RFID技术在血糖测量中的应用

　　引言
    
　　现在社会人们的物质生活条件非常优越，患有糖尿病的人越来越多，手持式血糖仪渐渐走入了普通人的生活中。在血糖仪依据血糖试纸进行血糖测量时，需要使用一个代码芯片。常用做法是，使用一个带EEPROM代码芯片的可插拔部件，将试纸的有效期等重要信息存储在这个EEPROM中。由于这个代码芯片部件和血糖仪之间通过簧片进行连接，需要经常插拔替换，因此存在着接触不良、用户在使用新的试纸时忘记更换代码芯片部件的风险。本文详细介绍了一种使用无源RFID替代EEPROM代码芯片，来存储血糖试纸的有效期等重要信息的方法。

　　1 RFID简介
    
　　RFID(Radio Frequency Identification)俗称电子标签。它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，操作快捷方便。RFID由一个询问器(或阅读器，可读写标签的信息)和单个或多个应答器(或应答标签，每个标签具有唯一的电子编码)组成。
    
　　RFID技术的基本工作原理是：阅读器发出射频信号，形成一定范围的电磁场；应答标签进入电磁场后感应接收到命令信号，依据命令返回相应的信号给阅读器；阅读器接收到信号数据后，提供给MCU进行相应的处理。
    
　　应答标签可分为以下两种：
　　①有源电子标签(主动标签)。内部装有电池，在接收到命令信号后能主动发送相应的信号数据给阅读器。有源电子标签读／写距离较远，体积较大，成本较高，电池不能长久使用，能量耗尽后就无法工作。
　　②无源电子标签(被动标签)。内部无电池，在进入阅读器的工作范围内之后接收微波信号，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，然后将存储在芯片中的信息数据发送给阅读器。无源电子标签成本很低，有很长的使用寿命，体积更小，读写距离较近。

　　2 系统硬件设计
    
　　手持式血糖仪采用电池供电，因此对各个功能模块和元件的功耗有很高的要求。综合各方面的考虑，血糖仪采用低功耗RF IC产品和MCU组成的射频识别(RFID)读取电路，血糖试纸包装盒上使用无源RFID电子标签存储试纸的信息。在进行血糖测量的过程中，按照提示使用血糖仪读取血糖试纸包装盒上的信息，就可以进行正常测量了。它是一种非接触的通信方式，RFID直接通过空间电磁场耦合通信，没有机械接触点，无磨损，数据传输安全可靠。
    
　　血糖仪在进行血糖测量的时候，需要得到试纸的信息以便计算测量结果，因此在测量之前用户需要判断血糖仪存储在内部存储器中的试纸信息是否正确。一般是核对显示在LCD屏上的代号是否和试纸包装盒上印刷的代号一致)，如果不对，就需要运行血糖仪上的RFID通信模块，将存储在血糖试纸包装盒上无源RFID电子标签中的试纸信息读入血糖仪中，参与计算测量结果。
    
　　血糖测量系统结构框图如图1所示。在血糖仪上有一个RFID信号收发电路，在试纸包装盒上有一个无源RFID电子标签，它们之间通过空间电磁场耦合进行数据交换。

图１　血糖测量系统结构框图

　　血糖仪的RFID信号收发电路接收到无源RFID电子标签的识别码后，判断该电子标签是不是用于存储试纸信息的部件：如果不是，继续发送信号寻找正确的电子标签；如果识别码正确，则发送试纸信息读取命令，等待接收试纸信息数据。RFID信号收发电路如图2所示。考虑到射频识别(RFID)电路对RF IC的低功耗需求，选择TI公司的TRF7962芯片。TRF7962是高度集成、多标准模拟前端及数据成帧系统，用于13．56 MHz的RFID读取器，内置编程选项；工作电压为2．7～5．5 V，休眠电流仅1μA，接收状态工作电流为10 mA，输出功率可编程控制为100mW或者200 mW。TRF7962芯片本身具有同时识别多个无源RFID电子标签时的防碰撞的功能；TRF7962采用低功耗模式，能有效降低系统的功耗性。天线采用 PCB腐蚀线圈，通信可靠性高。

