应用于血液冷链的RFID高频电子标签研究

秦昌葵　梁丰

摘 要：针对血液冷链管理中存在的血液质量不能很好保证的问题，据宁波市中心血站提出的实时监测血液温度、时间节点及不改变血袋放置于血液筐的摆放方式等要求，设计一种应用于血液冷链的环带型RFID高频无源电子标签，该标签可满足温度检测要求，提高血液筐容积利用率，提高数据采集效率，从而为高频RFID标签应用于血液冷链管理提供了可行性。

关键词：血液冷链管理；高频；电子标签；RFID

中图分类号：TN602 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

血液在医疗和科研中都有着不可估量的价值。血液管理流程大致可分为如下几个环节：献血登记——体检与血样采集——血样检测与采血——运送至临时库房——血液质量检测——成分血制备——入库管理——血液出库。在这当中涉及到大量数据信息的采集及整理，信息采集及整理工作的繁琐造成血液管理困难，而且血液对环境温度敏感，若外部环境条件不适宜保存，就会对血液的品质造成破坏，因此在运输和存储过程中，血液质量的实时监控显得尤为重要[1-4]。

而现今已经应用于血液管理中的条码技术不能对血液在运输与存储过程中的温度及时间进行实时监控。RFID（Radio Frequency Identification）技术可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，并且不需要识别系统与识别目标之间建立光学或机械接触。RFID技术特别适合用于自动化控制，它有两种工作模式：只读模式和读写模式，且无需接触或瞄准；短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染，可替代条码[5]。射频识别系统有以下几个优势：读取便捷、数据容量大、应用场合广、数据可动态更改、安全性更好、可动态实时通信[6]。

将RFID技术用于血站血液管理，不仅能够有效避免条码信息容量小、容错率低等弊端，还可以进行非接触式识别，减少血液污染，更能多目标识别，实时跟踪血液信息，提高数据采集效率，有效地保证血液的质量，保障用血安全。

1 标签设计研究的目标、思路与框架

目前，国内外对高频RFID的研究比较成熟，将RFID应用于血液冷链的案例研究也有不少。本课题针对宁波市中心血站的技术要求（标签能检查温度，记录时间，且保证血袋能竖直放置）设计了一款环带型RFID电子标签，使得血袋能竖直地放置于血液筐（金属材质）中，如图1所示。另外，标签的工作频率为13.56 MHz左右，具有检测温度的功能，并保证标签的读取距离达到5 cm左右。

标签的设计主要包含两个部分，一是标签芯片的选型，另一个是标签天线的设计。标签的研究思路及框架如图2所示。

2 RFID电子标签的设计模型

2.1 标签芯片的选型

通过对现今主流的RFID芯片生产企业的产品进行对比研究，及根据标签设计的目的分析，奥地利微电子公司推出的SL13A芯片符合本设计的要求。SL13A标签符合ISO15693标准，工作电压范围为1.5 V至3.0 V，具有8 Kb的电可擦除只读存储器（E2PROM），具有近场通讯功能，需与高频射频识别阅读器搭配使用[7]。SL13A 可满足低成本、简便的无线数据记录应用，该器件集成了一个片上温度传感器（片上温度传感器十分精确，测量误差范围最高为0.5%）以及连接外部传感器的接口，可在被动待机模式（无电池）下使用。在被动待机模式下标签与阅读器的通信原理是：标签从阅读器天线传递的信号中获取能量，并利用此能量读取温度或外部传感器的数据，再通过唯一的ID码（该ID码用户可以根据实际需要自行编制），将读取的数据通过天线电磁感应的方式返回至阅读器，数据的返回时间也可以由阅读器记录。

2.2 标签天线的设计思想

本标签天线属于线圈型天线，其实质相当于一个谐振电路。在一定的工作频率上，当感抗等于容抗时，天线就会产生谐振。谐振回路包括标签天线的寄生电容（Cp）、并联电容（C2）和线圈电感（L），其谐振频率为[8]：

