所示的標簽結構為例，當數據區X=6、時隙n=4、相隙N=3時，僅采用脈沖時延編碼方案的編碼容量nX=4 096，而脈沖時延結合相位編碼方案的容量(n×N)X=2 985 984，兩者相差3個數量級，且后者接近三百萬，滿足大多數場合的應用需求。圖2中除各個數據區的編碼反射柵外，還存在起始和截止反射柵。起始反射柵作為參考，用于消除距離和環境的影響。截止反射柵動態跟隨最后一個編碼反射柵，兩反射柵對應的回波脈沖之間的時延稱為參考時延。

圖2 脈沖時延結合相位編碼的SAW標簽結構

SAW的時延溫度系數(TCD)為

(1)

式中：τ為延遲時間；T為溫度；L為SAW傳播距離；v為SAW傳播速度；α為熱膨脹系數；TCV為SAW的速度溫度系數。

對于特定切型的壓電基底，在材料溫度系數已知的前提下，其α可通過歐拉角變換得出，TCV可通過SAW波動方程解出[7]，從而獲得相應的TCD。

對式(1)進行一階泰勒展開，可推導出：

(2)

式中：τ0為參考溫度T0時的延遲時間；τT為實際溫度T時相應的延遲時間。

根據相位φ與時延τ之間的關系φ=2πfτ，式(2)可轉換為

(3)

通過合適的時隙設計，正交解調法可以直接解算出標簽的時延編碼。但是，正交解調直接解算出的相位受溫度影響，通常與標簽的設計相位不一致，同時相位測量存在模糊性問題，即不可能測出360°的整周期數，只能測得小于360°的尾數部分。

本文在設計標簽時，針對截止反射柵與最后一個編碼反射柵對應的回波脈沖之間的參考時延，使其在測溫范圍內相應的相位變化不超過一個周期[8]。通過參考時延的相位變化，根據反射柵之間的位置關系，可反推出每個反射柵在參考溫度時的設計相位，從而解算出標簽的相位編碼。

正交解調直接解算出的相位減去標簽的設計相位即為溫度引起的相位變化，但鑒于相位模糊性的存在，實際獲得的也只是其尾數部分。本文采用相位比例尺遞推的方法[9]，將參考時延隨溫度引起的相位變化逐步遞推到起始與截止反射柵之間的相位變化，從而根據式(3)測出實際溫度T，且具有較高的測溫精度。

綜上所述，實現SAW RFID與溫度傳感一體化的算法流程如圖3所示。

圖3 識別與測溫算法流程圖

2 閱讀器的直接欠采樣數字正交解調方案

常規的SAW RFID系統的閱讀器采用基帶過采樣硬件模擬正交解調方案[6]，其結構如圖4所示。回波信號經過低噪聲放大器(LNA)及帶通濾波器，通過巴倫得到兩路差分信號，分別與經過0°/90°移相器后的本振混頻得到I、Q兩路基帶信號，再通過濾波和放大后進入A/D轉換器，將基帶信號轉換成I、Q兩路數字信號。上述方案存在以下問題：

1)具有硬件下變頻模塊，結構相對復雜，成本較高。

2)硬件模擬正交解調采用模擬本振，其幅度和相位易受靜電、溫度等環境因素影響，導致兩路本振信號幅相不平衡。

3)基帶信號的濾波和放大會引入I、Q兩路增益、延時不平衡，兩個支路存在幅相不平衡[10]，從而對后續SAW標簽的識別和測溫帶來一定影響。

圖4 基帶過采樣硬件模擬正交解調方案

上述基帶過采樣法需要遵循奈奎斯特采樣定理，即滿足A/D轉換器采樣率大于最高信號頻率的2倍，這也是SAW標簽回波信號通常需要下變頻到基帶信號的原因，以此降低對ADC采樣頻率的要求。實際上，雖然回波信號的中心頻率高達922.5 MHz，但其帶寬僅5 MHz，對于這種窄帶寬的信號，可對其進行射頻帶通直接欠采樣[11-12]，等同于對其頻帶進行了頻譜搬移，搬移到第一奈奎斯特區域內。因此，無需遵循傳統意義上的奈奎斯特采樣定理，就可以完整恢復標簽帶寬內的全部信息。與此同時，隨著軟件無線電(SDR)技術的日益成熟，射頻電路逐漸向軟件化方向發展。數字正交解調是一種典型的軟件無線電技術[13-14]，可以避免硬件模擬正交解調帶來的相關問題。

