Ученые MIT приняли уникальный дизайн для преобразования RFID в самомощные датчики

В последние годы все больше и больше ритейлеров и производителей решили использовать RFID (Radio Frequency Identification Chip) для отслеживания своей продукции. Часто эти RFID основаны на бумажных этикетках плюс простые антенны и чипы памяти. Когда эти RFID-метки прикреплены к молочным коробкам или курткам, они могут быть использованы в качестве умных тегов для отправки информации читателю РФ о личности, статусе или местонахождении соответствующего продукта.

В дополнение к маркировке продуктов по всей цепочке поставок, RFID-метки также широко используются для отслеживания чипов казино и ранчо сцены крупного рогатого скота для посетителей парка развлечений и марафонских бегунов.

Автоматизированная идентификационная лаборатория MIT (Massachusetts Institute of Technology) находится в авангарде разработки технологий RFID. Согласно консалтинговому отчету Джимми Миллса, исследователи в лаборатории пытаются разработать новые функции технологии RFID: Они разработали новый датчик RFID-метка UHF, способный обнаруживать пиковые сигналы глюкозы и беспроводной передачи. В будущем команда планирует улучшить этот RFID-датчик для мониторинга окружающей среды соединений и газов, таких как оксид азота (CO).

Люди хотят получить больше пользы от существующих RFID-инфраструктур и расширить больше приложений, таких как зондирование, - сказал Саи Нитин Редди Кантальди, аспирант в MIT Mechanical Engineering Institute. Мы можем создать тысячи таких дешевых. Датчики RFID-меток, они прикреплены к строительным стенам или различным объектам, без необходимости дополнительной батареи для обнаружения всех общих газов в окружающей среде, таких как угарный газ или аммиак. И создать огромную сенсорную сеть с очень низкой стоимостью. ”

В состав исследовательской группы Кантаредди входят ученые Рахул Бхаттачарья и MIT Mechanical Engineering Фред Форт Флауэрс и Даниэль Форт Флауэрс профессор и вице-президент по открытому обучению Санджей Сарма.

«RFID является самым дешевым и самым низким протоколом связи RF, доступным сегодня», - сказал Сарма. «Когда чип RFID общего назначения может чувствовать реальный мир, улучшая теги, тогда истинное чувство повсеместности датчиков станет реальностью. ”

Гибридная волна

В настоящее время RFID-метки доступны в различных конфигурациях, включая аккумуляторные батареи и пассивные. Оба типа RFID-меток содержат небольшую антенну, которая связывает броские сигналы с удаленным считывателем, отправляя данные или простой код, хранящийся на небольшом интегрированном чипе в теге. Тег с батарейным питанием содержит небольшую батарею, которая питает чип. Пассивные RFID-метки собирают энергию от самого читателя. Читатель излучает радиоволны достаточно энергии в пределах FCC, чтобы обеспечить энергию для хранения чипов и отраженный прием сигналов в RFID-метках.

В последние годы исследователи начали экспериментировать с способами преобразования пассивных RFID-меток в давние датчики, которые не требуют батарей или требуют замены. Эти усилия обычно предназначены в первую очередь для антенны тегов, которая меняет свои электрические свойства в ответ на определенные экологические стимулы. Таким образом, при обнаружении определенного стимула антенна будет отражать радиоволны обратно к читателю с различными характерными частотами или сильными сигналами.

Например, команда Сармы ранее разработала антенну RFID-метка, которая реагирует на влагу в земле и изменяет выбросы радиоволн. Команда также создала антенну, которая чувствует анемию, которая течет через RFID помеченную кровь.

Тем не менее, Kantareddy утверждал, что этот вид антенноориентированной конструкции имеет много дефектов, главным из которых является «мультипатская интерференция» даже радиоволны из одного источника (например, RFID-считыватель или антенна). Отраженный на поверхности, чтобы принести смешанные эффекты.

В зависимости от условий окружающей среды, радиоволны могут отражаться на стенах и объектах несколько раз, прежде чем они будут отражены обратно на этикетку. Это может помешать шумообразованию, - сказал Кантальди. Используя антенные датчики, есть более высокая вероятность того, что они будут неправильно определены. Или отрицательный сигнал, что означает, что ответ датчика может быть неточным, потому что он подвержен помехам со стороны радиополя. Поэтому антенное зондирование не имеет достаточной надежности».

Небольшие перемены, великая мудрость

КомандаСармыпринялановоерешение:Вместотого,чтобы нацеливаться на антенны, они пытаются улучшить свои чипы памяти. Они приобрели коммерчески доступный интегрированный чип, который может переключаться между двумя режимами питания: один на основе энергетического режима RF, похожий на полностью пассивный RFID, а другой - это местный режим помощи энергии, такой как использование внешней батареи или конденсатора, аналогично для полупассивных RFID-меток.