式（1）中，C为Cp和C2的并联等效电容，标签和读写器双向通信使用的载波频率就是f。

线圈的电感、线圈的匝数、线圈的面积及线圈天线的品质因数Q值等是影响天线性能的主要参数。实际调试RFID天线时，标签天线电感可以通过精密LCR测试仪测出，在条件有限的情况下，也可以采用估算公式进行估算。假定导体的直径d与导体回路直径D之比很小（d/D<0.001），则导体回路的电感可简单近似为[9]：

式中：L为线圈电感，单位为nH；A为天线线圈包围面积，单位为cm2；D为导线直径，单位为cm。

每种射频识别系统的阅读器作用距离都对应有一个最佳的天线半径R[11]。可在实际设计标签天线的大小时，不仅要考虑配套使用的阅读器天线的设计参数，还需考虑标签的应用场合，综合各要素来决定标签天线的大小。

天线的Q值不仅能影响能量的传输效率，而且对频率的选择性也有影响。较高的Q值尽管能使天线的传输能量增大，然而，标签的通带特性也会受到影响。因此在实际调节Q值时，要对各参数的选择进行折中考虑[12]。

2.3 标签的设计模型

根据前面的设计思想以及天线设计研究积累的经验，该环带型RFID电子标签的设计模型如图3所示。具体要求如下：

a.标签的周长应根据血袋左右横截面周长而定；

b.绕线圈之间不留缝隙；

c.接头的漆刮除后再焊接芯片。

3 RFID电子标签的设计制造及调试

3.1 天线的设计制造

用型号为QA-1/155、规格为直径0.21 mm的漆包线作为天线的材料，通过测量血袋左右横截面周长，将该环带型RFID电子标签的周长定为24 cm。其次，再根据工作频率以及系统本身的要求确定电感值的大致范围，本系统中取电感值为6∶8 uH，通过电感值与匝数关系的经验公式可以大概计算绕制线圈的匝数。本设计中，取电感值为7 uH。由公式（3）计算出匝数大概在5圈左右，按照标签模型设计的样式绕制天线。绕完后，再根据公式（1）选取所用的调谐电容。

3.2 标签的调试

将天线接头的漆刮除后再焊接到SL13A芯片的触点上，用网络分析仪测量出谐振频率。因为调谐的电容已知，且标称值是固定的，可以由此时测得的频率根据公式（1）反推出与此时频率相对应的电感值。再根据频率的偏移大小情况，按电感量估算公式（2）增加或减少线圈的匝数（线圈横截面积一定时，匝数与谐振频率大小成反比），直到频率达到13.56MHz左右。用网络分析仪测试标签谐振频率的实际图片如图4所示。

3.3 标签与阅读器联调

根据网络分析仪测得的结果显示，本环带型RFID电子标签已成功谐振在13.55 MHz（由于血袋是软体物品，标签会随血袋发生形变，使得线圈的面积发生变化，引起标签频率的变动，所以标签的实际频率在13.56 MHz左右）。将阅读器连接至电脑，通过测试软件设置链接端口、读取模式等参数，把标签放置在阅读器天线上，点击软件上的“Scan”按钮，就可以看到软件上显示出标签的ID号及读取的温度值，具体如图5所示。再将标签提高距离阅读器天线6 cm处（正上方方向），标签仍能被阅读器读到，再往上，标签就不能被阅读器读到了（识别距离也会受到标签面积的影响，标签的实际识别距离会在5 cm左右）。

4 结 语

为了解决血液冷链管理中存在的血液质量不能很好保证的问题，以及宁波市中心血站提出的实际需求：实时监测血液的温度、时间节点及不改变血袋放置于血液筐的摆放方式，本文设计了一种应用于血液冷链的环带型RFID电子标签，如图6所示。该标签的工作频率为13.56 MHz左右，具有检测温度的功能，且标签的读取距离达到5 cm左右。标签套入血袋上，尺寸刚好满足要求，如图7所示。随着人们对医药品安全越来越关注，及国家对冷链及物联网建设的重视，RFID标签应用与血液冷链潜在的经济价值及市场规模价值十分巨大，很难用具体的数字来衡量。

参考文献

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