綜上所述，本文的閱讀器采用射頻直接欠采樣數字正交解調方案，如圖5所示。回波信號經過低噪聲放大器、帶通濾波器后，對其進行直接欠采樣得到回波數字信號。數控振蕩器(NCO)是數字正交解調的重要組成部分，在數字域構建兩路正交信號與回波數字信號混頻，再通過FIR濾波器得到I、Q兩路基帶數字信號。該方案較好地解決了原有基帶過采樣硬件模擬正交解調方案存在的相關問題，不僅結構簡單，成本低，且對SAW標簽的識別和測溫也更穩定和準確。

圖5 射頻直接欠采樣數字正交解調方案

3 標簽天線的柔性和小型化設計

SAW標簽的天線通常采用印刷偶極子天線，在硬質FR4板材上制作，不適于如食品安全檢測時需要彎曲天線以易于與食品包裝相整合等應用場景。目前SAW標簽的芯片尺寸已經可以做得非常小，標簽整體尺寸取決于標簽天線，但天線尺寸較大，在很多場合的應用受限。因此，對標簽天線的柔性和小型化設計具有顯著的實用意義。

本文的標簽天線是在以聚酰亞胺為基材的柔性電路板(FPC)上制作，通過折疊的方式實現天線尺寸的縮減[15]。小型化折疊偶極子天線的結構如圖6所示，對半波偶極子天線兩臂彎折以減小尺寸，同時增加T型匹配調節阻抗。以中心頻率922.5 MHz、帶寬大于5 MHz為設計指標，通過電磁仿真軟件HFSS仿真和優化天線尺寸，實際制作的FPC折疊偶極子天線如圖7所示，其尺寸為66 mm×33 mm，明顯小于原有154 mm×22 mm的硬質FR4天線。

圖6 折疊偶極子天線結構

圖7 實際制作的FPC折疊偶極子天線

使用矢量網絡分析儀測試FPC天線的性能，S11測試結果如圖8所示。天線的中心頻率為921.15 MHz，帶寬約30 MHz。雖然實際中心頻率與設計值略有偏差，但在922.5 MHz處S11為-26.65 dB，能將99.75%的輸入功率輻射出去，表明該頻率時標簽天線接收閱讀器查詢脈沖能量以及發射回波脈沖串能量的效率已足夠高，可實現系統的無線應用。

圖8 FPC天線的S11參數

4 系統測試

實際制作了編碼容量接近三百萬的SAW標簽(見圖2)，并制作了采用射頻直接欠采樣數字正交解調方案的閱讀器(見圖5)，通過恒溫箱對系統進行標定，如圖9所示。標定結束后直接在-20～60 ℃內對系統進行測試，標簽解碼正確率100%，測溫精度在0.6 ℃內。

圖9 系統標定

標簽天線彎曲后粘貼在豆奶的杯壁上，系統對豆奶的編碼和溫度進行測試，如圖10(a)所示。上位機界面如圖10(b)所示，除顯示編碼和測溫結果外，還可顯示回波脈沖串信號的實時變化，使測試結果更直觀。用手指按住標簽外殼，系統可測出標簽溫度逐漸上升；松開手指，同樣可測出溫度相應下降，系統具有很好的響應實時性。隨著標簽遠離閱讀器，回波信號的強度逐漸減小，系統能準確識別和測溫的距離約在2 m。

圖10 系統應用測試

5 結束語

本文以基于聲表面波技術的射頻識別與溫度傳感一體化應用為目標，設計了采用脈沖時延結合相位編碼方案的聲表面波標簽。鑒于常規的基帶過采樣硬件模擬正交解調方案閱讀器存在I、Q兩路幅相不平衡等問題，設計了采用射頻直接欠采樣數字正交解調方案的閱讀器。該閱讀器結構簡單，成本低，且對聲表面波標簽的識別和測溫也更穩定和準確。針對現有硬質印刷偶極子標簽天線對應用領域的限制，設計制作了采用柔性PCB的折疊偶極子小型化天線。最后對搭建的系統進行了標定和測試，測試結果表明了系統的實用性，從而可極大地拓展聲表面波技術在物聯網諸多領域的應用場景。