麻省理工学院学者采用独特设计将RFID转换为自供电传感器

近年来，越来越多的零售商和制造商选择使用RFID(射频识别芯片)来跟踪他们的产品。通常这些rfid是基于纸质标签加上简单的天线和存储芯片。当这些RFID标签贴在牛奶盒或夹克衫上时，它们可以用作智能标签，向射频阅读器发送有关相关产品的身份、状态或位置的信息。

除了在整个供应链中标记产品外，RFID标签还广泛用于跟踪赌场筹码和游乐场游客和马拉松运动员的牧场牛场景。

麻省理工学院(MIT)自动识别实验室一直走在RFID技术发展的前沿。根据Jimmy Mills的咨询报告，实验室的研究人员正在努力开发RFID技术的新功能:他们开发了一种新的超高频RFID标签传感器，能够检测峰值葡萄糖和无线传输信号。未来，研究小组计划完善这种RFID传感器，以监测一氧化氮(CO)等化合物和气体的环境。

人们希望从现有的RFID基础设施中挖掘更多的价值，并扩展更多的应用，比如传感，”麻省理工学院机械工程研究所的研究生Sai Nithin Reddy Kantareddy说。“我们可以制造出成千上万种这种廉价的机器人。RFID标签传感器，它们被附着在建筑物墙壁或各种物体上，而不需要额外的电池来检测环境中所有常见的气体，如一氧化碳或氨。并以极低的成本创建一个巨大的传感器网络。”

Kantareddy的研究团队包括科学家Rahul Bhattacharya，以及麻省理工学院机械工程系的Fred Fort Flowers和Daniel Fort Flowers教授以及开放学习副总裁Sanjay Sarma。

“RFID是目前可用的最便宜、功耗最低的射频通信协议，”Sarma说。“当通用RFID芯片可以通过改进标签来感知现实世界时，那么真正意义上的传感器无处不在将成为现实。”

混合波

目前，RFID标签有多种配置，包括电池供电和无源。这两种类型的RFID标签都包含一个小型天线，用于与远程阅读器通信后向散射射频信号，发送存储在标签内的小型集成芯片上的数据或简单代码。由电池供电的标签包含一个为芯片供电的小电池。被动式RFID标签从阅读器本身收集能量。阅读器发出的无线电波的能量刚好在FCC的限制范围内，为存储芯片提供能量，并在RFID标签中反射信号接收。

近年来，研究人员已经开始尝试将无源RFID标签转换为不需要电池或更换的长期运行的传感器。这些努力通常主要是为标签天线设计的，它会根据特定的环境刺激改变其电学特性。因此，当检测到某种刺激时，天线会以不同的特征频率或信号强度将无线电波反射回阅读器。

例如，Sarma的团队之前设计了一种RFID标签天线，它可以对地球的水分做出反应，并改变无线电波的发射。该团队还创造了一种天线，可以感知流经带有RFID标签的血液的贫血。

然而，Kantareddy声称，这种以天线为中心的设计有很多缺陷，最主要的一个是“多径干扰”——甚至无线电波从单一来源(如RFID阅读器或天线)反射到表面带来混合效果。

“根据环境条件的不同，无线电波可以多次反射到墙壁和物体上，然后再反射回标签上。这可以干扰噪音的形成。”“使用基于天线的传感器，会有更高的几率被错误识别。或者是一个负信号，这意味着传感器的响应可能是不准确的，因为它受到无线电场的干扰。因此，基于天线的传感缺乏足够的可靠性。”

小的改变，大的智慧

Sarma的团队采用了一种新的解决方案:他们试图改进存储芯片，而不是针对标签天线。他们购买了一种商用集成芯片，可以在两种电源模式之间切换:一种基于射频能量模式，类似于完全无源RFID，另一种是局部能量辅助模式，如使用外部电池或电容器，类似于半无源RFID标签。

研究小组使用标准射频天线和上述芯片嵌入RFID标签。在关键的一步中，研究人员在存储芯片周围创建了一个简单的电路，当芯片感知到环境刺激时，可以让芯片切换到局部能量辅助模式。在这种模式(电池辅助被动模式，BAP)下，芯片发出一种新的协议代码，不同于它在被动模式下发出的常规代码。然后阅读器翻译这个新代码，表明RFID标签已经检测到感兴趣的环境刺激信号。

Kantareddy表示，这种基于rfid的传感器比基于天线设计的传感器更可靠，因为它从根本上区分了标签的感知和通信能力。在基于天线的传感器中，存储数据的芯片和传输数据的天线都依赖于环境中反射的无线电波。kantarareddy的新设计，它的芯片不依赖于混合无线电波来实现感知。

“我们希望数据的可靠性能够得到提高，”坎塔瑞迪说。“只要我们处于传感状态，我们的新解决方案就会传输信号增强的新协议代码，这将使我们能够清楚地确定传感器的传感和非传感状态。””。

Bhattacharyya说:“这个解决方案非常有趣，因为它也解决了环境中大量标签引起的信息过载问题。”“该解决方案放弃了通过短程无源标签对信息流进行连续分析，启用了RFID读取器。”它可以放置在足够远的地方，这样只有重要的事件才能被传达和处理。”

即插即用传感器

作为演示，研究小组开发了一种RFID血糖传感器。他们使用市售的葡萄糖传感电极，电极中充满了电解质葡萄糖氧化酶。当电解液与葡萄糖相互作用时，电极产生电荷，作为当地的能源或电池。

研究人员将这些电极连接到RFID标签的存储芯片和电路上。当他们在每个电极上添加葡萄糖时，产生的电荷可以将芯片从被动射频功率模式切换到本地充电辅助模式。葡萄糖添加的越多，芯片处于第二功率模式的时间就越长。

Kantareddy说，能够感知这种新的能量模式的阅读器可以将其作为葡萄糖存在于环境中的信号。该读卡器可以通过测量芯片处于电池辅助模式下的时间来确定葡萄糖含量——在这种模式下的时间越长，葡萄糖含量越高。

虽然研究团队开发的传感器可以检测到葡萄糖，但其性能仍然低于市售的专用葡萄糖传感器。Kantareddy表示，他们的目标不是开发一种RFID葡萄糖传感器，而是展示他们设计的相比基于天线的传感器具有更可靠的传感性能。

Kantareddy说:“使用我们的设计，获得的数据更加可靠。”

此外，它们的设计效率更高。它的标签可以在被动模式下使用附近反射的射频能量，直到感兴趣的环境刺激出现在附近。这个刺激本身可以为标签提供能量，并向阅读器发送警报代码。因此，传感器本身可以为集成芯片提供额外的能量。

“因为这种标签可以从射频和电极获得能量，它的通信范围已经大大扩大，”Kantareddy说。“使用这种设计，读卡器的距离可以达到10米以上，远远超过。1到2米。因此，同样的面积可以大大减少读者的数量和成本。”

接下来，他计划将自己的设计与不同类型的电极结合起来，开发一种RFID一氧化碳传感器。当一氧化碳出现时，它可以使传感器充电并为其供电。

“使用基于天线的设计需要为特定的应用设计特定的天线，”Kantareddy说。“在我们的设计中，我们只需要使用市售电极，即插即用，这就实现了整个设计概念。它很容易扩展。用户可以在家里或工厂现场部署数千个这样的传感器来监测锅炉、煤气罐或管道。”