超高頻射頻識別濕度傳感器的分析與測試*

關 碩,奚經天,王俊宇

(復旦大學Auto-ID實驗室,專用集成電路與系統國家重點實驗室,上海 201203)

濕度傳感器被廣泛應用于農業倉儲,工業控制,日常家用,醫藥治療,食品衛生監督等眾多領域。電子濕度傳感器以其優越的精度和方便自動化控制管理正逐步替代傳統的機械式濕度計。基于微波技術原理的電子濕度傳感器[1-3]和使用軟件微機械技術并基于特殊材料的電子濕度傳感器[4]是目前電子濕度傳感器的主要設計方法,但是其制造費用較高。CMOS電容特性隨濕度變化的特性也被應用于濕度傳感器的設計[5],然而 CMOS工藝本身的精度隨機差異對測量精度影響較大。文獻[6]介紹了一種使用普通電子標簽作為廉價電子濕度標簽的設計方法：對于附著在紙張之上的電子標簽而言,紙張的相對介電常數會隨著紙張的濕度發生變化[7],而且改變的數值與濕度改變的相對數值有關,這將導致附著在紙張之上的電子標簽天線阻抗和輻射方向圖也會發生變化,使得標簽能夠正常工作的最小發射功率就會改變。基于上述變化,可以構造用于濕度測量的電子標簽傳感器,其基本操作過程如下：(1)系統初始設置在干燥環境下,且讀寫器與標簽的距離固定,將讀寫器的發射功率調整為剛好使標簽工作的最小功率;(2)當濕度改變而工作距離不變時,調整并記錄剛好使標簽工作的讀寫器的最小發射功率;(3)通過比較讀寫器發射功率所需的最小值和初始狀態時的最小值之間的差異,建立與濕度變化的關聯關系,進而測出濕度。文獻[6]的不足之處在于對標簽濕度傳感器的工作原理缺少必要的理論分析;對普通商用標簽用作濕度傳感器的條件沒有進一步的研究;實驗結果沒有考慮濕度增加和減少時,紙張等材料的對水分的吸放差異導致傳感器測量結果出現的差異。

本文的內容結構如下：第 1節基于理論推導和電磁仿真結果揭示了電子標簽可以用于濕度傳感器的原因,并且說明了何種類型的標簽可以用作濕度傳感器。第 2節介紹了在恒溫恒濕箱中的實驗步驟和測試環境以驗證理論推導結果。第 3節將測試環境改為實際應用的普通環境,并得到實際環境下的測試結果。最后一節為文章的結論。

1 標簽濕度傳感器系統模型理論分析

1.1 分析模型設定

本文的研究對象為一個超高頻 RFID基本系統,如圖 1所示,系統包括一個無源電子標簽和一個讀寫器,其中電子標簽被附著于厚度為 5 mm的緊密多層的干燥紙面上,并將其朝向讀寫器的天線。

圖1 將基于 EPCGen2協議的標簽貼附于5毫米厚的可吸收水分的紙上讀寫器和標簽的距離固定

本文在分析天線隨環境變化的時候只涉及到介電常數的實部,但這并不影響分析的正確性。因為當紙張水分含量增加的時候,其代表介電常數虛部的損耗角也會增加,進而增加介質的損耗,最終間接增加了讀寫器需要發射的功率,這和只分析實部時得到的結果是相同的。另外損耗角的增加,也會使標簽天線損耗電阻增加,進而使匹配惡化,也會增加讀寫器所需發射的功率。本文在理論說明部分更注重對結果變化的定性分析,更精確的定量分析可以從實驗結果中得到。

1.2 前向鏈路理論分析

對于無源標簽而言,一旦它接受到的能量足以使它正常工作并返回調制信號,則其反向調制信號可以被讀寫器讀出[8]。因此本文的理論分析僅考慮前向鏈路。為簡化分析模型,避免前向鏈路的損耗[9],本文假定電子標簽附著在一定厚度的紙張朝向讀寫器天線一側的表面,如圖 1所示。

