王紀(jì)彬,王文廉*

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

近場通信(NFC)是一種射頻識別技術(shù)(RFID),可以在短距離內(nèi)實現(xiàn)設(shè)備之間的快速通信[1-3]。雖然近場通信已存在十多年,但這種技術(shù)直到付費系統(tǒng)的大量使用才得以延伸。此外,目前大多數(shù)智能手機(jī)都配備NFC,NFC在物聯(lián)網(wǎng)場景中的重要性正在快速增長[2]。

NFC對于低成本傳感器和測量系統(tǒng)的開發(fā)也很有意義,因為它提供了一種快速簡便的方法來從中獲取數(shù)據(jù),即只需將閱讀器接近標(biāo)簽,而無需配對設(shè)備。目前研究的應(yīng)用包括,以叉指電容為傳感器制作的基于NFC的無源土壤水分測量系統(tǒng)[4],將柔性PH傳感器結(jié)合NFC用于傷口感染的在線監(jiān)測[5],基于NFC的無線熒光計用于測量紙張中的氯化物[6],一種基于無源NFC標(biāo)簽的MOSFET劑量測量系統(tǒng)[7],使用多種氣體傳感器設(shè)計的一種柔性無源近場通信標(biāo)簽[8]。

目前這些已知的測量系統(tǒng)大都是使用NFC芯片自身感應(yīng)的能量來為傳感器和控制器供電[9]。但NFC芯片的不足之處在于其感應(yīng)輸出的電流較小,很難實現(xiàn)為一些功耗較高的測量系統(tǒng)供電。本文采用一種分時控制的積能方案,為高功耗的信號檢測電路供電。配合體溫傳感器,有希望實現(xiàn)基于NFC的無源體溫測量系統(tǒng)。

體溫參數(shù)是反映人體健康狀況的一項重要生理指標(biāo)。測量人體體溫的設(shè)備主要有水銀體溫計、紅外體溫計和電子體溫計。水銀體溫計容易破碎,使用耗時較長,需要人工讀取數(shù)據(jù),使用后還需人工復(fù)位,同時溫度數(shù)據(jù)也不能存儲;紅外體溫計雖然測溫速度快,方便衛(wèi)生,但其成本較高,同時容易受環(huán)境因素的影響,測溫準(zhǔn)確度不高;電子體溫計由于其快捷、方便,正越來越受到消費者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的青睞。而熱敏電阻因具有響應(yīng)速度快、靈敏度髙、成本低和易于集成等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在電子體溫測量中[10-12]。

基于提出的積能策略,以熱敏電阻為溫度傳感器,研制了一種基于NFC的無源體溫測量系統(tǒng)。利用隨身攜帶的智能手機(jī),可以實現(xiàn)體溫的快速測量、顯示和記錄。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 工作原理

圖1描繪了該工作中提出的系統(tǒng)工作原理。當(dāng)智能手機(jī)靠近NFC天線時,天線接收到來自手機(jī)的磁場,NFC IC(Ntag I2C)會自動喚醒。如果能量收集模式被激活并且磁場強(qiáng)度足夠(高于芯片配置的能量收集的閾值),Ntag I2C從RF場接收的過剩能量可以為檢測系統(tǒng)的其他組成部分供電。該芯片在最高電流吸收模式下能夠提供5mA的電流。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

當(dāng)積能單元被啟動,信號測量的各組成部分開始工作。恒流電路產(chǎn)生穩(wěn)定的電流給溫度傳感器(熱敏電阻),熱敏電阻上的電壓信號被放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,對數(shù)字信號進(jìn)行計算和處理可以得到溫度測量結(jié)果。這個結(jié)果被發(fā)送到Ntag I2C,通過NFC天線傳送到智能手機(jī),在APP程序界面上顯示。

由于NFC芯片從智能手機(jī)感應(yīng)出能量并且輸出電流在3.0 V時小于5 mA,無法承擔(dān)整個電路的功耗;因此,積能單元是整個系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。如圖2所示,給出了一種分時控制的積能方法。NFC芯片從智能手機(jī)感應(yīng)能量并輸出3.0 V電壓(VNFC)以對儲能電容器(Cst)充電。隨著時間的增加,能量在電容器中累積到一定的閾值電壓。低壓差穩(wěn)壓器打開,為測量電路的各個部分供電。當(dāng)儲能電壓(Vst)低于某個閾值時,穩(wěn)壓器關(guān)閉,能量再次累積在儲能電容器中。通過控制切換時間,可以實現(xiàn)與測量電路相對應(yīng)的不同電流負(fù)載(Rload)。具體地,可以通過更長的關(guān)斷時間來使儲能電容器中累積的能量更多,從而獲得更大的負(fù)載電流。為了確保輸出電壓Vload的穩(wěn)定性,使用2.5 V輸出電壓調(diào)節(jié)器裝置作為開關(guān)電路;通過將具有不同占空比的控制信號(Ssc)輸入到電壓調(diào)節(jié)器的控制引腳,可以實現(xiàn)分時開關(guān)控制。

