半被動式射頻辨識RFID溫度感測標籤

1. 中華民國運輸學會 101 年
學 術 論 文 研 討 會
中華民國 101 年 12 月
半被動式射頻辨識溫度感測標籤
Semi-Passive RFID Temperature Sensing Tag
作者姓名 張立光 1
作者姓名 賴理研 2
作者姓名 何台生 3
摘要
射頻辨識標籤由純粹的 ID 識別成熟應用階段進入整合環境感測器之階段，
使得射頻辨識各方面地應用更加的多樣化。半被動式感測標籤在物流上的應用，
具有追蹤與即時的優點，尤其「時間-溫度」型的半被動式感測標籤更具備價格與
性能比的優勢。
本篇文章的主旨是介紹製作一個半被動式「時間-溫度」感測標籤來實現物流
配送之時域的溫度監測過程，廠商可應用產品包裝中並於貨物運輸時進行離線記
錄或利用讀寫器線上即時無線傳輸感測器溫度等數據。
關鍵詞：讀寫器、感測標籤、射頻辨識
Abstract
The evolution of RFID Tag is advanced from ID-functioned application phase into the
sensor-integrated stage, leading to a more diversified application era. Semi-Passive RFID
Temperature Sensing Tag applied in logistics features tracking and real-time functions. The
price-performance ratio, especially for the type of “time-temperature” Semi-Passive RFID
Sensing Tag, is even more outstanding.
This paper reveals that temporal domain temperature monitoring can be achieved by a
Semi-Passive “time-temperature” sensing tag when it is applied to logistics. Vendors can
apply it either in off-line temperature data recording or online real-time wireless transmission.
Keywords: Interrogator, Sensor Tag, RFID
一、前言
產品在運輸流通過程中，缺乏全程即時感知及警示功能與緊急處置機
制，常發生失溫後又回凍及商品可用效期無法掌握品質，諸如此類事件已成
1
工業技術研究院工程師(聯絡地址：31040 新竹縣竹東鎮中興路 4 段 195 號 52 館 225 室，
電話：03-5914026，E-mail: Lihguong@itri.org.tw。
2
工業技術研究院工程師
3
工業技術研究院工程師

2. 1
為消費者是否購買商品的決定因素。藉由半被動式溫度感測標籤達到遠端近
即時監測且精確的掌握運輸狀態取得機制，提升低溫保鮮溯源技術，降低物
流成本，維繫商品品質。
本文所介紹的半被動式射頻辨識溫度感測標籤，具有反應靈敏的溫度感
測與歷史記錄機制；為了延長電池續航力，結合智慧開關機制適時關閉耗電
量高的電路，及深層睡眠韌體機制之低功率電路設計；為提升資料傳輸讀取
距離，天線設計採複合應用 couple 與 loop 方式分別增加阻抗值與電感磁通
量，達到縮小天線尺寸並提升天線增益效果。
二、Sensor Tag 架構
半被動式射頻辨識溫度感測標籤硬體設計須考量以下應用環境：(1)密閉
金屬貨櫃內箱體密集堆疊所造成之無線電波遮蔽、彼此間干擾與傳輸損耗及
(2)在維持輕量化箱體保溫效能下，溫度感測模組尺寸受限，以及貨物等物理
因素影響須耗用較大功率進行通訊等限制條件。
半被動式射頻辨識溫度感測標籤射頻通信介面採用 EM Microelectronic
公司型號 EM4325 之射頻辨識晶片，規格符合 EPC Class3 Gen-2，及相容 ISO
/ IEC 18000-6:2010 Type C and Type D 標準，此一晶片含序列周邊界面可以和
外部溫度偵測電路銜接。溫度偵測電路包括採用 Ti MSP430 為感測控制器、
可以儲存歷史溫度資料的 EEPROM、具長時效之省電電路設計及 T 型熱電耦
溫度感測及轉換元件如下圖所示：
圖 1 半被動式射頻辨識溫度感測標籤硬體架構圖
軟體在實作上配合低功耗硬體電路設計，如具深層睡眠功能之主動元件
(如微處器、電源偵測 IC、EEPROM)，並以電子開關配合韌體於深層睡眠，
同時進行周邊節電控制。此外主程序混合外部中斷機制，喚醒低功耗深層睡
眠模式，達成當感測標籤接收外部指令或自動定時紀錄溫度之電池續航力最
佳成效。如圖 2 感測標籤的功能方塊圖所示：

