一种带湿敏元件的射频识别标签

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射频识别(RFID)是物联网技术的重要组成部分，RFID标签与传感设备的集成是物联网 感知”、传输”、智能”三大特征的体现。目前的研究主要是将传感器与 RFID标签的-个或多个拈集成，或者通过对传感器的输出进行转换以达到二者集成的目的。在传感器与 RFID标签拈的集成方面 ，孟海斌，张红雨 将温湿度 的检测电路与标签芯片的逻辑控制拈相连，在控制拈的作用下，检测结果经由射频拈并通过天线传输给阅读器；颜斌 将控制拈分别与传感器、射频拈及储存拈相连，所述控制模块能够接收射频拈的指令开启传感器进行测温工作。在将传感器输出进行转换后与 RFID标签进行集成方面，侯收稿 日期：2012-09-13$基金项目：北京市自然科学基金资助项 目(KJ201210037037)志刚 将温度传感器测量到的温度值在经过处理器处理后输入到 RFID标签的储存拈 ，然后阅读器通过天线可读取标签中的温度信息；邱 自学 ，李娟 ，袁江等人 将速度采集单元通过信号处理器与标签的控制拈相连，经过处理的信号经由射频拈和天线传给阅读器，该标签需在有源的情况下才能工作；亚弗斯 ·M 在无线的状态下将传感设备获得的信息通过射频信号写入 RFID标签 中，该发明将传感器读数经过-组队列输入 RFID标签，RFID标签也可以将数据无线地传递到传感器设备而不使用来自电池的电源。就湿度传感器而言，作为众多传感设备中-个非常重要的类别，被广泛应用于工农业生产 、气象 、环保、国防、科研、航天等领域，但专门的湿度传感器与 RFID标签的20 传 感 器 与 微 系 统 第32卷集成尚不多见。本文主要介绍湿度传感器与 RFID标签的集成，并在分析现有研究和技术的基础上，明确设计思路，提出了新的集成方案。

1 湿度传感器与 RFID标签的集成分析将湿度传感器和 RFID标签的集成应考虑集成的成本问题 ，测量时的定标问题，装置的供电问题，集成点位置的选择问题以及集成方式的创新问题等。

1.1 湿度传感器的集成可能性分析湿度传感器由湿敏元件、转换元件 、信号调节转换电路和辅助电源组成。其中，起核心作用的是湿敏元件，常见的湿敏元件有：半导体陶瓷湿敏元件、氯化锂湿敏元件和有机高分子膜湿敏元件，其结构如图 1所示 ，是在基片 1上覆盖- 层用感湿材料制成的膜2，其工作原理是当空气中的水蒸汽吸附在感 膜 2上时，元件的电阻值会发生变化，利用湿敏元件的这- 特性即可测量环境的湿度。抓住湿敏元件信号输出是电阻变化这-本质，是实现其自身与 RFID标签集成的基矗图1 湿敏元件结构Fig 1 Structure of humidity sensor1.2 RFID标签的集成可能性分析进步对 RFID技术系统进行分析，可知该技术系统与外界的信息交互是以电子标签为窗口实现的。标签包括芯片拈、天线和卡基 ，其中芯片拈包括射频拈 、控制模块和存储器拈♂合前人文献中所提到的传感技术与标签集成的思路，呵知二者集成点的位置有4种可能：与天线相连接、与射频拈相连接、与控制拈相连接 、与储存模块相连接。此外， 多个拈同时连接从而达到更高程度的集成也是较为理想的技术方案之-。需要特别提出的-点是，天线的特征频率和信号强度会受到天线本身及其连接物的影响 ，这-点是整个技术集成思路的关键。从这- 点出发将基于电阻变化的湿敏元件与电子标签的天线相连，通过天线信号频率或强度的变化便可以识别所处环境湿度的改变。