Исследовательская группа использовала стандартную радиочастотную антенну и вышеперечисленные чипы для включения RFID-меток. На ключевом этапе исследователи создали простую схему вокруг чипа памяти, которая позволяет чипу переключаться на местный режим с поддержкой энергии, когда чип чувствует экологический стимул. В этом режиме (пассивный режим, поддерживаемый батареей, BAP) чип выделяет новый протокольный код, который отличается от обычного кода, который он издает в пассивном режиме. Затем читатель переводит этот новый код, указывая, что RFID-метка обнаружила сигнал экологического стимулирования, представляющий интерес.

Kantareddy сказал, что этот RFID-датчик более надежен, чем датчик, основанный на дизайне антенны, потому что он принципиально отличает восприятие тега и возможности связи. В антенных датчиках, как чип, который хранит данные, так и антенна, которая передает данные, зависят от радиоволн, отраженных в окружающей среде. И новый дизайн Kantareddy, его чип не зависит от смешанных радиоволн для достижения восприятия.

«Мы надеемся, что надежность данных может быть улучшена», - сказал Кантаредди. «Пока мы находимся в чувствительном состоянии, наше новое решение будет передавать сигнализированные новые коды протоколов, которые позволят нам четко определить сенсорные и нечувствительные состояния». "

«Эторешениеоченьинтересно,потомучтоонотакжерешает проблему перегрузки информации, вызванную большим количеством тегов в окружающей среде», - сказал Бхаттахарья. «Решение отказалось от непрерывного анализа информационного потока через пассивные теги малой дальности, что позволило RFID-считывателям». Он может быть помещен достаточно далеко, чтобы можно было сообщать и обрабатывать только важные события».

Plug and play

В качестве демонстрации исследовательская группа разработала датчик глюкозы в крови RFID. Они используют коммерчески доступные датчики глюкозы электроды, которые заполнены электролитом глюкозооксидаза. Когда электролит взаимодействует с глюкозой, электрод генерирует заряд, который действует как местный источник энергии или батарея.

Исследователи подключили эти электроды к чипам и схемам памяти RFID-меток. Когда они добавляют глюкозу в каждый электрод, сгенерированный заряд может переключать чип из своего пассивного режима питания RF в местный режим помощи заряда. Чем больше глюкозы добавляется, тем дольше чип находится во втором режиме питания.

Кантальди сказал, что читатели, которые могут чувствовать этот новый режим питания, могут использовать это в качестве сигнала, что глюкоза присутствует в окружающей среде. Этот читатель может определить количество глюкозы, измеряя время, которое чип находится в режиме с поддержкой батареи - чем дольше время в этом режиме, тем выше содержание глюкозы.

Хотя датчик, разработанный исследовательской группой, может обнаруживать глюкозу, его производительность все еще ниже, чем у коммерчески доступных выделенных датчиков глюкозы. Kantareddy заявил, что их цель состоит не в разработке датчика глюкозы RFID, а в демонстрации их конструкций по сравнению с антеннами, основанными на датчике, имеет более надежную функцию зондирования.

«Используя наш дизайн, полученные данные более надежны», - сказал Kantareddy.

Кроме того, их дизайн более эффективен. Его тег может работать в пассивном режиме, используя близлежащую отраженную энергию РФ, пока не появится экологический стимул интереса. И этот стимул сам по себе может обеспечить мощность тега и отправить код оповещения читателю. Поэтому сам датчик может обеспечить дополнительную энергию для интегрированного чипа.

Поскольку этот тег может получать энергию как от RF, так и от электрода, его коммуникационный диапазон был значительно расширен», - сказал Кантальди. Используя этот дизайн, расстояние читателя может достигать более 10 метров, намного превышая. От 1 до 2 метров. Поэтому та же область может значительно снизить количество и стоимость читателей».

Затем он планирует разработать RFID-датчик окиси углерода, объединив его дизайн с различными типами электродов. Когда появляется оксид углерода, он может заставить датчик заряжать и питать его.

«Использование антенного дизайна требует разработки конкретной антенны для конкретного приложения», - сказал Kantareddy. «С нашим дизайном нам нужно использовать только коммерчески доступный электрод, плагин и игру, что делает всю концепцию дизайна. Это очень легко расширить. Пользователи могут развернуть тысячи этих датчиков дома или на заводской площадке для мониторинга котлов, газовых резервуаров или трубопроводов».