趙文玉,陳智軍,朱衛(wèi)俊,程勝軍,陳 濤,賈 浩

(1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

識別、傳感是物聯(lián)網(wǎng)的兩大核心環(huán)節(jié)。在很多應(yīng)用場合，需要識別和傳感功能同時實現(xiàn)[1]。以食品安全為例，近年來食品安全問題頻發(fā)，其重要原因之一是食品安全事故追溯不到源頭，責(zé)任不清楚，無法做到有效監(jiān)管，故需要采用識別技術(shù)加強對食品的過程追蹤；同時還需要結(jié)合傳感技術(shù)，通過對食品質(zhì)量的實時監(jiān)控來提前避免食品安全事故的出現(xiàn)，如冷鏈?zhǔn)称吩谶\輸、流通及存儲過程中對溫度的實時監(jiān)測[2]。射頻識別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。射頻識別系統(tǒng)主要由標(biāo)簽和閱讀器組成，兩者之間通過天線實現(xiàn)信息的無線傳輸?；诼暠砻娌?SAW)技術(shù)的RFID系統(tǒng)采用無源無線的SAW標(biāo)簽[3]，SAW在壓電基底上的傳播時間受溫度影響，因此，SAW標(biāo)簽在RFID的同時也可作為溫度傳感器[4]。鑒于SAW標(biāo)簽的大容量編碼和多參數(shù)敏感特點，能夠同時實現(xiàn)對食品的溯源與質(zhì)量監(jiān)控。

本文采用脈沖時延結(jié)合相位編碼方案，由此增加了SAW標(biāo)簽的編碼容量以實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在分析SAW標(biāo)簽識別與測溫原理的基礎(chǔ)上，采用直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案設(shè)計閱讀器，以提高識別、測溫的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，并在柔性PCB板上制作折疊偶極子天線以實現(xiàn)標(biāo)簽天線的柔性和小型化。實際制作了SAW RFID與溫度傳感一體化系統(tǒng)，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在溫度-20～60 ℃能正常工作，在距離2 m內(nèi)，系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)標(biāo)簽編碼的準(zhǔn)確識別，且測溫精度可達0.6 ℃。

1 系統(tǒng)工作原理

SAW RFID與溫度傳感一體化系統(tǒng)如圖1所示。設(shè)計不同的反射柵編碼結(jié)構(gòu)，通過對標(biāo)簽的回波脈沖串解算可讀出相應(yīng)編碼，從而實現(xiàn)識別功能。當(dāng)溫度變化時，壓電基底的材料參數(shù)發(fā)生變化，SAW在反射柵之間傳播的時間發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致回波脈沖之間的時延改變，時延與溫度間存在的對應(yīng)關(guān)系使SAW標(biāo)簽也同時具有溫度傳感功能[5]。

圖1 SAW RFID與溫度傳感一體化系統(tǒng)

目前常用的SAW標(biāo)簽編碼方案有脈沖幅度、脈沖時延及脈沖時延結(jié)合相位編碼3種。與前兩種相比，脈沖時延結(jié)合相位編碼方案通過相位測量來彌補時間分辨率的不足，能極大地提高標(biāo)簽的編碼容量[6]。以圖2所示的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)數(shù)據(jù)區(qū)X=6、時隙n=4、相隙N=3時，僅采用脈沖時延編碼方案的編碼容量nX=4 096，而脈沖時延結(jié)合相位編碼方案的容量(n×N)X=2 985 984，兩者相差3個數(shù)量級，且后者接近三百萬，滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用需求。圖2中除各個數(shù)據(jù)區(qū)的編碼反射柵外，還存在起始和截止反射柵。起始反射柵作為參考，用于消除距離和環(huán)境的影響。截止反射柵動態(tài)跟隨最后一個編碼反射柵，兩反射柵對應(yīng)的回波脈沖之間的時延稱為參考時延。

圖2 脈沖時延結(jié)合相位編碼的SAW標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

SAW的時延溫度系數(shù)(TCD)為

(1)

式中：τ為延遲時間；T為溫度；L為SAW傳播距離；v為SAW傳播速度；α為熱膨脹系數(shù)；TCV為SAW的速度溫度系數(shù)。

對于特定切型的壓電基底，在材料溫度系數(shù)已知的前提下，其α可通過歐拉角變換得出，TCV可通過SAW波動方程解出[7]，從而獲得相應(yīng)的TCD。

對式(1)進行一階泰勒展開，可推導(dǎo)出：

(2)