2 湿敏元件与 RFID标签集成的设计结构湿敏元件 与 RFID芯 片相 连接的结构如 图 2所示，RFID标签的芯片 有 2个引脚 6，7；湿敏元件 3通过这2个引脚与 RFID标签天线形成并联结构 ，在湿敏元件 3与RFID标签芯片连接的线路上有-个控制通断的逻辑电路，陔连接的线路上控制通断的逻辑电路是芯片的-部分。通过逻辑电路的通断町以控制湿敏元件是否被接入芯片电路内，从而可以影响天线的特征频率。湿敏元件可 以是半导体陶瓷湿敏元件、氯化锂湿敏元件、有机高分子膜湿敏元件或其他基于变化的湿敏元件。

圈2 湿敏元件与标签连接Fig 2 Connection of humidity sensor with RFID tag湿敏元件、控制通断的逻辑电路与 RFID标签相连接的等效电路如图3所示，包括标签天线的线圈电感(L)、寄生电容(Cp)和并联电容(c。)，其谐振频率为f 1，式中 C为 和 的并联等效电容，，c ，R 为电路内电感线圈及其他装置的等效电阻，们 为代表湿敏元件 的等效可变电阻，S为控制通断的逻辑电路，R。为与湿敏元件串联的等效电阻。S与 RFID芯片的控制拈相连，控制拈可以向逻辑开关 S发送指令控制逻辑电路的通断。

图3 湿敏元件、逻辑开关与标签连接的等效电路Fig 3 Equivalent circuit of humidity sensor and logic switchconnected with RFID tag就另-个实例而言，这-标签上有 2个引脚 、2根天线(双偶极天线)。此时有 2种情况：第-种情况是湿敏元件与这2个引脚相连，并通过控制通断的逻辑电路与第-根天线形成并联结构，当逻辑开关接通时第-根天线工作在第二共振频率下，而第二根天线独立工作在第-共振频率下；第二种情况是湿敏元件与这2个引脚相连，并通过控制通断的逻辑电路与 2根天线同时形成并联结构，当逻辑电路接通时2根天线同时工作在第二共振频率下。

以上介绍的湿敏元件与标签连接的方式为两引脚-双天线”结构，此外，还有两引角-单大线”、-引脚-双大线”、-引脚-单天线”和无引脚”的结构。其中，”两引角-单天线”的结构是指这-标签上只有 1根天线(单极子天线)，这-标签的芯片上有2个引脚。湿敏元件与这 2个引脚相连，并通过控制通断的逻辑电路与这-根天线形成并联结构，该连接的线路、控制通断的逻辑电路是芯片的-部分。

第 4期 霍灵瑜，等：-种带湿敏元件的射频识别标签 21- 引脚-双天线”结构如图4所示，标签的芯片仅有-个引脚，这-引脚向外与湿敏元件的-端相连，湿敏元件 的另-端直接连到天线上，在引脚与芯片 内部电路连接的线路上有-个控制通断的逻辑电路，其位置和功能与两引角-双天线”结构相同。湿敏元件通过逻辑电路与天线形成并联结构。

图 4 -引脚-双天线”结构Fig 4 Structure ofone pin-dual antenna- 引角-单天线”的结构是指这-标签上只有-根天线(单极子天线)，这-标签的芯片上有 1个引脚。湿敏元件与这-个引脚相连，另-端连接到天线上并通过控制通断的逻辑电路与这-根天线形成并联结构 ，该连接的线路 、控制通断的逻辑电路是芯片的-部分。当逻辑电路接通时这根天线工作在第二共振频率下。

无引脚”的结构如图5所示，RFID标签的芯片上没有引脚时，湿敏元件直接连到天线上。这种情况下，与湿敏元件相连的天线不能脱离湿敏元件而 以正常的频率通信。

无引脚”结构中，在芯片内部也存在-个控制通断的逻辑开关，此时该逻辑开关还将控制与湿敏元件相连的这根天线是否工作。

图 5 无引脚 ”结构Fig 5 Structure ofnon-pin3 湿敏元件与 RFID标签集成的工作流程上述湿敏元件与标签集成的结构中，逻辑电路的通、断均决定 了湿敏元件是否与天线相连。外界环境湿度的变化会引起湿敏元件本身电阻的变化。当逻辑电路断开时，湿敏元件不与天线相连，此时天线工作在第-共振频率下，被放置在-定的湿度环境下-段时间后，天线的共振频率和信号强度保持不变；当逻辑电路接通时，湿敏元件与天线相连 ，被放置在-定的湿度环境下-段时间后 ，天线的共振频率和信号强度至少会有-个发生变化，此时天线工作在第二共振频率下。

