温度传感器、温度传感系统、温度测量方法和装置与流程

[0001]
本发明涉及物联网技术，特别涉及一种温度传感器、温度传感系统、温度测量方法和装置。


背景技术：

[0002]
据相关数据显示，目前我国每年约有4亿吨生鲜农产品进入流通领域。然而，据粗略估计，因冷链缺失，我国水果、蔬菜在采摘、运输、储存等环节上的损失率高达25％～30％。照此计算，每年约有1亿多吨果蔬农产品腐烂，经济损失达1000亿元人民币以上。
[0003]
果蔬农产品的含水量高、保鲜期短，因此极易腐烂变质。在仓库储藏、随车运输及在卖场销售时，物品所处环境温度具有严格的要求。因此，在冷链物流系统各要素中，最重要的节点之一就是流程中的温度控制和实时的温度监测。建立健全冷链物流温度控制管理系统是提高冷链物流水平和保证食品安全的首要任务之一。
[0004]
在相关技术中，对冷链物流温度管理主要集中在数据追踪和记录方面。
[0005]
传统的果蔬供应链保鲜运输中采用温度指示剂。当环境温度超过一定值时，指示剂变色。指示剂虽然成本较低，但是需要人工通过肉眼观察，工作量较大。
[0006]
随着物联网技术的兴起，结合射频识别(rfid)和现代传感技术的“智能温度传感器”应运而生。采用rfid标签对产品的温度进行监测和记录，能够避免人工监测和记录存在的误差问题和效率问题。并且这类传感器对数据信息、时间地点的记录也很准确，而且还可以重复使用。
[0007]
在相关技术中，一般开发专用的rfid无源芯片，并在芯片上加载温度传感器模块。集成于无源rfid标签芯片的温度传感器采用模数转换(adc)结构。或者，采用有源或半有源的rfid标签，并加载温度传感单元。


技术实现要素：

[0008]
发明人经过分析后发现，开发专用芯片的优点在于温度检测精度较高，并且具有较宽的测量范围。其不足是开发成本较高，芯片的可靠性有待考量。并且功耗非常大，往往达到数mw甚至更高，标签的读取距离在1米以下，因而模数传感器(adc)的结构显然不适用于无源rfid标签芯片中。而对于采用有源/半有源rfid标签的方式，由于有电池的加入，增加了传感器的成本。同时尺寸较大，安装受限。
[0009]
本发明实施例所要解决的一个技术问题是：如何提供一种低成本、便于检测的温度传感器。
[0010]
根据本发明一些实施例的第一个方面，提供一种温度传感器，包括：壳体；金属板，置于壳体中；温感件，固定在壳体底部的内壁、并且一端顶靠金属板，响应于温度发生变化而产生形变、并带动金属板移动；电子标签，固定于壳体中，并且位于金属板的上方。
[0011]
在一些实施例中，在预设的温度范围内，温感件随着温度的升高而产生不可逆的膨胀。
[0012]
在一些实施例中，温感件为热致形状记忆高分子聚合物tsmp材料。
[0013]
在一些实施例中，壳体的顶部使用透波材料制成。
[0014]
在一些实施例中，透波材料为环氧树脂。
[0015]
在一些实施例中，电子标签贴附于壳体的顶部内壁。
[0016]
在一些实施例中，电子标签的外边缘与壳体的顶部的内边缘的间距不低于0.2个波长，波长为电子标签读写器的发射信号的波长。
[0017]
在一些实施例中，电子标签与金属板之间的最大距离不超过1/4个波长，波长为电子标签读写器的发射信号的波长。
[0018]
在一些实施例中，电子标签具备窄带特性、线极化特性、工作频段随金属板的逼近呈线性单向漂移的特性中的一种或多种特性。
[0019]
在一些实施例中，温度传感器还包括：限位装置，具有锁定状态和解锁状态，其中，在锁定状态下，限位装置限制金属板向电子标签移动。
[0020]
在一些实施例中，壳体的侧壁设有插孔；并且，限位装置为插销，在锁定状态下，插销穿过插孔、并伸入壳体中。
[0021]
根据本发明一些实施例的第二个方面，提供一种温度传感系统，包括：前述任意一种温度传感器；以及，温度测量装置，被配置为根据温度传感器中的电子标签的信号强度与温度之间的预设关系，确定温度传感器所在环境的温度。
[0022]
在一些实施例中，温度传感系统还包括：电子标签读写器，被配置为通过读取温度传感器中的电子标签，获得电子标签返回的信号的信号强度。
[0023]
根据本发明一些实施例的第三个方面，提供一种温度测量方法，包括：获取电子标签读写器获得的、电子标签的信号的信号强度，其中，电子标签为前述任意一种温度传感器中的电子标签；根据信号强度与温度之间的预设关系，确定温度传感器所在环境的温度。
[0024]
在一些实施例中，温度传感器所在环境的温度与信号强度呈负相关关系。
[0025]
根据本发明一些实施例的第四个方面，提供一种温度测量装置，包括：存储器；以及耦接至存储器的处理器，处理器被配置为基于存储在存储器中的指令，执行前述任意一种温度测量方法。
[0026]
根据本发明一些实施例的第五个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现前述任意一种温度测量方法。
[0027]
