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RFID标签感知环境中的化学物质和气体

2019-09-12 11:05 来源:物联网世界

麻省理工学院自动化标识实验室(Auto-ID Lab)长期以来一直处于 RFID 技术的研发前沿。

实验室将传感器功能融入 RFID 标签,研发出一种工作在超高频(UHF)波段的 RFID 标签,能测量葡萄糖浓度,并将信息转发出来。在未来,该团队计划用该RFID标签来感知环境中的化学物质和气体,比如一氧化碳。

参与研究的麻省理工学院机械工程研究生 Sai Nithin Reddy Kantareddy 表示,长期以来,研究人员一直试图拓展 RFID 的功能,将具有传感能力的 RFID 标签贴在各个地方,组成巨大的廉价探测网络,用来探测一氧化碳或者氨气,而无需电池供电。

Kantareddy 与研究科学家 Rahul Bhattacharya,以及麻省理工学院开放学习副总裁兼 Daniel Fort Flowers 机械工程教授 Sanjay Sarma 共同开发了这款新型 RFID 标签。

Sarma 表示,RFID 标签是最廉价、最低功耗的射频通信工具。因此,RFID 标签融合传感功能,是物联网研究的一项里程碑。

以天线为中心的设计难逃多径干扰

之前,RFID 标签有多种类型,包括自带电池的主动 RFID 和不带电池的被动 RFID。两种标签都包含一个小天线,用户可以通过阅读器读取标签中微型芯片中的信息。主动 RFID 标签无需外部供能,而被动 RFID 标签通过阅读器发射的微波获取能量。

研究人员一直试图在被动 RFID 标签中融入传感功能。努力的方向主要包括研发能够对环境中的特定因子做出反应的天线,然后,天线向阅读器发送不同频率或者不同信号强度的数据,表明探测到了某种物质。

例如,Sarma 团队之前设计了一款 RFID 标签用的天线,会在不同的湿度下用不同的波形传输信号。他们还设计了能通过紧贴血管感知贫血的 RFID 标签。

然而,Kantareddy 认为,这种特定反应天线有一个弱点,就是多径干扰(multipath interference)。即阅读器接收到的不仅是来自 RFID 标签的直接应答信号,还有直接应答信号通过环境反射到达阅读器的多径信号。多径信号会干扰信息的正常接收,导致虚警或者漏警。

基于芯片的新型设计

Sarma 团队另辟蹊径,在芯片上做文章。他们在市面上采购了能在半主动(拥有电池,但不主动发射信号)和被动两种模式下工作的 RFID 芯片,然后为其加上标准天线。接着,他们在市售芯片上附加了设计的新芯片,使得芯片组只有在特定环境刺激下才激活半主动 RFID 模式,发射一组特定信号。该信号与被动 RFID 模式下的信号不同,能可靠地通知接收者环境中出现了某种特定物质。

Kantareddy 表示,这种方案比基于天线的传感 RFID 技术更加可靠,用户不易受到多径效应的干扰。接下来,团队将致力于通过研究新的数据格式和增强发射信号的功率,进一步提高发送数据的可靠性,降低误报警可能性。

Bhattacharyya 强调,新方案还解决了基于天线的 RFID 传感技术面临的一大问题——大量 RFID 标签同时发射时的相互干扰。之前被大量短距离被动标签发出的信号搞得困惑不已的用户,现在可以把阅读器放在远处,只有当环境中确实出现特定物质时,阅读器才会发出警报。

即插即用型传感器

在演示实验中,研究团队展示了一款基于市售葡萄糖传感器打造的 RFID 葡萄糖传感器。在葡萄糖接触到标签时,传感器中的电解质发生化学反应,产生电能,给 RFID 提供额外能量。

接着,RFID 标签脱离被动模式,转换为半主动模式。滴加的葡萄糖越多,半主动模式持续的时间就越长。

Kantareddy 表示,用户一接到半主动模式的信号,就可以知道标签已经发现葡萄糖。用户还可以进一步根据半主动模式的持续时间,来测定葡萄糖含量。

当然,目前新型 RFID 葡萄糖探测器的性能还比不上市售的成熟葡萄糖探测器。Kantareddy 表示,目前团队的主要目标不是研发葡萄糖探测器,而是展示,新型 RFID 探测器可以比传统的基于天线的 RFID 探测器更可靠地发送信号。

RFID标签感知环境中的化学物质和气体

此外,新型 RFID 探测器的效率更高,因为一方面,在没有感测到目标物质时,RFID 标签工作在被动模式,并不耗电;另一方面,环境中的目标物质本身在接触探测器时也会产生能量,因此发送信号的过程耗费电池并不多。

目前,新型 RFID 标签发射的信号可以在 10 米外接收,而现有技术只能保证 1-2 米外的接收。

接下来,团队计划研发一种一氧化碳检测器。Kantareddy 指出,基于天线的 RFID 传感器设计,对于每种特定的目标物质,都要重新设计天线。而新设计无需更换天线,只需加入目标物质的检测芯片。因此,新型 RFID 传感器可以低成本大面积部署,用来对锅炉、输气管等关键系统进行“即插即用”式的监测。

责任编辑:潘一大