低功耗 RFID传感器实现冷链监控-奥地利微电子

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对于食品、医药品等易变质物品的生产商、批发商和零售商来说,如果这些货物不能在精确控制的冷藏环境中妥善储存,他们就将遭受巨大的损失。因此,物流行业精心开发了昂贵的“冷链监控”系统。这些系统能让易变质物品的批发商对货物存储状况进行实时监控,并迅速对超出制定的临界值的突发状况进行干预。

 

然而,半导体行业总是能不断寻找突破,也希望开发出更小型、更便宜、更好的技术以取代昂贵又复杂的技术。具有传感器功能RFID标签的问世将在冷链监控领域实现新的技术突破。本文即将阐述RFID传感标签如何实现冷链监控操作过程。

 

实时定位系统:过于庞大而惨遭失败?。

多年以来,为了持续监控易变质物品的储存和运输,物流行业花费了数以亿计美元来开发技术和支持基础设施。而现在,利用新的RFID传感器芯片和RFID读卡器,只需数十美元也许就能将这项投资淘汰,这是业内人士不得不面对的未来。

 

当然,复杂的监控系统结合了实时定位系统、软件、主动式RF标签、无线通信点和GPS追踪,即使它们价格不菲又需要经常维护,大型企业仍然能负担得起。但是,总成本还需要包括GPS卫星定位的通讯时间、移动电话网络数据连接、每一个集装箱或拖车装备的硬件和软件投入以及保养、在每个分销转运点安装无线接入点。

 

这类系统能够及时为突发情况实现及时干预。遗憾的是,实时监控看似给出了一个确保易变质物品零损耗的方案,实际的执行却并不十分乐观。举例来说,在运输过程中解决问题经常导致运输延迟,原因是运营者需要寻找问题的根源而非快速的解决办法。解决冷链系统问题的后备系统(如移动维修组)需要花费大量成本,而且也并不总是奏效。

 

即便如此,当物流业刚开始运用冷链监控技术时,除了复杂笨重的基础设备,他们别无选择。在当时看来,似乎只有靠它来时刻保护所有库存。

 

事实上,一旦有了部署RFID系统的基础设施,在每个独立的包装上侦测温度和其他参数的冷链监控也许才是更经济的办法。冷链监控这类技术缺乏实时定位系统的能力,因此不能通过干预来解救货物。用户不得不接受设备出错时的一点小小的损耗,而运行一个廉价而简便的监控设备所节约的成本将远远高于额外的损耗。

 

低成本局部冷链监控。

低成本(几美分)、一次性的被动RFID标签概念建立在物流业的基础上。被动RFID标签能被RFID阅读器识别:当被动标签调制读卡器发出的反向散射RFID能量时通信就能完成。因此,被动标签不需要独立电源,理论上的使用寿命也是无限的。

 

传统的RFID被动标签包含一个小型非易失性存储器,就像RFID的名字所暗示的那样,能够储存一个独一无二的识别码。如果RFID标签也能起到数据记录的作用呢?这就是奥地利微电子向用户承诺开发的新一代传感器RFID标签。这一设备能够在货物运输或储存期间监控每个独立包装的状况,如测量和记录温度、振动、湿度等环境信息(见图1)。

图一

图1:典型的冷链追踪应用

由于使用了现有的RFID技术和设备,系统操作变得更简单,价格也更易被许多公司所接受。通过为外部传感器添加用于记录数据的片上温度传感器、电可擦除只读存储器(EEPROM)以及低功率接口(如图2),该设备将能够监控每一个独立包装产品的环境状况。

 

当现有技术能够监控货柜及其内部状况(如测量货车冷藏货柜或仓库内部的温度)时,传感标签能精确测量独立包装产品的温度和其他参数。半导体行业为其他行业带来的更高性能、更低成本的解决方案改变了易变质物品的冷链监控过程,在维持高效率、高质量标准的同时提供了低成本的冷链管理方法。

 

两种运行模式。

具有传感器功能的RFID标签可以用两种方法来实施。最接近于传统RFID标签概念的是完全被动模式。该模式下的传感标签没有独立电源,因而也没有实时时钟。被RFID读卡器唤醒时,它从外来的磁场采集能量获得4mA的标准电流。在这4mA电流中,仅有150μA为传感器接口和内部功能供电,如温度传感器(见图2)。

 

在这一模式中,当包装被读卡器询问到时,以数据记录为目的的冷链检测就会开始,启动温度记录并添加时间标记。标签控制从内部还是外部传感器获得数据。记录下的数据将被密码保护,以防止对数据的非法操作。

图二

图2:传感标签像传统RFID标签一样运行,同时提供内置温度传感器和选择外部传感器的接口。

 

传感标签还能够在半被动模式(又称电池辅助被动模式或BAP)下运行。在该模式下,自身数据的记录由小型电池供电,并由芯片上的实时时钟(RTC)打印时间标记。电池的标准寿命取决于电池类型和记录的时间间隔,但典型时间在一年到一年半之间。

 

传感标签的选择。

奥地利微电子如今已推出两款适用于冷链监控的传感标签;均包含一个片上温度传感器,可测量的温度范围在零下40°C到125°C之间。SL13A提供高频率(13.56MHz)空中接口,符合ISO15693和NFC-V标准。超高频的SL900A(860-960MHz)符合EPC Gen2 1类和3类标准。两款器件均兼容cool-Log™命令。

 

这些器件最简单的使用案例就是全被动模式下(即RFID读卡器存在的情况下)的温度记录和识别。这一应用需要单颗标签的标准化命令和用于温度转换的“Get Sensor Value”cool-Log定制化标签命令。

 

如果标签在没有读卡器提供RF磁场的情况下记录数据,必须将SL13A或SL900A与电池连接。可使用1.5V或3V(单或双)电池。如果使用轻薄柔韧的电池,就有可能在柔韧的基板上制造吸塑封装的应答器,这类制作的成本最低,标签也是一次性的。如果需要可重复再利用的发射机,推荐使用微型电池和刚性的PCB基底。

 

系统在BAP模式下记录温度信息将使用标准化的RFID单颗标签命令和定制化cool-Log命令,如:· 设置记录模式· 初始化· 开始记录· 停止记录微控制器上的SPI接口。

 

SL13A和SL900A都带有一个串行外设接口(SPI)来连接诸如微控制器之类的外部设备(如图3),扩充冷链监控应用的功能,而不仅仅是独立RF标签提供的传感、数据记录和识别功能。

 

尤其值得一提的是,MCU不仅能够连接手机收发器以远程控制录入的数据,还能实现设备寄存器和功能的简单设置。不仅如此,MCU的编程也支持警报系统,并能实现保质期计算功能。

 

SPI接口被用于内嵌EEPROM的读写,可作为标准化生产线和用户ID编程的测试接口,同时支持非标准化的RF协议。

 

图三

图3:通过SPI接口将一个MCU连接到RFID标签上,使冷链应用具有多功能性总结。

SL13A和SL900A这两款奥地利微电子传感标签使冷链操作者自动追踪、监控并记录传感信息,如温度、压力、湿度或振动。当其中的某一项指标达到临界值时,系统经过配置还能自动发出警报或提示。

 

新的方案将使冷链和物流公司以温和、可行的方式了解储存物品的状况,同时大幅度简化如今复杂的冷链监控基础设施,提供有效节约成本的替代方案。