上述发明中的一些实施例具有如下优点或有益效果：通过使用在温度变化时能够产生形变的温感件顶靠金属板，使得当温度变化时，金属板和电子标签之间距离改变，导致电子标签发射的信号强度改变。通过测量信号强度，可以间接推导出温度。从而，通过上述实施例，无需开发专用的温感标签，也无需为标签供电，可以实现低成本、小体积的温度传感器。
[0028]
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1示出了rfid标签的工作环境示意图。
[0031]
图2示出了根据本发明一些实施例的温度传感器的结构示意图。
[0032]
图3示出了根据本发明另一些实施例的温度传感器的结构示意图。
[0033]
图4示出了根据本发明又一些实施例的温度传感器的结构示意图。
[0034]
图5示出了根据本发明一些实施例的温度传感系统的结构示意图。
[0035]
图6示出了根据本发明一些实施例的温度测量方法的流程示意图。
[0036]
图7示出了根据本发明一些实施例的温度测量装置的结构示意图。
[0037]
图8示出了根据本发明另一些实施例的温度测量装置的结构示意图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
[0040]
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
[0041]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
[0042]
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
[0043]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0044]
发明人经过分析后发现，金属物体对于电子标签的天线参数及性能存在影响，包括对天线场的影响和对天线参数的影响。
[0045]
图1示出了rfid标签的工作环境示意图。如图1所示，rfid标签12中的天线所工作的场中有读写器11发射来的入射波110、天线反射波120和被金属板13反射回来的反射波130。入射波110与反射波130存在着一定的相位差，导致两者之间在一定程度上相互抵消、使得场强减弱。在一定波长范围之内，随着金属板13与rfid标签12的间距减小，工作在此环境下的rfid标签12的天线感应到的电流逐渐单调衰减。由于该电流用来为rfid标签12的芯片提供能量，因此当间距为0时，无法使得rfid标签12的芯片被激活，从而导致rfid标签12无法工作。
[0046]
对于读写器11端，随着金属板13与rfid标签12的间距在一定范围内被拉近，相同读写距离下的读写器所接收到的标签返回能量值rssi(received signal strength indication)单调减少。
[0047]
因此发明人意识到，从读写器端接收到的rssi值可以间接检测出农作物储运环境温度。发明人提出了基于金属板与电子标签间的距离反映环境温度的温度传感器。下面参考图2描述本发明温度传感器的实施例。
[0048]
图2示出了根据本发明一些实施例的温度传感器的结构示意图。如图2所示，该实施例的温度传感器20包括壳体210、金属板220、温感件230和电子标签240。
[0049]
在一些实施例中，壳体210的底部为金属材质，从而具有更好的导热性能，使得内部的温感件230能够更准确地感测到温度变化。
[0050]
在一些实施例中，壳体210为具有刚体属性的材料制成，从而不易形变，可以尽量避免外部环境对传感器内部的破坏性。
[0051]
金属板220置于壳体中。在一些实施例中，金属板220为铜板或铝板。
[0052]
在一些实施例中，金属板220与壳体210底面的尺寸差距在预设范围内，并且金属板220的边缘与壳体210的侧壁内部具有缝隙，以使得金属板220能够流畅地移动。
[0053]
温感件230固定在壳体底部的内壁、并且一端顶靠金属板220，响应于温度发生变化而产生形变、并带动金属板移动。
[0054]
在一些实施例中，金属板220的下表面与温感件230的上表面固定。
[0055]
在一些实施例中，在预设的温度范围内，温感件随着温度的升高而产生不可逆的膨胀。在这种情况下，温度传感器10能够反映在测试期间内被测环境温度的最大值。从而，对于农产品、冷链食品、血液、疫苗等对温度敏感的产品的运输过程中，可以通过该实施例的温度传感器确定被测环境是否曾经超过允许的温度，因此能够更准确地掌握这些产品在运输途中的温度情况。
[0056]
在一些实施例中，温感件为tsmp(temperature shape memory polymer，热致形状记忆高分子聚合物)材料，例如包括聚降冰片烯、反式，聚异戊二烯和聚氨酯等等。形状记忆是指具有初始形状的制品，经形变固定之后，通过加热等外部条件刺激手段的处理，又可使其恢复初始形状的现象。由于tsmp材料的属性，tsmp材料随着温度的升高单调膨胀，并带动顶层金属板单调上升，拉进与电子标签的间距。