通過解鏈路方程[10]可以得到標簽所需功率的最小值為：

1.3 標簽天線阻抗理論分析

這說明 Pdiff只和 εr有關。如圖 2(a)所示,當空氣中偶極子標簽天線阻抗與標簽芯片阻抗完全匹配(即標簽天線阻抗為73+j42.5,標簽芯片阻抗為 73-j42.5)時,隨著標簽所附著的介質的介電常數升高,Pdiff是單調增加的。在電磁仿真軟件 IE3D中的仿真結果與計算結果接近,驗證了公式的正確性。由此可見,可以通過測量 Pdiff的變化來獲得對應的濕度值,使用電子標簽作為濕度傳感器是可行的。通過電磁仿真還發現,由于介電常數改變而造成的阻抗匹配因子的變化要遠大于增益的變化,因此 Pdiff的變化主要由阻抗匹配因子的變化來決定。電磁仿真結果表明,偶極子天線阻抗的實部和虛部都是隨相對介電常數單調增加的,如圖 2(b)所示。則根據式(3)假設標簽天線實部不變,那么當標簽芯片的阻抗虛部小于-42.5時,該曲線就會喪失單調性。例如,當標簽芯片的阻抗為 73-500j時,這條曲線就不是單調的了,如圖 2(a)所示。同理當假設標簽天線虛部不變時,當標簽芯片阻抗實部大于 73時也會出現非單調性。至此可見,RFID標簽可以用于濕度傳感器,但是其使用條件和阻抗匹配情況密切相關。

圖2 天線與環境仿真分析結果

2 標簽濕度傳感器系統仿真分析

2.1 仿真條件與環境

2.2 仿真結果與分析

圖4是仿真結果所得的 Pdiff隨 εr變化的曲線。其中標簽 B的曲線是單調變化的但標簽 A卻是非單調變化的。在對天線阻抗變化的仿真結果的觀察中發現,標簽 B的天線阻抗在空氣中工作的時候和芯片的阻抗是完全匹配的。隨著其貼附物質介電常數的增加,標簽的阻抗匹配系數持續減小,導致標簽芯片獲得的功率不斷減小,因此為了使芯片正常工作,讀寫器就要發射更大的功率。標簽 A在空氣中的天線阻抗和標簽的阻抗并非完全匹配,隨著其貼附物質介電常數的增加,標簽的阻抗匹配系數先上升到 1之后開始下降,因此就會出現如圖 4中非單調的變化曲線。這種非單調的曲線會導致在濕度測量的過程中,同一個 Pdiff值,會對應于兩個濕度的數值,因此這類型的標簽不能用于濕度測量。因此,用于濕度傳感器的標簽不能隨意選取,必須滿足一些條件。一款可以用于濕度測量的 RFID商用標簽,其天線的設計應使得在測量所關注的介電常數變化范圍內 Pdiff的變化曲線都是單調的。

圖4 實際標簽仿真

對于實際的商用標簽,標簽天線和芯片之間的阻抗匹配有不同的設計策略。一部分標簽公司的設計方法是如標簽B,讓其在空氣中的天線阻抗和芯片匹配,另一部分標簽公司選擇標簽 A的設計方案,使其在空氣中天線的阻抗并不和芯片完全匹配,而一旦其附著在物品上時,匹配狀態會得到優化,可增加標簽工作的魯棒性[14]。因此標簽 B類型的商用標簽是最適合此種應用的;同時這種標簽的Pdiff變化范圍不能超過讀寫器功率可變的范圍,從仿真和下一節測試的結果來看,標簽在普通環境的濕度改變下標簽 B的 Pdiff變化范圍不超過8 dB,而主流RFID讀寫器廠商生產的讀寫器其功率變化范圍都在 15 dB左右,可以滿足標簽 B的需求。但對于其他種類的標簽還要視具體情況而定;商用讀寫器的功率變化精度為 1 dB或者 0.1 dB,對于精度為1 dB的讀寫器,如果標簽天線對環境不敏感,濕度變化的范圍雖然很大,但對于讀寫器來說則不需要改變超過 1 dB功率值,那么這個濕度傳感器系統的精度就難以得到保障。讀寫器可調功率的精度越高,其能檢測到的濕度變化就更細微更精確。綜上,最適合組成濕度傳感器的系統是,其標簽天線在空氣中的阻抗與標簽芯片的匹配系數為 1,且標簽天線由于環境濕度變化而引起的Pdiff的變化不能超過 15 dB,精度不小于0.1 dB,而讀寫器的功率可變范圍、功率可變精度只要能滿足標簽對其功率變化的要求即可。

