温度传感标签在冷链物流中的应用

挑战和需求

所谓冷链物流是指温度敏感性产品在生产、贮藏、运输、销售各个环节中，始终处于预先制定的低温环境下，以保证物品质量，减少物流损耗的一项系统工程，一般分为冷藏(冻)加工、冷藏(冻)存储、冷藏(冻)运输及配送、冷藏(冻)销售四个部分，其中冷藏运输及配送环节是目前冷链物流的薄弱环节。由于环境变化较大，且限于技术和成本因素，在运输和配送过程中的物品温度发生改变而造成质量事故的风险相对其他环节要大。而且，通常情况下运输配送过程的封闭型往往会对后续的事故原因鉴定工作造成困难，即物品温度超过限制范围是何时何地开始出现的？是由于环境的突发性因素还是冷藏（冻）系统的持续性故障？这些问题的解决需要一个能够持续记录物品温度并将此温度数据便捷存储和发送到后台管理系统的技术。

伴随着有源 RFID技术和应用的迅猛发展，行业内逐步认识到基于有源 RFID技术的温度传感系统在冷链物流中的重要应用：有源RFID标签集成，通过温度传感器实时获取温度数据，然后传送给与之连接的RFID标签储存，RFID标签获得的数据则在进入阅读器阅读范围时被读出，以供利用。通过这种方法，可以实现对运输/配送过程中温度发生改变时的预警，或是对过程中的温度变化进行记录，从而帮助辨识可能由温度变化引发的质量变化及具体发生时间，并有助于质量事故的责任认定。例如，在医疗用血液的运输中，温度应该严格的控制在4℃(±0.5℃)，若利用传统温度监测手段，只能监测端到端的节点温度，但即使节点测量温度正常，并不能保证运输过程中的温度始终正常，而利用 RFID技术，可以了解血液在运输过程中是否发生了温度变化以及可能由此引起的质量变化。我国冷链系统与发达国家之间较大的差距意味着此市场具有不小潜力。随着物流业全开放，物流产业投资将进一步增加，冷链物流市场规模也将相应加大，将给RFID应用带来机会。就目前而言，RFID冷链物流应用已经没有技术障碍，而成本仍是主要瓶颈。目前RFID应用集中在敏感或贵重商品领域，如移植用器官、医疗用血液、骨髓、疫苗、药品以及名贵酒品、贵重花卉、高价值海产品等。除了在敏感领域和贵重领域的应用，运输距离越长和周转次数越多的冷链系统，RFID的应用需求也在相应增加。而在普通冷链应用中，虽然 RFID成本较高，但与自行开发一套“黑匣子”温度监控系统相比(如麦当劳目前正在使用的货物跟踪和温度跟踪系统)，RFID还是具有大规模应用的成本优势。随着技术不断进步使得成本降低，冷链物流RFID应用将普及化具有广阔的应用前景。

应用方案

为应对前述课题，上海秀派电子科技有限公司近期推出了基于有源 RFID 技术的冷链温度监控系统。 通过先进的有源RFID技术，在需要合适的温度监控管理来保证质量的生鲜食品和药品的物流管理和生产流程管理中，将采集到的物品温度数据持续记录在有源电子标签内，对产品的生鲜度、品质进行细致地、实时地管理。

系统的工作方式非常简单，将温度传感器采集的温度数据定时写入 RFID标签内，当 RFID标签进入远距离阅读器信号覆盖范围时，将RFID芯片内的温度数据上传给远距离阅读器，交由后端系统处理。此系统可结合 GPRS/CDMA 等技术向后台实时传输温度监控数据，以达到实时监控目标物品温度变化的效果；也可以在所运物品在达到目标地点后一次性读取所有温度数据，生成温度变化图表，完成对供应链的温度变化的监管。下图为一个完整的运输过程的温度变化示意图：

运输过程中由于各种可能的外在因素和冷藏（冻）设备的故障，物品温度通常会有所变化，有源标签内足够大的存储空间可以放置足够数量的温度记录（在理想情况下可以由数学工具模拟成一条连续的曲线）。如果温度变化超出一个预先设定的范围，比如20℃～30℃，显然，曲线中间有一段记录是明显低于 20℃，此时可以根据此一时间查询相应的地点和外在环境，以便于探究相应的温度变化原因。

通常情况下，有源标签内会设置一个时间钟，在每次启用时会跟阅读器校对时间，内置安全算法保证只有获得授权的用户才能读取标签内的数据并确保所有已经存储的温度和时间记录不能被非法修改。

在大规模的冷链物流应用中，信息采集和发送的实时性越来越被行业所重视，某些极为贵重和重要的物品如疫苗、特种血浆、急救药品等都要做一个实时性的全面监控，以待任何破坏迹象一出现就能被有效获取，并对相关应急机制起到预警作用。一个不完全的冷链物流温度监控模式如下图所示：