[0057]
tsmp材料在预设的温度范围内可以恢复初始形状，从而温度传感器可以多次使用。
[0058]
在一些实施例中，根据产品储运环境的温度要求tg及容许的最大温度上限th，设计tsmp材料属性。然后，获取温度从tg到th的变化过程中，tsmp材料高度的上升幅度，并根据该上升幅度设计壳体210的腔体高度。
[0059]
电子标签240固定于壳体210中，并且位于金属板220的上方。
[0060]
在一些实施例中，电子标签240为无源电子标签。
[0061]
在一些实施例中，电子标签240与金属板220之间的最大距离不超过1/4个波长，该波长为电子标签读写器的发射信号的波长。例如，可以令电子标签240与金属板220之间的初始距离小于1/4个波长。发明人经过测试后发现，在0～1/4波长的距离范围内，电子标签返回的信号的信号强度随着电子标签和金属板的距离的拉近而单调性降低，即，存在信号强度和温度间的一一对应关系。因此，在1/4个波长的距离范围内，可以获得更准确的温度检测结果。
[0062]
在一些实施例中，电子标签具备窄带特性、线极化特性、工作频段随金属板的逼近
呈线性单向漂移的特性中的一种或多种特性。
[0063]
窄带特性是指金属板与电子标签的距离越近，则频偏越大。例如可以使用-10db带宽，国标范围为[920,925]mh。随着温度升高，金属板与标签距离拉近，标签的工作频率单调变化。一旦频带较窄，则能更敏感地反映出温度变化。
[0064]
线极化的电子标签相较于圆极化的电子标签，对于金属板与电子标签间距变化的反应更敏感，从而可以更精确地反映温度变化。
[0065]
工作频段随金属板的逼近呈线性单向漂移使得信号强度和温度间存在一一对应关系。因此可以获得更准确的温度检测结果。
[0066]
在一些实施例中，标签外形的最大尺寸控制在单标签尺寸以内，例如5cm*5cm以内。一般情况下，单标签对于温度的变化灵敏度较高，并可以不考虑标签之间的互相耦合。
[0067]
在使用时，可以将温度传感器置于被测环境中。对于农产品等对表面温度较高的产品，还可以将温度传感器的底面贴合到产品表面，以更准确地测量产品温度。
[0068]
通过使用在温度变化时能够产生形变的温感件顶靠金属板，使得当温度变化时，金属板和电子标签之间距离改变，导致电子标签发射的信号强度改变。通过测量信号强度，可以间接推导出温度。从而，通过上述实施例，无需开发专用的温感标签，也无需为标签供电，可以实现低成本、小体积的温度传感器。
[0069]
并且，在温感件为tsmp材料的情况下，温度传感器能够记录一段时间内监测到的最大温度，从而有利于对储藏温度要求较高的产品的监测。
[0070]
图3示出了根据本发明另一些实施例的温度传感器的结构示意图。如图3所示，该实施例的温度传感器30包括壳体310、金属板320、温感件330和电子标签340，这些部件的具体实施方式可以参考前述各个实施例，这里不再赘述。
[0071]
在一些实施例中，壳体310的顶部3100使用透波材料制成。从而在使用标签读写器读取标签时，可以从壳体310的顶部方向读取，降低了反射率、提高了传输率。
[0072]
在一些实施例中，顶部3100使用的透波材料的介电常数ε尽可能低，例如可以设置为低于预设的介电常数阈值。真空的介电常数为1，为了减少外界环境对电子标签返回信号的干扰，理想情况应该是真空环境，故介电常数越贴近于1，则测量结果越准确一些。
[0073]
在一些实施例中，顶部3100使用的透波材料的损耗角正切tanδ低至接近于零，例如可以设置为低于预设的损耗角正切阈值，以达到最小反射和最大传输的目的。tanδ是指电介质在单位时间内每单位体积中，将电能转化为热能(以发热形式)而消耗的能量。tanδ越大，材料的吸波性能就越好。制备复合吸波材料时，可从调节复合体系的电磁参数方面,来提高材料的等效电磁损耗角因子。
[0074]
在一些实施例中，顶部3100使用的透波材料的ε和tanδ不随温度、频率有明显的变化，例如在温升100℃的条件下，ε变化小于1％。从而，使得在气动加热条件下，能够尽可能不失真地令电磁波透过。
[0075]
在一些实施例中，透波材料为环氧树脂。环氧树脂的一个示例性的参数如下：
[0076]
密度：1.30g/cm3、弯曲强度：97mpa、弯曲模量：3.8、介电常数：3.0(在10ghz的测试频率下)、正切损耗：0.020(在10ghz的测试频率下)。
[0077]
在一些实施例中，电子标签340贴附于壳体的顶部3100内壁。
[0078]
在一些实施例中，电子标签340的外边缘与壳体的顶部3100的内边缘的间距不低
于0.2个波长，波长为电子标签读写器的发射信号的波长。在间距不低于0.2个波长的情况下，能够更大幅度地减少周边环境对于电磁信号的干扰。
[0079]
