麻省理工学院学者采用独特设计将RFID转化为自供电传感器

近年来，越来越多的零售商和制造商选择使用RFID(无线射频识别芯片)来跟踪他们的产品。通常这些射频识别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上时，它们可以作为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群场景。

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尝试开发RFID技术的新功能:他们已经开发出一种新的超高频RFID标签传感器，能够检测血糖峰值和无线传输信号。未来，该团队计划完善这种RFID传感器，以监测环境中的化合物和气体，如一氧化氮(CO)。

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。“我们可以制造成千上万种这样的廉价产品。RFID标签传感器，它们附着在建筑物墙壁或各种物体上，不需要额外的电池来检测环境中的所有常见气体，如一氧化碳或氨。并以非常低的成本创建一个庞大的传感器网络。”

Kantareddy的研究团队包括科学家Rahul Bhattacharya、麻省理工学院机械工程弗雷德·福特·弗劳尔斯和丹尼尔·福特·弗劳尔斯教授兼开放学习副总裁桑杰·萨尔马。

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

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标签都包含一个小天线，可以与远程读取器通信反向散射RF信号，将数据或简单代码存储在标签中的小型集成芯片上。电池供电的标签包含一个小电池，为芯片供电。无源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限制内，为RFID标签中的存储芯片和反射信号接收提供能量。

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需要更换的长期传感器。这些努力通常主要是为标签天线设计的，它会根据某些环境刺激改变其电学特性。因此，当检测到某种刺激时，天线将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，它可以对土壤中的水分做出反应，并改变无线电波的发射。该团队还发明了一种天线，可以感知流经RFID标签血液的贫血情况。

然而，Kantareddy声称，这种以天线为中心的设计有许多缺陷，主要是“多径干扰”——即使来自单一来源的无线电波(如RFID阅读器或天线)在表面反射会带来混合效果。

“根据环境条件的不同，无线电波在被反射回标签之前可以多次反射到墙壁和物体上。这可能会干扰噪音的形成。”“使用基于天线的传感器，它被错误识别的可能性更高。或者是负信号，这意味着传感器的响应可能不准确，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。”

小改变，大智慧

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，而不是瞄准标签天线。他们购买了一种商用集成芯片，可以在两种功率模式之间切换:一种是基于射频能量模式，类似于全无源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来嵌入射频识别标签。关键的一步是，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，它可以切换到局部能量辅助模式。在这种模式下(电池辅助被动模式，BAP)，芯片发出一个新的协议代码，不同于它在被动模式下发出的常规代码。阅读器然后翻译这个新的代码，表明RFID标签已经检测到感兴趣的环境刺激信号。

Kantareddy说，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。在Kantareddy的新设计中，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可以得到改善，”Kantareddy说。“只要我们处于感应状态，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感应和非感应状态。”.＂

巴塔查里亚说:“这个解决方案非常有趣，因为它也解决了环境中大量标签造成的信息过载问题。”“该解决方案放弃了通过短距离无源标签对信息流的连续分析，使RFID阅读器成为可能。”它可以放置在足够远的地方，以便只有重要的事件才能进行沟通和处理。”

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感应电极，这些电极充满了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，充当局部能源或电池。

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局部电荷辅助模式。加入的葡萄糖越多，芯片处于第二功率模式的时间就越长。

Kantareddy说，能够感知这种新能量模式的阅读器可以将其作为环境中葡萄糖存在的信号。该阅读器可以通过测量芯片在电池辅助模式下的时间来确定葡萄糖的量——这种模式下的时间越长，葡萄糖含量越高。

虽然研究小组开发的传感器可以检测葡萄糖，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，而是展示他们的设计与基于天线的传感器相比，具有更可靠的传感性能。

“使用我们的设计，获得的数据更加可靠，”Kantareddy说。

此外，他们的设计更有效率。它的标签可以在被动模式下使用附近反射的射频能量，直到附近出现感兴趣的环境刺激。这种刺激本身可以为标签提供能量，并向读取器发送警报代码。因此，传感器本身可以为集成芯片提供额外的能量。

“因为这个标签可以从射频和电极中获取能量，它的通信范围已经大大扩大了，”Kantareddy说。“使用这种设计，阅读器之间的距离可以达到10米以上，远远超过。从1到2米。因此，相同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的电极，即插即用，这使得整个设计概念。它很容易扩张。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控锅炉、气罐或管道。”