图２　RFID信号收发电路

　　血糖试纸包装盒是一个塑料材质的圆筒状容器，体积比较小，可利用的面积也有限，因此在选择无源RFID电子标签的时候对体积也有很高的要求。在经过对比后，排除了普通名片大小的RFID射频卡，选择了体积相对很小、功耗较低的PVC钱币卡作为试纸校准参数的载体。它采用优质PVC层合生产而成，标签的结构稳固并且完全防水，尺寸很小，但是数据存储容量、通信距离、通信频率等参数不会因为体积小而有所影响，非常适用于本应用。

　　3 系统软件设计
    
　　在系统软件的设计中，通信采用ISO15693协议，增大了识别无源RFID电子标签的距离、数据传输速度；对各个命令和信号进行加密处理、通信中对命令和数据进行校验，保证了读取无源RFID电子标签数据的可靠性和安全性；13．56 MHz的工作频率保证了读取无源RFID电子标签数据的便捷性和快速性。
    
　　手持式血糖仪在不使用的时候处于休眠待机状态，除了维持MCU必要的时间功能外，其余的各个电路都处于休眠状态。使用它进行血糖测量时，需要从试纸包装盒中取出一条测试试纸，插入血糖仪的试纸插入口，使得血糖仪开始工作，各个电路功能模块逐一唤醒进入工作模式。
    
　　在进行必要的内部电路自检后，将存储在血糖仪内部存储器中的试纸信息读出，并将代号显示在LCD屏上，由用户核对代号是否和试纸包装盒上的代号一致。如果不一致，则RFID信号收发电路开始向外发送信号，寻找无源RFID电子标签，同时在LCD显示屏上提示用户将试纸包装盒靠近正在工作的血糖仪，使血糖仪能读取到该试纸的校正系数。
    
　　试纸包装盒靠近正在工作的血糖仪后，安装在包装盒上的无源RFID电子标签接收到微波信号，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，同时依据命令信号将自己的识别码发送给RFID信号收发电路，接收血糖仪发送的确认命令后，再将自身存储的试纸信息参数发送出去。
    
　　血糖仪的RFID信号收发电路接收到无源RFID电子标签的识别码后，判断该电子标签是不是用于存储试纸信息的部件：如果不是，继续发送信号寻找正确的电子标签；如果识别码正确，则发送试纸信息读取命令，等待接收试纸信息数据。

　　血糖仪的RFID信号收发电路在接收到试纸信息参数后，将数据存入MCU的RAM中，MCU控制电路控制RFID信号收发电路进入休眠状态，然后将试纸信息参数代码显示在LCD显示屏上，提示用户进行血糖测量。
    
　　如果RFID信号收发电路在接收信号过程中得到好几个识别码，那么表示在血糖仪附近有好几个血糖试纸包装盒，血糖仪会提醒用户将不正确的试纸包装盒拿走，只剩下与使用的试纸对应的包装盒，直到在RFID信号收发电路工作范围内只剩下一个无源RFID电子标签为止。由于手持式血糖仪需要考虑整体功耗，如果在一定时间内没有找到正确的电子标签，则提示出错信息，结束本次测量。
    
　　血糖仪软件由主程序、显示子程序、按钮处理子程序(包含通信子程序)、试纸测量子程序等组成。主程序流程如图3所示。

图３　主程序流程

　　在RFID电路和电子标签通信的过程中，为了防止遭遇意外干扰而导致通信失败，需要着重考虑通信的容错设计，还需要添加校验功能、加密功能，以保证识别电子标签的正确性和信息的保密性。即使添加了这么多软件功能，软件设计时还是要充分考虑各种可能的出错情况，归结到对应的出错代码，从而保证用户界面的友好。

　　结语
    
　　RFID在电子设备上已经得到了广泛的应用，但在小型手持式设备上用的还不多。本文实现了RFID在手持血糖仪上的应用，采用无源RFID存储血糖试纸的信息参数，开拓了RFID的应用领域。实验证明，该设计方案是可行性的，并且取得了满意的应用效果。