工程师将RFID标签配置为传感器

MIT研究人员正在开发感知其环境的RFID贴纸，从而实现了对环境中的化学品和其他信号的低成本监测。图像：切尔西特纳，麻省理工学院

如今，许多零售商和制造商正在使用RFID或射频识别标签跟踪他们的产品。通常，这些标签以简单的天线和内存芯片配备的纸质标签形式。当拍摄牛奶纸盒或夹套项圈时，RFID标签充当智能签名，将信息传输到射频读取器关于给定产品的身份，状态或位置。

除了在整个供应链中的产品上保持标签外，RFID标签用于追踪从赌场筹码和牛到游乐园游客和马拉松运动员的所有内容。

MIT的Auto-ID Lab长期以来一直是开发RFID技术的最前沿。现在该组的工程师正在向新功能翻转技术：感应。它们开发了一种新的超高频，或UHF，RFID标签传感器配置，可感应葡萄糖中的尖峰并无线传输此信息。在未来，团队计划定制标签以感测环境中的化学品和气体，如一氧化碳。

“人们正在寻找更多的应用程序，如感官，以获得更多价值的RFID基础设施，”麻省理工学院机械工程系的研究生Sai Nithin Reddy Kantareddy说。“想象一下，创造数千个这些廉价的RFID标签传感器，您可以只会拍摄基础设施或周围物体的墙壁，以检测一氧化碳或氨像一氧化碳或氨等常见气体，而无需额外的电池。您可以在庞大的网络上廉价地部署这些便宜。“

Kantareddy开发了由小组的研究科学家Rahul Bhattacharya的传感器，以及Sanjay Sarma，弗雷德堡堡和丹尼尔堡·丹尼尔堡鲜花机械工程教授和麻省理工学院开放式学习副总裁。研究人员在IEEE国际RFID会议上展示了他们的设计，他们的结果本周在线出现。

“RFID是最便宜的，最低功率的RF通信协议，”Sarma说。“当可以部署通用RFID芯片以通过标签中的技巧感知真实世界时，真正的普遍感感应可以成为现实。”

混杂的波浪

目前，RFID标签可用于许多配置，包括电池辅助和“被动”品种。两种类型的标签包含一个小天线，通过反向散射RF信号，将其发送到存储在标签的小集成芯片中的简单代码或数据集中与远程读取器通信。电池辅助标签包括为该芯片提供电的小电池。被动RFID标签被设计成从读取器本身收获能量，其自然地发射在FCC限制内的足够的无线电波来为标签的存储器芯片供电并接收反射信号。

最近，研究人员一直在尝试将被动RFID标签变为可以在长时间运行的传感器中，而无需电池或更换。这些努力通常集中在操纵标签的天线，以使其电学性质响应于环境中某些刺激而改变的方式。结果，天线应该以特征性地不同的频率或信号强度反射回到读取器的无线电波，表明已经检测到某种刺激。

例如，Sarma的组以前设计了一种RFID标签 - 天线，其响应于土壤中的水分含量而变化。该团队还制作了一种天线，以感测血症血症症的迹象流过RFID标签。

但是Kantareddy表示存在缺点，这些天线的设计，主要的一个是“多径干扰”，即使来自诸如RFID读取器或天线的单个源，也可以反射多个表面的混淆效果。

“取决于环境，在反射墙壁上反射墙壁和物体的无线电波在切断标签之前，这会干扰并产生噪音，”邦达德说。“通过基于天线的传感器，您可以获得误报或否定的可能性，这意味着传感器将告诉您它感觉到某些东西，即使它没有，因为它受到无线电字段干扰的影响。所以它使基于天线的感测得分不那么可靠。“

小打小闹

Sarma的团队采取了新方法：他们尝试定制其记忆芯片而不是操纵标签的天线。他们购买了现成的集成芯片，旨在在两种不同的电源模式之间切换：基于RF能量模式，类似于完全被动RFID;和局部能量辅助模式，例如来自外部电池或电容器，类似于SemipAssive RFID标签。

该团队将每个芯片与标准射频天线一起工作到RFID标签中。在一个关键步骤中，研究人员在存储器芯片周围构建了一个简单的电路，使芯片仅在感测某一刺激时切换到局部能量辅助模式。当在这种辅助模式（商业上称为电池辅助被动模式或BAP）时，芯片发出新的协议代码，与其在被动模式下发送的正常代码不同。然后，读取器可以将该新代码解释为已检测到感兴趣的刺激的信号。

Kantareddy表示，这种基于芯片的设计可以创造比基于天线的设计更可靠的RFID传感器，因为它基本上分离了标签的传感和通信能力。在基于天线的传感器中，存储数据和发送数据的天线的芯片都取决于环境中反映的无线电波。通过这种新设计，芯片不必依赖于混杂的无线电波以便感知某些东西。

“我们希望数据的可靠性将增加，”邦达德说。“每当您感应时，有一个新的协议代码以及增加的信号强度，并且当标签感觉与不感应时，您将减少混淆。”

“这种方法很有趣，因为它还解决了信息过载问题，这些问题可以在环境中与大量标签相关联，”Bhattacharyya说。“而不是不断地通过来自短程无源标签的信息流解析，RFID读取器可以足够远，以便仅传送显着性事件并且需要处理。”

“即插即用”传感器

作为示范，研究人员开发了一种RFID葡萄糖传感器。它们设置了市售的葡萄糖感测电极，填充有电解质葡萄糖氧化酶。当电解质与葡萄糖相互作用时，电极产生电荷，用作局部能源或电池。

研究人员将这些电极连接到RFID标签的存储器芯片和电路。当它们向每个电极添加葡萄糖时，所得到的电荷使芯片从其无源RF功率模式切换到本地电荷辅助电力模式。它们添加的葡萄糖越多，芯片越长，在该二级电源模式下寿命越长。

Kantareddy说读者，感测这种新的电源模式，可以将其解释为葡萄糖存在的信号。读者可以通过测量芯片辅助模式的时间来确定葡萄糖量：在这种模式中保持较长的时间，必须越葡萄糖越多。

虽然团队的传感器能​​够检测到葡萄糖，但其性能低于市售的葡萄糖传感器。该目标Kantareddy说，不一定是开发RFID血糖传感器，而是表明可以操纵该组的设计以比基于天线的传感器更可靠地感知某物。

“随着我们的设计，数据更可信，”Kantareddy说。

设计也更有效。标签可以被动地在从附近读者反射的射频能量上运行，直到感兴趣的刺激来临。刺激本身产生充电，这为标签的芯片提供给读者发送警报代码。因此，感测的非常动作产生额外的功率来为集成芯片供电。

“由于你从RF和你的电极获得能量，这会增加你的沟通范围，”卡塔雷迪说。“通过这种设计，您的读者可以距离距离10米，而不是1或2。这可以降低读者的数量和成本，例如，设施所需的设施。“

展望未来，他计划通过将他的设计与工程化的不同类型的电极组合来开发RFID一氧化碳传感器，以在气体存在下产生电荷。

“利用基于天线的设计，您必须为特定应用设计特定的天线，”Kantareddy说。“与我们一起，您只需用这些商业上可用的电极即插即用，这使得整个想法可扩展。然后，您可以部署数百或数千个，在您的房子中或在您可以监控锅炉，气体容器或管道的设施中。“

该研究部分受到GS1组织的支持。

出版物：S. N. R. Kantareddy等，等，“UHF RFID标签IC电力模式，用于无线传感的电阻和电化学转换方式，IEEE，2018; DOI：10.1109 / RFID.2018.8376201