基于RFID技术的温度监测系统的设计

蔡志敏

蔡志敏

（温州医科大学附属第一医院浙江温州325000）

【摘要】基于集成温度传感器的主动式有源射频识别（RadioFrequencyIDentification，RFID）电子标签，解决医院检验科冰箱的温度监测问题。在分析现有温度监测手段的缺点的基础上，本文利用集成温度传感器的主动式有源RFID电子标签设计出温度监测系统的架构，其中箱体温度由集成的传感器探测，再通过无线射频传送给主机进行实时显示。通过对连续温度变化的分析，并结合三种最典型的温度模型，软件系统可以判断箱体温度以及冰箱是否工作正常，并实现针对使用者和维修者的分类报警。该监测系统可同时满足临床部门和维修部门的需求。

【关键词】RFID温度监测温度模型分类报警

【中图分类号】R197.39【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2014）12-0114-02

DesignofTemperatureMonitoringSystemBasedonRFIDTechnology

CAIZhimin

TheFirstAffiliatedHospitalofWenzhouMedicalCollege

【Abstract】Inviewoftherequestofthetemperaturemonitoringofrefrigeratorsinhospitalclinicallaboratory,thedesignbasedonactiveRadioFrequencyIDentification(RFID)tagintegratedtemperaturesensorisproposed.Inthispaper,basedonanalyzingthedisadvantagesoftheexistingtemperaturemonitoringmethods,thesystemhardwareprinciplediagramisdesigned.ThetemperatureofrefrigeratorsmeasuredbytheintegratedsensorcandisplayonhostcomputerrealtimethroughwirelessRFtransmission.Byanalyzingthechangeofthetemperatureandcombiningwiththethreemosttypicaltemperaturemodel,thesoftwaresystemcanjudgetherefrigeratorsandthetemperatureareoperatingnormalornot,thenrealizesclassificationofalarmsofusersandrepairengineers.Thismonitoringsystemcansatisfytheneedsofclinicaldepartmentandrepairdepartment.

【Keywords】RFIDtemperaturemonitoringtemperaturemodelclassificationalarms

研究背景

大型三甲医院检验中心通常都有大量的冷库、冰箱、超低温冰箱用来保存样品、试剂。准确可靠的检测结果，需要大量合格的试剂保证。试剂的保存需要合适的冰箱温度。一旦温度失控，将导致试剂的失效，从而影响检测结果的可靠性。因此，检测结果的质量控制就必然要求对冰箱温度的监测。国家实验室认可委执行的ISO15189标准，明确规定，存储试剂、以及孵育的箱体温度必须连续监测。温度失控主要有两大类原因，使用原因和机器故障。使用原因可有普通使用者解决。如果是故障导致温度失控，则维修部门必须及时介入。

目前，通常的温度监测有两种类型，普通纸质记录与电子式记录器。普通纸质记录，每一个小时记录一次，需要专人负责记录。由于冰箱数量多，比如30台，每台半分钟的话，也需要15分钟。人工操作耗时耗力，工作量大，而且容易遗漏。纸质记录，不易保存，在目前办公电子化的环境下，后期的数据处理工作量也较大。电子式记录器，目前电子式记录器通常都是放置于箱体内，记录温度以后，把记录器拿出箱体，读取数据。只能对单个箱体进行记录，而且这是事后监测，在使用过程中，如果温度出现波动，无法及时干预。

本文通过分析现有温度监测手段的缺点以及临床的实际需求得出，理想的温度监测系统应该是实时、连续、可多台同时监测、自动数字化且具有温度异常自动分类报警功能。分类报警指温度异常但冰箱工作正常，则向使用人员报警；温度异常且冰箱制冷故障，则同时向使用人员和维修人员报警。

1技术背景

本设计采用基于集成温度传感器的主动式射频识别（RadioFrequencyIDentification,RFID）电子标签，来解决温度测量、信号发送的问题，后端的软件系统解决温度异常的分类报警、温度数据存储处理的问题。这样就较好的完成了本设计所要解决的问题。

1.1RFID简介

RFID技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签（俗称电子标签）具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。

目前，RFID在工业领域应用更广泛。沃尔玛超市就要求全球上万家供应商全面启用电子标签代替传统的条形码。上海世博会门票也采用了电子标签，电子标签的快速读写能力使每天几十万的游客在有限的几个入口顺利入园。高速公路ETC通道的广泛应用，也将会使高速公路出入口的通行能力大幅提升，常见的收费站排队现象也会消失。

1.2RFID的基本元件

标签，主要负责存储标签的ID号。标签可以做成各种形式，卡式、纽扣式、手环式等各种封装类型。标签分为2类，被动式和主动式。被动式标签只有在读写器发送射频信号后，天线获得能量，然后把自己的ID号发送回给读写器。主动式标签，也称有源标签，集成了电源，通常是电池，能按照预设的时间间隔主动发送自己的ID号给读写器。随着封装技术的成熟，现在大量的传感器可以封装在标签里。比如集成温度传感器的主动式有源标签，温度传感器负责环境温度的测量，传感器把测量到的温度数据通过标签的天线发送出去，由读写器接收[1]。

目前，集成温度传感器的无源电子标签已经设计出来[2]。但在技术成熟度，商品化方面仍待完善。技术参数方面，尤其是测温方面，测温范围-10~120℃，测温精度±2℃，不符合我们的使用要求，因此，不采用无源电子标签。

