應用于血液冷鏈的RFID高頻電子標簽研究

秦昌葵　梁豐

摘 要：針對血液冷鏈管理中存在的血液質量不能很好保證的問題，據寧波市中心血站提出的實時監測血液溫度、時間節點及不改變血袋放置于血液筐的擺放方式等要求，設計一種應用于血液冷鏈的環帶型RFID高頻無源電子標簽，該標簽可滿足溫度檢測要求，提高血液筐容積利用率，提高數據采集效率，從而為高頻RFID標簽應用于血液冷鏈管理提供了可行性。

關鍵詞：血液冷鏈管理；高頻；電子標簽；RFID

中圖分類號：TN602 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

血液在醫療和科研中都有著不可估量的價值。血液管理流程大致可分為如下幾個環節：獻血登記——體檢與血樣采集——血樣檢測與采血——運送至臨時庫房——血液質量檢測——成分血制備——入庫管理——血液出庫。在這當中涉及到大量數據信息的采集及整理，信息采集及整理工作的繁瑣造成血液管理困難，而且血液對環境溫度敏感，若外部環境條件不適宜保存，就會對血液的品質造成破壞，因此在運輸和存儲過程中，血液質量的實時監控顯得尤為重要[1-4]。

而現今已經應用于血液管理中的條碼技術不能對血液在運輸與存儲過程中的溫度及時間進行實時監控。RFID（Radio Frequency Identification）技術可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，并且不需要識別系統與識別目標之間建立光學或機械接觸。RFID技術特別適合用于自動化控制，它有兩種工作模式：只讀模式和讀寫模式，且無需接觸或瞄準；短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染，可替代條碼[5]。射頻識別系統有以下幾個優勢：讀取便捷、數據容量大、應用場合廣、數據可動態更改、安全性更好、可動態實時通信[6]。

將RFID技術用于血站血液管理，不僅能夠有效避免條碼信息容量小、容錯率低等弊端，還可以進行非接觸式識別，減少血液污染，更能多目標識別，實時跟蹤血液信息，提高數據采集效率，有效地保證血液的質量，保障用血安全。

1 標簽設計研究的目標、思路與框架

目前，國內外對高頻RFID的研究比較成熟，將RFID應用于血液冷鏈的案例研究也有不少。本課題針對寧波市中心血站的技術要求（標簽能檢查溫度，記錄時間，且保證血袋能豎直放置）設計了一款環帶型RFID電子標簽，使得血袋能豎直地放置于血液筐（金屬材質）中，如圖1所示。另外，標簽的工作頻率為13.56 MHz左右，具有檢測溫度的功能，并保證標簽的讀取距離達到5 cm左右。

標簽的設計主要包含兩個部分，一是標簽芯片的選型，另一個是標簽天線的設計。標簽的研究思路及框架如圖2所示。

2 RFID電子標簽的設計模型

2.1 標簽芯片的選型

通過對現今主流的RFID芯片生產企業的產品進行對比研究，及根據標簽設計的目的分析，奧地利微電子公司推出的SL13A芯片符合本設計的要求。SL13A標簽符合ISO15693標準，工作電壓范圍為1.5 V至3.0 V，具有8 Kb的電可擦除只讀存儲器（E2PROM），具有近場通訊功能，需與高頻射頻識別閱讀器搭配使用[7]。SL13A 可滿足低成本、簡便的無線數據記錄應用，該器件集成了一個片上溫度傳感器（片上溫度傳感器十分精確，測量誤差范圍最高為0.5%）以及連接外部傳感器的接口，可在被動待機模式（無電池）下使用。在被動待機模式下標簽與閱讀器的通信原理是：標簽從閱讀器天線傳遞的信號中獲取能量，并利用此能量讀取溫度或外部傳感器的數據，再通過唯一的ID碼（該ID碼用戶可以根據實際需要自行編制），將讀取的數據通過天線電磁感應的方式返回至閱讀器，數據的返回時間也可以由閱讀器記錄。

2.2 標簽天線的設計思想

本標簽天線屬于線圈型天線，其實質相當于一個諧振電路。在一定的工作頻率上，當感抗等于容抗時，天線就會產生諧振。諧振回路包括標簽天線的寄生電容（Cp）、并聯電容（C2）和線圈電感（L），其諧振頻率為[8]：

式（1）中，C為Cp和C2的并聯等效電容，標簽和讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是f。

線圈的電感、線圈的匝數、線圈的面積及線圈天線的品質因數Q值等是影響天線性能的主要參數。實際調試RFID天線時，標簽天線電感可以通過精密LCR測試儀測出，在條件有限的情況下，也可以采用估算公式進行估算。假定導體的直徑d與導體回路直徑D之比很小（d/D<0.001），則導體回路的電感可簡單近似為[9]：

式中：L為線圈電感，單位為nH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導線直徑，單位為cm。

每種射頻識別系統的閱讀器作用距離都對應有一個最佳的天線半徑R[11]。可在實際設計標簽天線的大小時，不僅要考慮配套使用的閱讀器天線的設計參數，還需考慮標簽的應用場合，綜合各要素來決定標簽天線的大小。