带湿敏元件的 RFID标签的工作流程为：首先，RFID阅读器向标签装置发送能量和指令，逻辑电路处于断开的状态，标签装置用不与湿敏元件相连的天线接收能量和指令；然后，标签装置将携带能量的电磁波转换为-个 DC(直流)电压，从而使标签执行指示的要求 ；之后，标签装置通过不与湿敏元件相连的天线向阅读器发送信号，阅读器测量并记录收到信号的能量强度 ；接下来，阅读器向标签装置发送接通逻辑电路的指令，标签装置用与湿敏元件相连的天线发送数据；随后，阅读器测量收到信号的能量强度，并将来自不与湿敏元件相连的天线的信号强度作为-个参考值，比较连接和不连接湿敏元件的天线的信号 ，计算出-个反映信号强度的比较值；最后，阅读器将信号强度的比较值转换成环境的湿度值，如图6所示。

实际上，配置这个 RFID阅读器是为了通过使用储存的参考数据将接收到的天线信号强度值转换为不同的环境湿度值。阅读器可以向标签发送-个在频道 n-1和频道 n之间的指令来进-步确认标签天线的工作频率范围已经发生了漂移，因为标签能够接收到通过频道 n-1发过来的指令，并且能够通过频道 n-1向阅读器反馈信息；而不能够接收到通过频道 n发过来的指令，并且不能够通过频道 n能向阅读器反馈信息 ，这样就确定了标签天线的工作频率范围已经发生了漂移。此外 ，本设计方案所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件拈 、或者这两者的集成。软件拈可 以存储于 RAM存储器、闪存 、ROM存储器、EPROM存储器 、EEPROM存储 器、寄存器、硬盘 、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其他任意形式的存储媒介中。

囊 标 il稃掌 l渡图6 带湿敏元件的 RFID标签工作流程Fig 6 Work flow chart of RFID tag with humidity sensor4 实验结果与分析对上述设计方案进行实验，其结果如图 7、图 8所示，当被放置在-定的湿度水平下 ，控制逻辑电路的通断会使带湿敏元件的 RFID标签天线的共振频率发生变化。如图 7所示 ，当逻辑电路断开时，将标签的天线放置在-定的湿度水平下，标签天线的共振频率 1，2几乎保持-致且都接近0.90GHz。当逻辑开关接通时，处于-定的湿度水平下 ，如图 8所示 ，带湿敏元件 的标签天线 的共振频 率降低至传 感 器 与 微 系 统 第 32卷0.70 GHz左右，然而不与湿敏元件相连接的天线的共振频率仍处于0.90 GHz左右。记录带湿敏元件的天线在不同湿度水平下的特征频率和信号强度，并与不带湿敏元件的天线进行比较，则可得出环境湿度与共振频率差值的内在联系，从而使带湿敏元件的RF1D标签实现测量湿度的功能。

吕要鳗Ⅱ地特征频率/GHz图7 逻辑电路断开时天线共振频率Fig 7 Antenna resonant frequency while logic circult switch of吕晏醴心逛特征频率 /GHz图8 逻辑电路接通时天线共振频率Fig 8 Antenna resonant frequency while logic circuit switch on5 结 论本文在总结前人研究和对相关技术进行深入分析的基础上，提出了-种新的解决传感器与 RFID标签集成问题的设计方案，即将湿度传感器中的核心元件(湿敏元件 )抽取出来，与 RFID标签进行创新形式的技术集成。这-新型的技术融合 ，优化了原有的技术系统，与现有的技术集成方案相比降低了生产成本，并且通过逻辑电路的通断，将不连接湿敏元件的天线作为-个参考，从而解决了环境湿度测量过程中的标定问题，同时可以将 由于标签和阅读器之间的耦合所导致的变化过滤掉，使测量结果更为精确。另外 ，利用标签的天线和射频拈将电磁波转换为电能，为 RFID标签和湿敏元件供电，从而解决了设备使用过程中的能源供应问题。