读写器，负责读写电子标签上的资料。它通过射频无接触的读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体及数据的目的。读写器通常通过RS232串口与主机连接，或使用WLAN技术进行数据传送，所读取的标签信息被传送到主机后进一步处理。

天线，负责无线电讯号的感应，在标签和读写器之间传递射频信号。

2系统架构与设计

在硬件结构上，本系统由集成温度传感器的有源电子标签、读写器、计算机组成。系统硬件架构如下图所示。电子标签放置于冰箱内，一个电子标签监测一台冰箱。由于箱体内部温度并不均匀，因此选择温度最高的位置放置，通常为靠近门侧处。如果是重点监测对象，也可放置多块标签以达到全面监测的目的。下面将介绍本设计的重点部分。

图2电子标签硬件结构图

Figure2Taghardwarestructurediagram

CC2430包含了1个高性能2.4GHz的直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和1个工业级小巧高效的8051控制器，在单个芯片上整合了射频(RF)前端、内存和微控制器。

DS18B20是DALLAS公司生产的单线式数字温度传感器，它具有3引脚TO-92小封装体积，其不锈钢外壳封装形式可以防水防潮，适合恶劣的现场温度检测，其温度测量范围为-55℃～+125℃，测温分辨率可达0.5℃。除部分工作温度在-80℃超低温冰箱外，大部分的冰箱温度都在其测量范围内。因此，对监测对象的全覆盖，仍有待新型小型温度传感器的出现。

当电子标签上电后，首先对无线射频模块及传感器进行初始化，然后微控制器把传感器定时采集到的温度数据通过通信接口发送给射频芯片，射频芯片再通过发射模式把标签的ID号与温度信号发送给读写器，读写器通过串口发送给上位机进行实时显示。

2.2结果的后处理

结果的显示，可以以数据表格的形式体现，也可以以曲线图的形式体现。由于RFID技术能实时识别多个标签，一般能同时识别100个，因此，一个箱体放置一个标签，即可以实现对该箱体的温度监测。箱体的增减，通过取放标签以及软件内标签对应箱体的编号就可以实现，因此使用极其方便。软件系统还需要对结果的分析，以达到自动分类报警的功能。

目前，大部分的温度监控系统，对温度的报警处理，仍停留在预设一个温度范围，超出该范围就报警的阶段。在频繁的使用过程中，报警次数多，容易导致使用者忽视报警。由于冰箱在实际使用过程中，使用原因和机器故障都会导致温度失控，从而导致报警。使用原因比如门未关闭和机器故障如压缩机故障是需要不同的人员进行处理的。普通使用人员离冰箱距离近，不具备维修能力，可以处理使用原因的报警。而维修人员距离冰箱远，通常需要一定的时间才能到达现场。因此，温度监控系统发生如实现分类报警功能，则可以使普通使用人员和维修人员尽快处理问题，从而使保存的物品不变质。

表1三种典型的温度模型

冰箱编号8点温度/℃9点温度/℃10点温度/℃11点温度/℃

1#-20-18-17-18

2#11121112

3#4101212

表1为典型常见的三种温度模型。实际情况下，冰箱温度变化情况更复杂本文试以该三种温度模型分析箱体温度及冰箱工作是否正常，并实现分类报警的功能。

1#冰箱，8点上班前，为-20℃，工作正常；上班后，随着工作人员取放试剂，箱体温度变高，但仍维持在设定温度±5℃内。因此，该冰箱工作正常，系统不报警。

2#冰箱，8点上班前，温度已达到11℃，超过通常设定的4-10℃的正常范围，但上班时间内，温度波动范围小。由此推断该冰箱有制冷能力，但制冷能力已经无法达到正常值.因此该冰箱工作不正常需要维修，系统向使用人员和维修人员同时报警。

3#冰箱，8点上班前，温度4℃，在正常范围内，但上班时间内，温度超过设定值，并维持在一个温度附近。通常，冰箱压缩机不会突然损坏，因此很有可能是使用者在使用过程中没有关好冰箱门，导致超温。这种情况在旧冰箱中最常见，原因为门封条磁性减弱，导致吸力不足。因此，系统只向使用人员报警。使用人员先进行自查，排除这个因素后，温度仍然无法达到设定值，再通知维修人员进行维修。

3总结

集成温度传感器的RFID电子标签已不仅广泛应用于固定位置的果蔬保鲜温湿度监测[4]，也应用于移动的冷链物流中[5]。但多数的监控系统着重于温度的连续监测，而不重视报警功能的深化。温度监测的目的在于全过程控制，从而实现实时监测、预警管理[6]。结合了温度模型的异常温度分析，实现了分类报警的功能，该温度监测系统从而满足了临床使用者和维修工程师的需求。

参考文献

[1]张欣露，吴勇，等.集成温度传感器的有源电子标签设计[J],微型机与应用,2010,29(3):29-34

[2]沈红伟,李力南,陈国华.集成温度传感器的超高频无源电子标签芯片设计,微电子学与计算机,2008,25(4):192-195

[3]陈得民.CC2430与DS18B20的粮库温度传感器网络设计[J],单片机与嵌入式系统应用,2009,12:60-62

[4]王以忠,龙婷等.用于果蔬保鲜的RFID温湿度记录系统[J],天津科技大学学报,2008,23(3):73-76

[5]亚敬.RFID与温度传感技术技术在冷链物流中的应用[J],中国电子商情（RFID技术与应用）,2009.3:49-51

[6]陆旭群.浅析RFID技术在我国生鲜食品冷链物流管理中的应用[J],市场周刊.理论研究,2008,3:132-133