天線的Q值不僅能影響能量的傳輸效率，而且對頻率的選擇性也有影響。較高的Q值盡管能使天線的傳輸能量增大，然而，標簽的通帶特性也會受到影響。因此在實際調節Q值時，要對各參數的選擇進行折中考慮[12]。

2.3 標簽的設計模型

根據前面的設計思想以及天線設計研究積累的經驗，該環帶型RFID電子標簽的設計模型如圖3所示。具體要求如下：

a.標簽的周長應根據血袋左右橫截面周長而定；

b.繞線圈之間不留縫隙；

c.接頭的漆刮除后再焊接芯片。

3 RFID電子標簽的設計制造及調試

3.1 天線的設計制造

用型號為QA-1/155、規格為直徑0.21 mm的漆包線作為天線的材料，通過測量血袋左右橫截面周長，將該環帶型RFID電子標簽的周長定為24 cm。其次，再根據工作頻率以及系統本身的要求確定電感值的大致范圍，本系統中取電感值為6∶8 uH，通過電感值與匝數關系的經驗公式可以大概計算繞制線圈的匝數。本設計中，取電感值為7 uH。由公式（3）計算出匝數大概在5圈左右，按照標簽模型設計的樣式繞制天線。繞完后，再根據公式（1）選取所用的調諧電容。

3.2 標簽的調試

將天線接頭的漆刮除后再焊接到SL13A芯片的觸點上，用網絡分析儀測量出諧振頻率。因為調諧的電容已知，且標稱值是固定的，可以由此時測得的頻率根據公式（1）反推出與此時頻率相對應的電感值。再根據頻率的偏移大小情況，按電感量估算公式（2）增加或減少線圈的匝數（線圈橫截面積一定時，匝數與諧振頻率大小成反比），直到頻率達到13.56MHz左右。用網絡分析儀測試標簽諧振頻率的實際圖片如圖4所示。

3.3 標簽與閱讀器聯調

根據網絡分析儀測得的結果顯示，本環帶型RFID電子標簽已成功諧振在13.55 MHz（由于血袋是軟體物品，標簽會隨血袋發生形變，使得線圈的面積發生變化，引起標簽頻率的變動，所以標簽的實際頻率在13.56 MHz左右）。將閱讀器連接至電腦，通過測試軟件設置鏈接端口、讀取模式等參數，把標簽放置在閱讀器天線上，點擊軟件上的“Scan”按鈕，就可以看到軟件上顯示出標簽的ID號及讀取的溫度值，具體如圖5所示。再將標簽提高距離閱讀器天線6 cm處（正上方方向），標簽仍能被閱讀器讀到，再往上，標簽就不能被閱讀器讀到了（識別距離也會受到標簽面積的影響，標簽的實際識別距離會在5 cm左右）。

4 結 語

為了解決血液冷鏈管理中存在的血液質量不能很好保證的問題，以及寧波市中心血站提出的實際需求：實時監測血液的溫度、時間節點及不改變血袋放置于血液筐的擺放方式，本文設計了一種應用于血液冷鏈的環帶型RFID電子標簽，如圖6所示。該標簽的工作頻率為13.56 MHz左右，具有檢測溫度的功能，且標簽的讀取距離達到5 cm左右。標簽套入血袋上，尺寸剛好滿足要求，如圖7所示。隨著人們對醫藥品安全越來越關注，及國家對冷鏈及物聯網建設的重視，RFID標簽應用與血液冷鏈潛在的經濟價值及市場規模價值十分巨大，很難用具體的數字來衡量。

參考文獻

[1]袁曜.基于SOA的血站管理信息系統的設計與實現[D].中國科學院大學（工程管理與信息技術學院），2013.

[2]盧小冬，張海英，王暉.基于RFID技術的血液產品冷鏈管理前端數據采集系統[J].中國衛生信息管理雜志，2010，7（3） ：12-15.

[3]袁曜，孟雅娟，高東英，等.RFID技術在血站信息化管理中的應用探索[C].中國輸血協會第六屆輸血大會論文專輯（報告篇）2012（11）：1090-1091.

[4]葉旭輝，王光輝，王金忠.基于RFID技術的血液管理管理系統設計[J].系統研發與應用，2010，5（11）：68-70.

[5]羅錦，李然，曾雋芳，等.基于RFID技術的血液管理系統研究與開發[J].計算機工程與應用，2006（23）：168-172.

[6]許毅，陳建軍.RFID原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2013.

[7] IDS-SL13A·Smart Label Chip with Sensor For Unique Idenfication， Monitoring and Date Logging Date sheet[Z].

[8]陳華君，林凡，郭東輝，等.RFID技術原理及其射頻天線設計[J].廈門大學學報（自然科學版），2005，44（6）：312-315.

[9]姚平，黃健，劉殿金，等.RFID系統天線設計[J].現代電子技術，2009，32（21）：164-166.

[10] Ib technology.Micro RWD 125 kHz Antenna Specification-Philps-Antenna 125[R].2006.

[11]李寶山.無源高頻RFID系統讀寫器天線的設計[J].無線電工程，2008，38（5）：35-38.

[12]劉欣，楊暉，嵇正華，等.遠距離RFID天線設計[J].儀表技術，2005（5）：82-83.