在一些实施例中，温度传感器还包括限位装置，具有锁定状态和解锁状态，其中，在锁定状态下，限位装置限制金属板向电子标签移动。在解锁状态下，金属板能够随着温感件的形变而产生移动。图4示例性地示出了限位装置的一种实施方式。
[0080]
图4示出了根据本发明又一些实施例的温度传感器的结构示意图。如图4所示，该实施例的温度传感器40包括壳体410、金属板420、温感件430和电子标签440，这些部件的具体实施方式可以参考前述各个实施例，这里不再赘述。
[0081]
在一些实施例中，限位装置为插销450。壳体410的侧壁设有插孔。在锁定状态下，插销450穿过插孔、并伸入壳体410中。并且，插销450伸入壳体的部分与金属板420的移动路径存在交集，以阻挡金属板420的移动。
[0082]
在一些实施例中，通过移动插销450、使得插销450伸入壳体的部分与金属板420的移动路径存无交集，使得插销450处于解锁状态。
[0083]
本领域技术人员还可以采用其他方式实现限位装置，这里不再赘述。
[0084]
下面参考图5描述本发明温度传感系统的实施例。
[0085]
图5示出了根据本发明一些实施例的温度传感系统的结构示意图。如图5所示，该实施例的温度传感系统5包括温度传感器51和温度测量装置52。温度传感器51的具体实施方式参考前述实施例，这里不再赘述。温度测量装置52被配置为根据温度传感器中的电子标签的信号强度与温度之间的预设关系，确定温度传感器所在环境的温度。
[0086]
在一些实施例中，温度传感器所在环境的温度与信号强度呈负相关关系。即，随着温度的升高，信号强度单调递减。
[0087]
在一些实施例中，该预设关系可以通过预先的测试确定。例如，预先设定环境温度，将温度传感器置于其中，并测试该温度下电子标签发射的信号的信号强度。通过记录这些数据，可以对数据进行拟合，以生成信号强度与温度之间的函数关系。
[0088]
在一些实施例中，温度传感系统5还包括电子标签读写器53，被配置为通过读取温度传感器51中的电子标签，获得电子标签返回的信号的信号强度。
[0089]
下面参考图6描述本发明温度测量方法的实施例。
[0090]
图6示出了根据本发明一些实施例的温度测量方法的流程示意图。如图6所示，该实施例的温度测量方法包括步骤s602～s604。
[0091]
在步骤s602中，获取电子标签读写器获得的、电子标签的信号的信号强度，其中，电子标签为前述各个实施例中温度传感器中的电子标签。
[0092]
在一些实施例中，信号强度为rssi值。
[0093]
在步骤s604中，根据信号强度与温度之间的预设关系，确定温度传感器所在环境的温度。
[0094]
在一些实施例中，温度传感器所在环境的温度与信号强度呈负相关关系。
[0095]
该实施例的方法通过测量信号强度，可以间接推导出温度。从而，可以高效、便捷地进行温度测量。
[0096]
图7示出了根据本发明一些实施例的温度测量装置的结构示意图。如图7所示，该实施例的温度测量装置70包括：存储器710以及耦接至该存储器710的处理器720，处理器
720被配置为基于存储在存储器710中的指令，执行前述任意一个实施例中的温度测量方法。
[0097]
其中，存储器710例如可以包括系统存储器、固定非易失性存储介质等。系统存储器例如存储有操作系统、应用程序、引导装载程序(boot loader)以及其他程序等。
[0098]
图8示出了根据本发明另一些实施例的温度测量装置的结构示意图。如图8所示，该实施例的温度测量装置80包括：存储器810以及处理器820，还可以包括输入输出接口830、网络接口840、存储接口850等。这些接口830，840，850以及存储器810和处理器820之间例如可以通过总线860连接。其中，输入输出接口830为显示器、鼠标、键盘、触摸屏等输入输出设备提供连接接口。网络接口840为各种联网设备提供连接接口。存储接口850为sd卡、u盘等外置存储设备提供连接接口。
[0099]
本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现前述任意一种温度测量方法。
[0100]
本领域内的技术人员应当明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用非瞬时性存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0101]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0102]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0103]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0104]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。