RFID技术的无源传感器标签功能及设计

Duke 2018-07-04 09:01 次阅读

在任何给定时间内,物联网 (IoT) 中大多数设备都可能处于空闲状态。通常,仅需要 IoT 传感器以不频繁的时间间隔进行测量,并向信号收集器发送少量结果数据,然后返回最低耗能状态,直到进行下一次测量。有的智能传感器可通过小型电池供电,无需充电或更换即可使用数年。

如果能够消除永久连接电源的需求,传感器就可实现无限期部署,并可制作得更小、更轻。这为新型传感器开发创造了机会,例如可以舒适穿戴的非侵入式医学传感器。连接到皮肤上的无线温度感测贴片可以不时地执行快速检查,相比于有线传感器,穿戴者可以更自由地活动。相比可重复使用的引线式传感器,一次性贴片还具有卫生优势。

许多其他应用在粘性传感器贴片出现以后获益良多,如监测温度、湿度或压力。它们还可用于人员检测、工业过程无连接监测、或者智能农业,如监测土壤或温室条件,或者检查牲畜体温。

一种结合了超低功耗传感器和 RFID 技术的全新智能传感器正在兴起。仅在 RFID 读取器需要记录读数时,才会通过其发射的射频场为这些传感器供电。诸如此类的无电池传感器仅在需要时才采集数据,然后将数据发送到读取器,不会单独进行测量或者存储数据。

图 1 表示无源贴片传感器的功能块简化概述,包括到模拟或数字变送器的前端接口、信号调节、数据处理、无线通信和电源管理。为了集成各种元件,来构建以有限射频场能量进行工作的系统,需要有成熟的低功耗设计,并仔细考虑计算负载并进行有效的功率管理。这样的传感器必须小巧灵活,易于贴装,并且如果是可穿戴设备,还必须舒适,如生物传感器。

利用 RFID 技术的无源传感器标签原理图

图 1:利用 RFID 技术的无源传感器标签功能元件

芯片和传感器标签

幸运的是,有多种集成度更高的无源感测和优化选择。其中有 Texas Instruments 的 RF430FRL152H,它集成了实现图 1 所示功能所需的所有电路,包括用于连接到模拟传感器的 14 位三角积分 ADC、以及可用于连接数字传感器的 SPI/I2C 端口。RF430FRL15xH 带有通过铁电 RAM (FRAM) 实现的 2 KB 非易失性存储器,实现了低功耗、快速读写速度、无限次读/写耐久性和高电磁抗扰度综合优势。并且,由于 FRAM 可以在低供电电压下工作,因此无需充电泵来产生升高的编程电压。集成无线电符合 ISO 15693,允许使用标准 NFC/RFID 读取器或启用 NFC 的智能电话来读取传感器。

RF430FRL15xH 还提供了一个评估套件,由一块基板以及集成天线与环境光和温度传感器组成。支持固件包括 RF 堆栈、驱动程序库和引导代码。受 TI 的 Code Composer Studio 设计环境支持。另外还提供传感器集线器增强包扩展板,其中含有 MEMS 运动传感器和压力、湿度、温度和光传感器。

提供的参考设计涵盖构建用于测量温度或皮电反应的生物传感器贴片所需的一切,包括使用 NFC 询问传感器的 Android 手机应用、以及一个用于配置和展示贴片的 PC GUI。

集成智能无源传感器

ON Semiconductor 采取了一种不同的方法,开发出全集成式智能无源传感器,用于监测温度、湿度或压力。

支持这些传感器的生态系统包括多合一开发套件和具有自身内置 GUI 和 IoT 连接的便携式电池供电读取器。该读取器可从传感器标签采集数据。多种商用固定式或手持式读取器经测试也可与这些标签配合使用。

如图 2 所示,ON Semiconductor 智能无源传感器采用激励回路,能够通过测量阻抗变化实现湿度或压力监测,并采用了一个无微控制器的自微调 IC,其中含有自适应 RFID 前端、片载温度传感器以及用于唯一标识的集成式存储器。标签使用行业标准第 2 代 UHF 协议进行通信。当读取器初始化通信时,IC 测量此激励回路内的温度条件,并将含数字化温度的测量数据从片载传感器传输到读取器。通过监测射频信号强度,集成 RSSI 还可进行接近检测或动作检测。

ON Semiconductor 全集成式传感器标签示意图

图 2:通过检测内置激励回路的阻抗变化,ON Semiconductor 全集成式传感器标签可测量压力和湿度。

ON Semiconductor 开发出了一系列传感器,可用于湿度测量、浸水检测和温度测量等应用,总结见表 1。它们适合各种工业和医学场景,如质量控制和环境监测。

传感器零件编号功能频率范围SPS1M001浸水质量控制860 - 960 MHzSPS1M002湿度检测860 - 960 MHzSPS1M003高灵敏度湿度检测860 - 960 MHzSPS2T001温度传感器860 - 960 MHz

表 1:用于湿度和温度检测的全集成式传感器系列。

符合 NFC 和 RFID 标准的手持读取器可用于读取智能无源传感器,并已在供应链管理等使用案例中得到验证。与扫描 RFID 标签以记录收货或发货的方式完全一样,扫描无源传感器可以获取读数。在供应链应用中,将 RFID 标签升级为传感器标签带来额外功能,可记录供应链中货物在任何位置的状态。例如,用于验证是否符合规定的存储条件,或者帮助识别供应链中可能出现损坏的点。

通过移动手持读取器扫描并非从无源传感器收集数据的唯一方式。固定式读取器可放置在适当位置,以便从穿过其有效范围的传感器上采集数据。这样可以支持准确检测工业设备,以便进行维护。多个传感器可以放置在预先确定的位置,如电机或轴承座、电子电源模块,并定期扫描。如果没有传感器标签,此类分析可能需要使用红外温度计等设备进行手动测量。而手动搜索则会造成被测表面的位置稍稍不同或者时间间隔稍稍不同,这样就会导致结果不准确。固定式读取器和永久连接的传感器可以消除这些误差,并且采集的数据可以轻松转送到主机或云端进行分析。

总结

物联网应用中普遍的极端功率限制正推动创新型解决方案以及新型设备的出现。利用现有 RFID 技术的智能无源传感器可以长期部署,无需电池或维护,并且仅在需要测量时通电。除了无电池的简便性外,在广泛的应用中,它们还具有诸多优势,如更高的安全性、可重复性和用户舒适度。

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