式中：τ0為參考溫度T0時的延遲時間；τT為實際溫度T時相應(yīng)的延遲時間。

根據(jù)相位φ與時延τ之間的關(guān)系φ=2πfτ，式(2)可轉(zhuǎn)換為

(3)

通過合適的時隙設(shè)計，正交解調(diào)法可以直接解算出標(biāo)簽的時延編碼。但是，正交解調(diào)直接解算出的相位受溫度影響，通常與標(biāo)簽的設(shè)計相位不一致，同時相位測量存在模糊性問題，即不可能測出360°的整周期數(shù)，只能測得小于360°的尾數(shù)部分。

本文在設(shè)計標(biāo)簽時，針對截止反射柵與最后一個編碼反射柵對應(yīng)的回波脈沖之間的參考時延，使其在測溫范圍內(nèi)相應(yīng)的相位變化不超過一個周期[8]。通過參考時延的相位變化，根據(jù)反射柵之間的位置關(guān)系，可反推出每個反射柵在參考溫度時的設(shè)計相位，從而解算出標(biāo)簽的相位編碼。

正交解調(diào)直接解算出的相位減去標(biāo)簽的設(shè)計相位即為溫度引起的相位變化，但鑒于相位模糊性的存在，實際獲得的也只是其尾數(shù)部分。本文采用相位比例尺遞推的方法[9]，將參考時延隨溫度引起的相位變化逐步遞推到起始與截止反射柵之間的相位變化，從而根據(jù)式(3)測出實際溫度T，且具有較高的測溫精度。

綜上所述，實現(xiàn)SAW RFID與溫度傳感一體化的算法流程如圖3所示。

圖3 識別與測溫算法流程圖

2 閱讀器的直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案

常規(guī)的SAW RFID系統(tǒng)的閱讀器采用基帶過采樣硬件模擬正交解調(diào)方案[6]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。回波信號經(jīng)過低噪聲放大器(LNA)及帶通濾波器，通過巴倫得到兩路差分信號，分別與經(jīng)過0°/90°移相器后的本振混頻得到I、Q兩路基帶信號，再通過濾波和放大后進入A/D轉(zhuǎn)換器，將基帶信號轉(zhuǎn)換成I、Q兩路數(shù)字信號。上述方案存在以下問題：

1)具有硬件下變頻模塊，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本較高。

2)硬件模擬正交解調(diào)采用模擬本振，其幅度和相位易受靜電、溫度等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致兩路本振信號幅相不平衡。

3)基帶信號的濾波和放大會引入I、Q兩路增益、延時不平衡，兩個支路存在幅相不平衡[10]，從而對后續(xù)SAW標(biāo)簽的識別和測溫帶來一定影響。

圖4 基帶過采樣硬件模擬正交解調(diào)方案

上述基帶過采樣法需要遵循奈奎斯特采樣定理，即滿足A/D轉(zhuǎn)換器采樣率大于最高信號頻率的2倍，這也是SAW標(biāo)簽回波信號通常需要下變頻到基帶信號的原因，以此降低對ADC采樣頻率的要求。實際上，雖然回波信號的中心頻率高達922.5 MHz，但其帶寬僅5 MHz，對于這種窄帶寬的信號，可對其進行射頻帶通直接欠采樣[11-12]，等同于對其頻帶進行了頻譜搬移，搬移到第一奈奎斯特區(qū)域內(nèi)。因此，無需遵循傳統(tǒng)意義上的奈奎斯特采樣定理，就可以完整恢復(fù)標(biāo)簽帶寬內(nèi)的全部信息。與此同時，隨著軟件無線電(SDR)技術(shù)的日益成熟，射頻電路逐漸向軟件化方向發(fā)展。數(shù)字正交解調(diào)是一種典型的軟件無線電技術(shù)[13-14]，可以避免硬件模擬正交解調(diào)帶來的相關(guān)問題。

綜上所述，本文的閱讀器采用射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案，如圖5所示。回波信號經(jīng)過低噪聲放大器、帶通濾波器后，對其進行直接欠采樣得到回波數(shù)字信號。數(shù)控振蕩器(NCO)是數(shù)字正交解調(diào)的重要組成部分，在數(shù)字域構(gòu)建兩路正交信號與回波數(shù)字信號混頻，再通過FIR濾波器得到I、Q兩路基帶數(shù)字信號。該方案較好地解決了原有基帶過采樣硬件模擬正交解調(diào)方案存在的相關(guān)問題，不僅結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且對SAW標(biāo)簽的識別和測溫也更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