首先，温度标签会被加载到目标物品（箱）上，待装运出发后，即持续记录物品温度。一般有两种应用模式，一种是在每个物流环节一次性上传温度数据，物流管理有上传数据，分环节监控物品质量；另一种是在运输车辆/船舶上设置实时传输机构，等，物流管理平台能够不间断对目标物品进行监测。这两种模式的唯一区别在于，后模式能够起到抢救部分贵重物品的作用，而不仅仅是像前一种模式只能鉴定物品是否当然，有源标签是标识某一个包装箱（柜）的，同一个集装箱内的不同包装单位是可多个有源标签进行监测的。

作为国内有源 RFID 产品的首席供应商，上海秀派公司提供了经过大量现场测试的优质温度传感标签。目前，秀派电子提供的温度标签有如下特点：数据存储量大，最大可以扩展至 256KB 的用户空间；可重复使用，使用成本低，不需人工干预，不需脱离物品；通讯距离远，与基站式阅读器可在 80 米大范围通讯，与手持阅读器也能保持30米的通讯距离；内置高能锂电池供电，并采用微功耗设计，使用寿命长（5年）；标签体积小，方便安装使用。

方案特点

大流量：极高的防冲突性，采用多种防冲突方案，可支持 200 个以上标签的同时读取；

支持高速度移动读取，标识卡的移动时速可达 200 公里/小时以上。

高可靠性，工作温度-40℃~85℃，防水，防冲击。

高抗干扰：对现场各种干扰源无特殊要求，安装方便简单。

全球开放的ISM微波频段，无须申请和付费。

超低功耗：对人体更安全、更健康。

可以快捷把握生鲜度管理中最重要的运输途中的温度状况。

促进流通过程中的生鲜度管理的改善（改善出货方法、选定物流路线）。

如有需要，可扩展为由企业或联盟建立覆盖全冷链流程的冷链监测中心数据平台。

可以向消费者宣传生鲜食品的安全性，树立品牌形象。向消费者提供“放心”服务，树立品牌形象；提供温度数据记录，提升核心竞争力，满足较高层次的“绿色食品消费”需求。

符合食品安全监管要求。食品安全质量控制 HACCP 要求：根据HACCP体系的要求，原料采购接受时除了检验食品的保质期、外包装、食品外观等外，还必须对食品的内部温度及运输过程中温度的连续性进行严格检查。

温度指标可动态设定，方便使用。

产品介绍

1、温度传感标签 SP-TST-100

识别距离          最远80米（与SP-RFS-300，空气中）

工作频段          2.4－2.48G

接收灵敏度        -80 dbm ～ -90 dbm

存储空间          可扩充最大256KB

期望电池寿命     > 5 年，电池电量过低时自动报警

掉电保存期       10年以上

ID号码            64 bit

应用手册_冷链物流

工作温度          -40℃ ～ +80℃

保存温度          -60℃ ～ +85℃

抗电磁干扰       10V/m 0.1～1000MHz AM调幅电磁波

震动                10 ～ 2000Hz  15g 三个轴

自由跌落          1500mm 混凝土地面，每个面各两次

温度敏感度        0.5℃

2、阅读器（刷卡器）SP-RFS-300 系列

识别速度          100 个标签/秒 (仅限ID号)

防碰撞处理       200个标签同时读取

识别距离          最远80米（与SP－TGS系列标签，空气中）

工作频段          2.4－2.48G

输出功率          ≤3 dBm（可软件调整）

微波通讯检错    CRC16循环冗余校验

天线极化          定向/全向

标准/认证         CE；FCC；ISO9001

电源                6～12V DC（MAX 30mA）

通讯接口          RS232/485/威根 波特率：4800～115200

工作温度          -40℃ ～ +80℃

保存温度          -60℃ ～ +80℃

抗电磁干扰       10V/m 0.1～1000MHz AM调幅电磁波

可靠性             MTBF ≥ 70000小时

3、手持阅读器SP-RCF-100系列

识别速度          100 个标签/秒 (仅限ID号)

防碰撞处理       200个标签同时读取

识别距离          最远30米（与SP－TGS系列标签，空气中）

工作频段          2.4~2.48G

输出功率          ≤3 dBm（可软件调整）

微波通讯检错    CRC16循环冗余校验

天线极化          圆极化

标准/认证         CE；FCC；ISO9001

电源                PDA供电

通讯接口          CF 波特率：19200

工作温度          -40℃ ～ +80℃

保存温度          -60℃ ～ +80℃

抗电磁干扰       10V/m 0.1～1000MHz AM调幅电磁波

可靠性             MTBF ≥ 70000小时