3 標簽濕度傳感器系統實驗分析

3.1 電磁屏蔽室實驗及分析

本文使用一個恒溫恒濕箱來構建所需的濕度環境。首先,測量干燥環境中讀寫器在固定距離下能激活標簽的最小功率。然后將標簽貼附的紙張放入恒溫恒濕箱中,設置測試箱的一個相對濕度值并保持此狀態約 1 h左右后取出。最后,用讀寫器讀取貼附紙張表面的標簽,在微波屏蔽室中測量并比較讀寫器首次讀取到的標簽的所需的最小發射功率,則其與干燥環境下的功率差即為 Pdiff。實驗分為兩組,第 1組將相對濕度由50%升至 90%,第 2組由 90%降至 50%(這一濕度范圍是由儀器測量范圍決定的)。相對濕度每變化 10%,記錄一次發射功率的變化。對于每一個濕度點重復進行 3次實驗。

3.1.1 實驗條件與環境

實驗中采用的標簽符合 EPCglobal Class 2協議。標簽天線的制造方法為將導電銀墨壓印在 PET襯底上。由于 PET塑料襯底的厚度遠小于電介質(如 5 mm厚的紙張),因此其對標簽特性的影響與紙張相比可以忽略不計,標簽的性能會等效地隨外界環境變化而變化。

標簽被貼在一打 5 mm厚的 A4大小的紙上。標簽的高度和讀寫器天線的高度保持一致,中心相對地置于讀寫器正前方,如圖 5所示。標簽與讀寫器的距離經過精確的選定,可以將多徑效應的影響降低到不對實驗過程造成影響。實驗在屏蔽室中進行。屏蔽室可以被認為是密閉的,整個實驗環境在實驗過程中足夠穩定。

圖5 實驗場景

實驗采用一款商用 RFID讀寫器[15],這款型號的讀寫器不具備發射功率可調的功能。為了調整讀寫器的輸出功率,本文在讀寫器和讀寫器天線之間插入一個衰減器來模擬一個可調功率的讀寫器,但這并不是本文描述的濕度傳感器系統所必需的,因為很多種類的商用讀寫器都是輸出功率可調的。此衰減器的衰減范圍為 0至 -11 dB,步長為 0.1 dB。

3.1.2 實驗步驟

在實驗中,我們改變并測量讀寫器的輸出功率,直至可以持續地讀取標簽。整個實驗系統的中心頻率為 923 MHz。文獻[6]的濕度傳感器系統是將兩個相同種類的標簽并行放置,兩者同讀寫器天線正面相對,其中一個標簽裸露在空氣中,而在另一個標簽的正面貼附了適當大小和厚度的紙張作為吸水材料,其 Pdiff即為讀出此兩標簽所需最小功率的差值。本文沒有采用這種方法,因為即使濕度環境有很大變化,讀寫器讀出裸露在空氣中的標簽的最小功率變化并不明顯,則可在實際使用的環境條件下測量讀出此標簽的所需最小功率并記錄下來用于比較,這樣可以省去讀寫器一半的讀寫次數。文獻[6]的方法還存在一個功率誤差沒有考慮,即使濕度不變,裸露在空氣中的標簽和附著紙張的標簽其天線特性已經存在差異,并且紙張在通信鏈路中還帶來一定的損耗,導致其最終測定的 Pdiff并非準確的數值。相比之下,本文只使用一個標簽,不僅使系統更加實用,還減小了讀寫器控制模塊的復雜度。