圖2 積能工作原理

1.2 體溫測量

本文選擇的是NTC熱敏電阻作為溫度傳感器,型號為MF54-503E3953EX-1-30,測溫精度±0.01 ℃,阻值精度±0.05%;在37 ℃時對應(yīng)的電阻值為30 kΩ,能夠?qū)崿F(xiàn)體溫的精確測量。

體溫測量的精度不僅僅與NTC熱敏電阻的精度、非線性度等參數(shù)有關(guān),也與測量電路的精度相關(guān),其中最主要是恒流電路的精度。恒流電路主要由美國德州儀器生產(chǎn)的三端可調(diào)電流源LM334組成,由于該芯片輸出電流精度與溫度變化有關(guān),為提高恒流電路精度,在此基礎(chǔ)上增加了一個負(fù)溫度系數(shù)的二極管IN457,設(shè)計了一種超低溫度漂移的恒流電路,用于抑制環(huán)境溫度改變對恒流電路輸出電流的影響[13]。而其中的電阻采用的也是精度為±0.1%、溫度系數(shù)為25 ppm/℃的高精度高穩(wěn)定性的電阻,如圖3所示為傳感器的測量電路:

圖3 體溫測量電路

恒流電路產(chǎn)生的電流I通過熱敏電阻RT,電流mA可表示為

(1)

式中:滿足R2/R1=10.0,取R1=25 kΩ,R2=250 kΩ。

熱敏電阻兩端的電壓ΔV為

ΔV=IRT

(2)

RT為熱敏電阻的電阻值,放大器的增益為A,輸入ADC的電壓模擬量Vs為

Vs=IRTA

(3)

RC兩端的電壓Vc影響儀表放大器的共模電壓[14]。

圖4 控制電平對積能電壓Vst和負(fù)載電壓Vload的影響

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 積能效應(yīng)實驗分析

為了確定積能效應(yīng)的性能,因此對電路積能部分進(jìn)行了實驗分析。積能效應(yīng)通過分時控制來實現(xiàn),具體為通過調(diào)節(jié)低壓差穩(wěn)壓器的開關(guān)時間來實現(xiàn)不同的能量積累需求。電路工作原理為,給穩(wěn)壓器件的開關(guān)引腳輸入占空比不同的電平,來實現(xiàn)不同的積能。圖4描述了Rch=800 Ω,Cst=940 μF,Rload=200 Ω時,控制電平與積能電壓和負(fù)載電壓的關(guān)系。當(dāng)控制引腳上的電平為低時,儲能電容充電,負(fù)載電源關(guān)閉。隨著充電時間的增加,儲能電壓上升至飽和電壓3.0 V,負(fù)載電壓為0 V。當(dāng)控制電平為高時,積能電壓下降,而負(fù)載電壓輸出2.5 V。低電平對應(yīng)的積能時間越長,負(fù)載能力越強(qiáng)。

圖5是積能時間Tchar對輸出負(fù)載能力的影響。當(dāng)Rch=800 Ω,Cst=940 μF,Rload=200 Ω時,對積能時間Tch分別為0.8 s,2.0 s,4.5 s時的輸出電壓進(jìn)行了分析。當(dāng)積能時間只有0.8 s時,負(fù)載時間非常短,能保持穩(wěn)定輸出電壓的時間幾乎為零。當(dāng)積能時間增加到2.0 s時,負(fù)載時間Tload可以提高到0.03 s,當(dāng)積能時間增加到4.5 s時,負(fù)載時間可以提高到0.05 s,這完全可以滿足一個時刻測量工作的時間需求。

圖5 積能時間對負(fù)載電壓Vload的影響

儲能電容的大小對積能效應(yīng)有一定的影響,電容越大,積能能力越強(qiáng)。圖6所示為對不同儲能電容大小時,負(fù)載時間隨著充電時間的改變。從圖中可以看出,在儲能電容大小不同時,負(fù)載時間隨著充電時間的增加而增加。但是電容越小,越容易飽和。當(dāng)儲能電容為470 μF時,負(fù)載時間最長只能達(dá)到20 ms,而電容增加到940 μF時,負(fù)載時間可以達(dá)到40ms。在大多數(shù)情況下,電容越大,相同的積能時間會帶來更長的負(fù)載時間。但是,越大的電容需要越長的最小充電時間。可以看到,當(dāng)儲能電容為1 410 μF時,如果積能時間為1.0 s,幾乎不能產(chǎn)生有效的負(fù)載時間。在積能時間為1.5 s時,也出現(xiàn)了大電容負(fù)載時間小于小電容負(fù)載時間的情況。這是因為在電容越大的情況下,過短的積能時間難以提高儲能電壓Vst,這使得穩(wěn)壓器件不能正常工作,從而造成更短的負(fù)載時間。