3. 2
圖 2 感測標籤的功能方塊圖
RF Transceiver 將射頻辨識讀寫器的指令傳遞給主程序，主程序依命令/
回應單元對應的指令功能及預先設定參數值執行程序；如果是(1)時間相關設
定指令，則進入時間執行程序。(2)盤點指令，則進入溫度資料分析執行程序。
此外，感測標籤也會依 Time Configure 的定時自動中斷信號執行溫度資
料分析及溫度資料儲存的程序。
2.1 天線設計
由於天線操作於貨櫃內嚴苛環境且微小化天線設計要求，本文之天線以
頻率 925MHz 1/4 波長為設計基礎，複合應用 dipole 與 loop 方式分別增加阻
抗值與電感磁通量以利共軛匹配設計，達到縮小天線尺寸並提升天線增益效
果，在貨櫃內有效讀取距離達 4.5m。
天線尺寸僅有 52×15mm2
，此標籤天線與溫度感測電路整合為一體，採
用 FR4 玻璃纖維基板，其介電係數和損耗參數分別為εr = 4.3 及 tanδ =
0.02。搭配天線所使用的標籤 IC 為 EM4325，其輸入阻抗為 ZA=7.9-j158Ω。
利用台灣科技大學無線通訊與電磁相容驗測實驗室之 NSI 2000 球面系
統，搭配 RFID 靜態測試系統控制讀取器之輸出功率由 30dBm~15dBm 間隔
0.25dBm 變化，以 30 度為一點進行量測，最後透過資料處理將最小可讀取功
率換算出最大可讀取距離並以 3D 方式顯示出單一標籤天線嵌入蓄冷箱整體
讀取情形如圖 3 所示。

4. 3
備註：Amp = 最大讀取距離 ；單位 dB 表示 m
圖 3 Sensor-Tag 天線遠場輻射模擬場型圖
2.2 感測標籤雛型件
產品在流通過程中，半被動式射頻辨識溫度感測標籤，依設定進行產品
溫度監測記錄，或回覆讀寫器為主要的電力消耗因素，因此選用省電元件及
關閉電源之電路設計，以及電源管理採用最佳化時域能源控制演算法之交換
式節電機制，微處器以中斷工作模式取代耗電的待機模式並搭配深層睡眠運
作模式，進行有效率的電源控制。
如圖 4 所示，半被動式射頻辨識溫度感測標籤模組採用 FR4 玻璃纖維基
板製作，尺寸大小約為寬 6.8 公分，長 6.2 公分，感測標籤主要組成元件是：
Ti MSP430 感測控制器，是屬於 16Bit RISC 架構，工作電壓範圍從
1.8V~3.6V,耗電流為 0.1uA~300uA(除工作模式外,還有五種省電模式)。輸入/
輸出周邊腳位包含非同步及同步串列通訊介面(可以直接用串列介面,作程式
更新)，有類比比較器或是作單斜率類比/數位轉換功能介面能力。
Memory 使用 Micro chip 公司串列式電子式可複寫唯讀記憶體產品(SPI
EEPROM)，型號 25LC1024，操作電壓範圍 2.5V~5.5V，電流損耗量 5mA。
本文使用 T 型熱電耦補償線(銅鎳合金線與銅線結點)及 MAXIM 公司
MAX31855TASA+T 接點補償熱電耦類比到數位轉換 IC (ADC)，可測量範圍
從-250℃~+400℃解析度為 0.25℃，溫度資料解析度為 0.0625℃，介面相容
SPI，操作電壓為 3V~3.6V，電流消耗 1.5mA,轉換時間 100mS。