3.1.3 實驗結果與分析

圖6顯示了發射功率變化值與相對濕度的關系。圖中最左邊的點代表干燥環境下(相對濕度為0)的數據,即實驗中作為比較的標準值。在相對濕度由 50%升至 90%過程中,對于標簽B發射所需最小功率變化值與濕度的關系曲線是單調的,而對于標簽 A則是非單調的,這也印證了之前的仿真結果。但和圖 4的仿真結果有差異的是,由于紙質材料的吸收和解吸水分存在過程依賴性,紙質材料在濕度上升階段吸收的水分含量的比率和濕度下降階段解吸的水分含量的比率是不同的[16]。在這一情況下,紙張的水分含量不僅與當前的相對濕度有關,還與周圍環境的濕度變化過程有關。例如濕度上升10%時紙張吸收水分的含量和濕度下降 10%時紙張解吸水分的含量是不一樣的。所以圖 6中每個標簽發射功率變化值的兩條曲線分別對應了兩種情況下的濕度。這樣就會造成相同的功率差異卻對應兩個不同濕度值的情況,這是本系統中要避免的情況。

在現實環境中的濕度變化是動態的可能經歷很多上升或者下降的反復過程,因此在用于濕度測量的 RFID系統中應該引入一個保存歷史測量記錄的模塊。如果當前的功率變化大于之前的功率變化,應該參照圖 6中箭頭向上的曲線,反之亦然。舉例而言,如果標簽 B的發射功率變化測量值為 7 dB,而上一次的測量值為 6 dB,根據圖 6的曲線,可以得到濕度大約是 80%。而當上一次的測量值為8 dB時,則應該參考箭頭向下的曲線,并得到濕度大概是 70%。

圖6 理想情況測試結果

3.2 普通環境中的實驗及分析

3.2.1 實驗條件與環境

本文在一個有障礙物和環境噪聲的普通環境中再次測試電子標簽作為濕度傳感器的功能。實驗設備的放置同前。由于實驗環境并非選擇在屏蔽室等密閉空間,若想改變并穩定其環境的濕度是很困難的。而本文在之前也說明了濕度對此系統的直接影響就是紙張水分含量的增加,因此直接改變紙張含水量和改變外部環境的溫度對標簽帶來的影響是一致的。同時這種實驗還對應于一種新的使用場景,即測量管道或是其他運輸等重要環節的泄漏情況。本文中的系統置于某些壓力過大易于泄漏的關鍵部位之下,當管道等發生泄漏或者破裂的情況時,讀寫器就可能要提高功率去讀取標簽。如果讀寫功率固定,則讀寫器此時就不能識別標簽,并觸發報警器的開關。

3.2.2 實驗步驟

本實驗的步驟是,首先,在紙張干燥時,讓讀寫器嘗試讀取標簽并記錄下讀寫器所需發射的最小功率。然后,使紙張均勻吸收 10mL固定量的水,此時標簽不能返回信號。隨后,增大讀寫器的輸出功率,直至讀寫器能夠重新讀取吸收水分的標簽,記錄所增大功率的數值。我們重復進行這一實驗過程(吸水,增大功率,測量)5次,直到讀寫器的輸出功率達到其上限。圖 7顯示了讀寫器功率的增量,即發射功率變化值與噴灑在紙張上的水的體積的關系曲線。