圖6 不同的充電電容時,負(fù)載時間隨著充電時間的變化

2.2 傳感器標(biāo)定

NTC熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,根據(jù)體溫測量需要,對NTC熱敏電阻在35 ℃～42 ℃采用密閉高低溫試驗箱控制溫度,使用精密LCR數(shù)字電橋來測量NTC熱敏電阻隨著溫度變化而對應(yīng)的電阻值,測得的實際數(shù)據(jù)如下。由圖7可以看出熱敏電阻具有非線性特性,且呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系。

圖7 實測點與傳統(tǒng)校正方程對比圖

傳統(tǒng)的NTC熱敏電阻校正方程:

RT=RNeB(1/T-1/TN)

(4)

式中:RT是當(dāng)溫度為T時的電阻值,RN是當(dāng)溫度為TN時的電阻值[15],B是電阻材料常數(shù)。使用傳統(tǒng)的校正方程與實際測量值有一定的誤差,引入非線性誤差比較大。校正方程擬合的曲線和實際測量數(shù)據(jù)的對比,采用TN=37 ℃,可以看出傳統(tǒng)校正方程擬合出的曲線與實際測量點最大誤差在0.12 ℃。而使用一些其他的建模技術(shù)可以提高NTC熱敏電阻的精度。麻省科德角伍德修爾海洋學(xué)研究所工作的2位海洋學(xué)家在海洋研究中為了得到精確的溫度測量方法通過累試法加上數(shù)字直覺得出

圖8 Steinhart-Hart方程與實測點的對比圖

1/T=A+BlnR+C(lnR)3

(5)

式中:T指開氏溫標(biāo)的絕對溫度,A、B、C是熱敏電阻常量參數(shù)R是熱敏電阻的歐姆電阻值,ln是自然對數(shù)。式(5)即為以2位科學(xué)家命名的Steinhart-Hart方程,三階方程可以在0～100 ℃的測溫范圍內(nèi)達(dá)到0.01 ℃的誤差。曲線擬合系數(shù)必須先根據(jù)3個校準(zhǔn)點確定它們是在有關(guān)溫度量程低端、中點、高端的電阻值。將每對電阻溫度值都插入到公式中產(chǎn)生一組聯(lián)立方程式,解聯(lián)立方程式就可得到A、B、C三個系數(shù)的值[15-17]。如圖8所示為將測量后的3個校準(zhǔn)點(TA=35 ℃,TB=38.5 ℃,TC=42 ℃)代入方程后得到A、B、C三個系數(shù)的值擬合出的曲線以及與實測點及曲線的線性對照線的對比圖,最大誤差為0.05 ℃。

影響系統(tǒng)測量誤差的因素包括恒流源的誤差、A/D轉(zhuǎn)換誤差和放大增益的誤差等。選用高精度的電子元器件和硬件校準(zhǔn)措施可以減小誤差。本測量系統(tǒng)通過在標(biāo)準(zhǔn)的溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)中進(jìn)行校準(zhǔn),利用三階擬合函數(shù),測量誤差小于±0.1 ℃。

2.3 體溫檢測

為了驗證測量系統(tǒng)的可行性,對人體的不同位置溫度進(jìn)行了測量驗證。如圖9所示為對人體胳膊皮膚表層的溫度測量演示。將封裝好的溫度傳感器用醫(yī)用膠布固定在胳膊位置,將智能手機(jī)靠近NFC天線,可以通過APP觀察測量結(jié)果。

圖9 皮膚溫度測量演示

在Android智能手機(jī)中運行的應(yīng)用程序已被開發(fā)驗證,如圖9(a)所示。APP可以實現(xiàn)單點采樣和連續(xù)多點采樣的測量方式,對于多點采樣的測量過程,采樣速率是每4 s一個采樣點。在接收的數(shù)據(jù)中包含傳感器的阻值測量結(jié)果和溫度測量結(jié)果,并同時顯示在界面上。通過在APP上設(shè)置參數(shù)可以實現(xiàn)軟件下的校準(zhǔn)擬合。同時可以提供多個測量結(jié)果的變化曲線,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的存儲和管理。

為了驗證體溫測量的準(zhǔn)確性,將傳感器放置在人體腋下進(jìn)行測量,與水銀體溫計測量結(jié)果進(jìn)行對比:水銀體溫計測得的溫度為36.8 ℃,NFC無源測量系統(tǒng)測得的溫度為36.83 ℃。

3 結(jié)論

本文呈現(xiàn)一種基于NFC的低成本、無源體檢系統(tǒng)方案。針對NFC感應(yīng)的能量不足,嘗試了一種分時控制的積能方式,力圖實現(xiàn)一種較高功耗下的測量模式,可以擴(kuò)展應(yīng)用到更多的醫(yī)療檢測系統(tǒng)中。通過研制一種基于NTC熱敏電阻溫度傳感器的體溫測量樣機(jī),初步驗證了這種方案的可行性。實驗結(jié)果表明,基于NFC的測量系統(tǒng),利用隨時攜帶的智能手機(jī)可以方便實現(xiàn)體溫測量,測量結(jié)果可以在手機(jī)應(yīng)用程序上顯示,或上傳到云端進(jìn)行存儲和對數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。