5. 4
圖 4 Sensor-Tag 模組
2.3 Sensor Tag 軟體設計
Hoffman, W. [Luis 2010]於 2006 年的研究在 Cool Chain Association 預估
約有 30%的溫度敏感性產品在運送途中損失。其中冷藏運送時貯藏的溫度當
溫度上升（降低）10℃，生鮮蔬果之生化反應（呼吸作用）速度約增 2~3 倍
換言之減少園產品儲藏壽命 2～3 倍（減為 1/2~1/3），實際上視生鮮蔬果之品
類與貯藏之溫度範圍而異，部份生鮮蔬果低於適溫貯藏，易發生低溫障害，
因此溫度監測時的準確性就變得很重要。
保溫箱的溫度變化偵測並加以記錄可作為下一次蔬果運送之前的檢討及
參考，達到降低蔬果因長途運送之儲存條件所造成的損失。本文所開發的半
被動式射頻辨識溫度感測標籤可以被射頻辨識 讀寫器寫入資訊或將即時溫
度資料傳回後端控制中心。半被動式射頻辨識溫度感測標籤的微控制器程式
的兩個主要功能為管理數據的獲得和對外的通信。數據的獲得可以通過兩種
方法，(1)使用者可以經由設定感測標籤自動定時記錄，而時間可以由使用者
決定。(2) 使用者在後端控制中心可進行遠端遙控，
圖5為感測標籤主要功能狀態圖，主要功能介紹如下：(1)在 Waiting Power
這個狀態，感測標籤持續等待電源的供給，當感測標籤已被供應電源，則進
入 Tag initial state。(2)在 Sensor Tag initial 這個狀態，感測標籤啟動週邊 IO
界面，初始化內部各項參數，並執行自我狀態測試步驟。當感測標籤自我狀
態測試完成，則進入 Protocol initial state。(3)在 Protocol initial 這個狀態，感
測標籤初始化 ISO/IEC 18000-6C 協定模組，完成後則進入 Waiting command
state。(4)在 Waiting command 這個狀態，感測標籤持續等待控制端指令。當
感測標籤接收控制端指令後，則進入 Executing command state。(5)在 Executing
command 這個狀態，感測標籤會先檢查參數格式，檢查失敗即回傳錯誤碼，
如檢查成功則執行指令。指令執行完立即回傳執行結果並回到 Waiting

6. 5
command state。(6)當感測標籤低於 1/2 電源(Low power)供應時，則感測標籤
立即進入此狀態。(7)當感測標籤進入 Fail state 此狀態表示自我狀態檢查失
敗，請立即檢查感測元件是否有接或韌體參數設定錯誤。
圖 5 Core State Machine Diagram
三、系統應用整合
遠端應用程式提供後端控制中心之人機介面顯示並提供輸入點以供使用
者操作使用，使用者遠端遙控射頻辨識讀寫器與感測標籤進行非接觸式讀寫
資料，當兩者在有效距離內，感測標籤會收到掃讀器的詢答訊號，而後依據
彼此溝通之通訊協定設定及內部邏輯運算之結果，以反散射調變(Backscatter
Modulation)的方式將掃讀器傳送過來之射頻訊號反射回掃讀，藉此達到資料
讀寫之動作。
系統整合測試時的原型網路包括中華電信 3G/GPRS 電信服務及工研院
企業網際網路，車機模擬採用 COM 埠轉 TCP 的方式將本單位開發的微小化
UHF 射頻辨識讀寫器讀取到的 Sensor Tag 資料傳送到遠端(Control Center 模
擬)。如圖 6 所示雛型件系統規格如下：
 1 個隔熱箱（熱損失率（U 值）<0.424 W/m2K，±2℃，60L，重量<5.5 公
斤）
 2〜3 個蓄冷片（2.6 公斤的重量，熱存儲容量為 100〜120 千卡）
 1 個射頻辨識半被動式感測標籤
 1 個車機模擬通訊設備
 1 個射頻辨識讀寫器（EPC C1G2 標準認證）
 2 隻射頻辨識天線
 1 個遠程信息處理模塊（GSM/GPRS）

7. 6
 工作頻率：UHF
 通訊協議：ISO18000-6C（EPC C1G2）
 讀取範圍：4.5 米
 電源：12 伏直流
圖 6 系統整合 Sensor-Tag 應用架構圖
3.1 功耗測試結果
目前我們在電路設計上，以使用最少元件,其中有微處器、記憶體、實時
時鐘 (RTC)、溫度轉換傳感器及射頻辨識標籤 IC，其中微處器的省電方式我
們設定為工作及深層睡眠兩種模式，當微處器與記憶體及周邊只作<2 秒的溫
度工作記錄，如圖 7 所示，經測試後 1400mAh 電池在約 1.8mA 耗電之下續
航力可達 6 個月以上。
圖 7 Sensor-Tag 實際電流量測圖