圖7 現實環境測試結果

3.2.3 實驗結果與分析

增大紙張上的水分含量相比環境濕度對標簽天線性質的影響是劇烈的。當紙張吸收了 50mL的水之后,即使將實驗中的讀寫器的輸出功率設為最大,讀寫器也無法讀取該標簽。

通過上述論證,本方法測量濕度是可行的。如果使用本方法運用于商用遠程濕度傳感,需要功率可調的讀寫器已經以及若干商用電子標簽,這些標簽應該具有第 2節中所提到的特性。除此之外,建議采用可編程的讀寫器來解決濕度上升和下降造成Pdiff的不同值問題。

4 結論

本文引入并分析了使用低成本 UHF電子標簽作為濕度傳感器的方法。通過理論分析和仿真驗證證明了并非所有的商用標簽都可以作為濕度傳感器,進而提出適用于濕度傳感器的標簽類型,并且分別在恒溫恒濕箱中和普通環境下進行了實驗測試。實驗結果標明,濕度變化趨勢的不同將導致測量結果的差異,因此一個合適的 RFID濕度系統要包含一個對環境較為敏感的標簽天線,以及一個可以區分濕度上升或者下降過程的探測模塊,這個模塊可以在讀寫器中通過編程實現,進而降低標簽的成本。本文在最后通過理想環境和實際環境的測試驗證了理論分析和仿真結果。

[1]Menke F,Knochel R,Boltze T,et al.Moisture Measurement in Walls Using Microwaves[J].IEEE Int Microwave Symp,1995,3：1147-1150.

[2]Hauschild T,Menke F.Moisture Measurement in Masonry Walls Using a Non-Invasive Reflectometer[J].Electronics Letters,1998,34(25)：2413-2414.

[3]TrabelsiS,Nelson SO.Inexpensive Microwave Moisture Sensor for Granular Materials[J].Antenna and Propagation Society International Symposium,2007：297-300.

[4]MiyoshiY,TkeuchiT,Saito T,etal.A Wearable Hum idity Sensor with Hydrophilic Membraneby Soft-MEMS Techniques[J].Nano/Micro Engineered and Molecular Systems,NEMS'07.2ndIEEE International Conference on,2007：211-214.

[5]Wang Yang,Chen Jun-Ning,Ke Dao-Ming,et al.Modeling of a CMOSCapacitive Relative Hum idity Sensor[J].Educcation Technology and Computer Science,2007,3(7-8)：209-212.

[6]Johan Siden,Xuezhi Zeng,Tomas Unander,etal.Remote Moisture Sensing Utilizing Ordinary RFID Tags[C]//IEEE SENSORS 2007Conference,2007,28-31：308-311.

[7]Apekis L,Christodoulides C,Pissis P.Dielectric Properties of Paper asa Function of Moisture Content[C]//Dielectric Materials,Measurements and Applications,5thInternational Conference on,1988,27-30：97-100.

[8]CheWenyi,Yang Yuqing,Xu Conghui,et al.Analysis,Design and Implementation of Semi-Passive Gen2 Tag[C]//2009 IEEE Conference on RFID,2009,27-28：15-19.

[9]Fletcher R,Marti U P,Redemske R.Study of UHF RFID Signal Propagation Through Complex Media[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium,2005,1B：747-750.

[10]Nikitin P V,Rao K V S.Antennas and Propagation in UHF RFID Systems[C]//2008 IEEE Int Conf RFID Las Vegas,2008：277-288.

[11]Balanis C A.Antenna Theory Analysis and Design 3rd[M].New York：John Wiley＆ Sons,INC,2005：143-157.

[12]Jin Au Kong.Maxwell Equations[M].Beijing：Higher Education Press,2004：45-46.

[13]David M.Pozar Microwave Engineering Third Edition[M].New York：John Wiley＆Sons,2005：243-248.

[14]Impinj INC.Datasheet of MonzaTM[EB/OL].http：//www.Impinj.com,2006.

[15]Quanray Electronics Co.Ltd,Datasheet of production[EB/OL].http：//www.quanray.com,2009.