圖5 射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案

3 標(biāo)簽天線的柔性和小型化設(shè)計

SAW標(biāo)簽的天線通常采用印刷偶極子天線，在硬質(zhì)FR4板材上制作，不適于如食品安全檢測時需要彎曲天線以易于與食品包裝相整合等應(yīng)用場景。目前SAW標(biāo)簽的芯片尺寸已經(jīng)可以做得非常小，標(biāo)簽整體尺寸取決于標(biāo)簽天線，但天線尺寸較大，在很多場合的應(yīng)用受限。因此，對標(biāo)簽天線的柔性和小型化設(shè)計具有顯著的實用意義。

本文的標(biāo)簽天線是在以聚酰亞胺為基材的柔性電路板(FPC)上制作，通過折疊的方式實現(xiàn)天線尺寸的縮減[15]。小型化折疊偶極子天線的結(jié)構(gòu)如圖6所示，對半波偶極子天線兩臂彎折以減小尺寸，同時增加T型匹配調(diào)節(jié)阻抗。以中心頻率922.5 MHz、帶寬大于5 MHz為設(shè)計指標(biāo)，通過電磁仿真軟件HFSS仿真和優(yōu)化天線尺寸，實際制作的FPC折疊偶極子天線如圖7所示，其尺寸為66 mm×33 mm，明顯小于原有154 mm×22 mm的硬質(zhì)FR4天線。

圖6 折疊偶極子天線結(jié)構(gòu)

圖7 實際制作的FPC折疊偶極子天線

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試FPC天線的性能，S11測試結(jié)果如圖8所示。天線的中心頻率為921.15 MHz，帶寬約30 MHz。雖然實際中心頻率與設(shè)計值略有偏差，但在922.5 MHz處S11為-26.65 dB，能將99.75%的輸入功率輻射出去，表明該頻率時標(biāo)簽天線接收閱讀器查詢脈沖能量以及發(fā)射回波脈沖串能量的效率已足夠高，可實現(xiàn)系統(tǒng)的無線應(yīng)用。

圖8 FPC天線的S11參數(shù)

4 系統(tǒng)測試

實際制作了編碼容量接近三百萬的SAW標(biāo)簽(見圖2)，并制作了采用射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案的閱讀器(見圖5)，通過恒溫箱對系統(tǒng)進行標(biāo)定，如圖9所示。標(biāo)定結(jié)束后直接在-20～60 ℃內(nèi)對系統(tǒng)進行測試，標(biāo)簽解碼正確率100%，測溫精度在0.6 ℃內(nèi)。

圖9 系統(tǒng)標(biāo)定

標(biāo)簽天線彎曲后粘貼在豆奶的杯壁上，系統(tǒng)對豆奶的編碼和溫度進行測試，如圖10(a)所示。上位機界面如圖10(b)所示，除顯示編碼和測溫結(jié)果外，還可顯示回波脈沖串信號的實時變化，使測試結(jié)果更直觀。用手指按住標(biāo)簽外殼，系統(tǒng)可測出標(biāo)簽溫度逐漸上升；松開手指，同樣可測出溫度相應(yīng)下降，系統(tǒng)具有很好的響應(yīng)實時性。隨著標(biāo)簽遠離閱讀器，回波信號的強度逐漸減小，系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別和測溫的距離約在2 m。

圖10 系統(tǒng)應(yīng)用測試

5 結(jié)束語

本文以基于聲表面波技術(shù)的射頻識別與溫度傳感一體化應(yīng)用為目標(biāo)，設(shè)計了采用脈沖時延結(jié)合相位編碼方案的聲表面波標(biāo)簽。鑒于常規(guī)的基帶過采樣硬件模擬正交解調(diào)方案閱讀器存在I、Q兩路幅相不平衡等問題，設(shè)計了采用射頻直接欠采樣數(shù)字正交解調(diào)方案的閱讀器。該閱讀器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且對聲表面波標(biāo)簽的識別和測溫也更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。針對現(xiàn)有硬質(zhì)印刷偶極子標(biāo)簽天線對應(yīng)用領(lǐng)域的限制，設(shè)計制作了采用柔性PCB的折疊偶極子小型化天線。最后對搭建的系統(tǒng)進行了標(biāo)定和測試，測試結(jié)果表明了系統(tǒng)的實用性，從而可極大地拓展聲表面波技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)諸多領(lǐng)域的應(yīng)用場景。