8. 7
3.2 溫度量測測試結果
感測標籤感應溫度感測元件採用反應快速的 T 型熱電耦感測元件
(thermocouple)，量測溫度設計範圍-30℃~60℃。以固定式保溫箱搭配兩片-25
℃蓄冷片進行測試，結果如 Table 1 及圖 8 所示，經比較後本文之 Sensor Tag、
市售工業溫度計與標準溫度計實際量測結果，誤差在 0.7℃以內。
Table 1. 實際量測溫度值
時間
標準溫度計
(℃)
Sensor Tag
(℃)
市售溫度計
(℃)
20120709103351 25.3 26.7 28.3
20120709104351 16.4 1.3 19.4
20120709105251 -0.4 -3.3 -8.4
20120709105651 -3.1 -5.1 -10.5
20120709110751 -5.5 -7.8 -14
20120709112951 -7.3 -11 -17.4
20120709114151 -12.3 -11.9 -18.7
20120709114651 -12.8 -12.2 -18.9
20120709121251 -13.6 -13 -19.7
20120709122751 -13.7 -13 -18.7
20120709130351 -14.7 -13.3 -18.2
20120709132651 -14.9 -13.6 -17
20120709133651 -14.9 -13.7 -18.7
20120709143651 -14.6 -13.5 -17
20120709151051 -14.7 -13.2 -17.5
20120709152551 -14.7 -13.1 -17.6
20120709160851 -14.6 -13.2 -17.9
20120709161751 -14.7 -13.2 -17.9
20120709163051 -14.5 -13.1 -17.5
20120709170551 -13.8 -13.1 -16.4
20120709175951 -14.2 -12.5 -16.6
20120709180151 -13.9 -12.7 -16.1
20120709180851 -14.1 -12.7 -16.5
圖 8 Sensor-Tag 實際溫度量測圖

9. 8
四、結論
本研究開發半被動式射頻辨識溫度感測標籤，其中熱電耦線對於溫度感
測的補償係數與所使用熱電耦線長及材料類型有密切關係。T 型熱電耦補償
線(銅鎳合金線與銅線結點)連接至MAX31855 T+和T-接點並將信號輸入內部
電路，此 IC 調變電路將熱電耦信號調整到 ADC 輸入通道相匹配的電壓。將
熱電耦電壓轉換為等效的溫度值之前，需要補償熱電耦冷端(既是 IC 元件之
T+及 T-端)與 0℃實際參考值的差異。MAX31855 經由冷端補償對參考端溫度
變化進行檢測及修正、計算得到熱電偶的感測溫度。
目前市面上看到的溫度感測與記錄器，都需要事後到特定的機台上讀取
資料，而我們所研發設計之半被動式 RFID 溫度感測標籤，能被 RFID reader
讀取溫度與其他資料，即時(real-time)送到遠端客戶或使用者端，精確的掌握
運輸狀態取得機制，提升低溫保鮮溯源技術，降低物流成本，維繫商品品質。
參考文獻
Specification for RFID Air Interface. EPC Radio-Frequency Identity Protocols
Class-1 Generation-2 UHF RFID. Protocol for Communication at 860
MHz-960 MHz. Version 1.1.0.。
Specification for RFID Air Interface. EPC Radio-Frequency Identity Protocols
Class-1 Generation-2 UHF RFID. Conformance Requirements. Version
1.0.4.。
RIDER Tester Procedures EPC Gen-2 V2.0。
ISO/IEC WD 18000-6 REV1
Sensor-enabled RFID tag handbook. BRIDGE - Building Radio frequency
IDentification solutions for the Global Environment, January 2008
Luis Ruiz-Garcia, Loredana Lunadei. Monitoring Cold Chain Logistics by Means
of RFID. Sustainable Radio Frequency Identification Solutions, February
2010, page 37-50