射頻識別芯片;無論是追蹤還是監(jiān)控的好幫手

近年來，越來越多的零售商和制造商選擇利用RFID（射頻識別芯片）來追蹤它們的產(chǎn)品。通常這些RFID都是基于一張紙質(zhì)標簽外加一個簡單的天線和存儲芯片。當這些RFID標簽貼在牛奶盒或夾克上時，它們可作為智能標記，向射頻讀取器發(fā)送相關產(chǎn)品的身份、狀態(tài)或位置等信息。

除了可在整個供應鏈上標記產(chǎn)品外，RFID標簽還廣泛用于追蹤從賭場芯片和牧場牛，到游樂園游客以及馬拉松選手的各個場景。

MIT（美國麻省理工學院）的Auto-ID實驗室一直處于RFID技術開發(fā)的前沿。據(jù)麥姆斯咨詢報道，現(xiàn)在，該實驗室的研究人員正在嘗試為RFID技術開拓新的功能：感知。他們開發(fā)了一種新的超高頻（UHF）RFID標簽傳感器，能夠感知峰值葡萄糖并進行信號的無線傳輸。未來，該團隊計劃完善這款RFID傳感器，監(jiān)測環(huán)境中的化合物和氣體（例如一氧化氮CO）。

“人們希望從現(xiàn)有RFID基礎設施中挖掘更多價值，拓展更多的應用，例如傳感，” MIT 機械工程學院研究生Sai Nithin Reddy Kantareddy說，“我們可以打造成千上萬的這類很便宜的RFID標簽傳感器，把它們貼在建筑墻壁或各種物體上，無需額外的電池就能探測環(huán)境中各種常見氣體，例如一氧化碳或氨氣等。并以很低的成本打造一個巨大的傳感網(wǎng)絡。”

Kantareddy的研究團隊成員包括科學家Rahul Bhattacharya，以及MIT機械工程部Fred Fort Flowers和Daniel Fort Flowers教授兼開放學習副主席Sanjay Sarma。

“RFID是目前最便宜、功耗最低的RF通信協(xié)議，” Sarma稱，“當通用的RFID芯片能夠通過對標簽進行改進來感知真實世界，那么真正意義上的傳感無處不在將成為現(xiàn)實。”

目前，RFID標簽有多種配置可供選擇，包括電池供電型和無源型。兩種類型的RFID標簽都包含一個小型的天線，通過反向散射RF信號和遠處的讀取器通信，向后者發(fā)送存儲在標簽中小型集成芯片上的數(shù)據(jù)或簡單代碼。電池供電型標簽包含一塊為芯片供電的小型電池。而無源RFID標簽則從讀取器本身收集能量，讀取器在FCC限定內(nèi)發(fā)射能量恰到好處的無線電波，為RFID標簽中的存儲芯片以及反射信號接收提供能量。

近年來，研究人員已經(jīng)開始試驗各種方法將無源RFID標簽轉變成無需電池或無需更換的能夠長期運行的傳感器。這些努力通常主要針對標簽天線進行設計改造，使其電學性能響應某些環(huán)境刺激而變化。因而，當探測到某種刺激時，天線會以不同的特征頻率或信號強度將無線電波反射回讀取器。

例如，Sarma的團隊之前設計了一款RFID標簽天線，能夠響應泥土中的濕度，改變無線電波的發(fā)射。該團隊還制造了一款天線，能夠感知流經(jīng)RFID標簽血液的貧血狀況。

但是，Kantareddy稱這類以天線為中心的設計有很多缺陷，其中主要的是“多路干擾”——即使是來自單一源（例如一個RFID讀取器或天線）的無線電波也會在多個表面上反射，從而帶來混雜影響。

“根據(jù)環(huán)境狀況，無線電波會在反射回標簽前在墻壁和物體上多次反射，這會干擾并形成噪音，”Kantareddy 說，“采用基于天線的傳感器，有更高的幾率會得到錯誤的確定或否定信號，這意味著有可能傳感器的響應并不準確，因為它會受到無線電場的干擾。因此基于天線的傳感缺乏足夠的可靠性。”

Sarma的團隊采用了一種新的方案：并不針對標簽天線，而是嘗試對其存儲芯片進行改良。他們采購了市售的可在兩種供電模式下切換的集成芯片：一種是基于RF能量的模式，類似于全無源RFID；一種是本地能量輔助模式，例如利用外部電池或電容器，類似于半無源RFID標簽。

研究團隊利用一款標準射頻天線和上述芯片嵌入RFID標簽。在關鍵的一步中，研究人員在存儲芯片周圍制作了一個簡單的電路，當芯片感知到某種環(huán)境刺激時，可以使芯片切換至本地能量輔助模式。在這種模式下（電池輔助無源模式，BAP），其芯片會發(fā)射新的協(xié)議代碼，與其在無源模式下發(fā)射的常規(guī)代碼不同。然后，讀取器轉譯這個新代碼，表明RFID標簽探測到了感興趣的環(huán)境刺激信號。

Kantareddy稱，這種基于芯片設計制作的RFID傳感器相比基于天線設計的傳感器更加可靠，因為它從根本上區(qū)分了標簽的感知和通信功能。在基于天線的傳感器中，存儲數(shù)據(jù)的芯片和傳輸數(shù)據(jù)的天線都依賴于環(huán)境中反射的無線電波。而Kantareddy的新設計，其芯片無需依賴混雜的無線電波來實現(xiàn)感知。

“我們希望數(shù)據(jù)的可靠性可以獲得提升，” Kantareddy說，“只要處于傳感狀態(tài)，我們新方案就會發(fā)射信號增強的新協(xié)議代碼，因而可以清晰的判斷標簽的傳感狀態(tài)和非傳感狀態(tài)。”

“這個方案很有意思，因為它還解決了環(huán)境中大量標簽所帶來的信息過載難題，” Bhattacharyya稱，“該方案摒棄了不斷地通過短距離無源標簽進行信息流解析，使RFID讀取器可以放置得足夠遠，以便只對重要事件進行通信和所需要的處理。”

作為演示，研究團隊開發(fā)了一款RFID血糖傳感器。他們利用市售的葡萄糖感應電極，其中充滿了電解質(zhì)葡萄糖氧化酶。當電解質(zhì)與葡萄糖相互作用時，電極產(chǎn)生電荷，充當本地能源或電池。

研究人員將這些電極連接到RFID標簽的存儲器芯片和電路。當他們將葡萄糖添加到每個電極時，所產(chǎn)生的電荷可使芯片從其無源RF功率模式，切換到本地電荷輔助模式。葡萄糖添加的越多，芯片處于第二種電源模式下的時間就越長。

Kantareddy稱，能夠感知這種新電源模式的讀取器，可以將此作為環(huán)境中有葡萄糖存在的信號。這種讀取器可以通過測量芯片處于電池輔助模式下的時間，來確定葡萄糖的含量——在這種模式下的時間越長，意味著葡萄糖含量越高。

盡管該研究團隊開發(fā)的傳感器可以探測葡萄糖，但是其性能還是要低于市售的專用葡萄糖傳感器，Kantareddy表示他們的目標不是為了開發(fā)一款RFID葡萄糖傳感器，而是為了展示他們的設計相比基于天線的傳感器，其傳感性能更加可靠。

“采用我們的設計，得到的數(shù)據(jù)更加可靠，” Kantareddy說。

此外，他們的設計效率更高。其標簽可以利用附近反射的RF能量以無源模式運行，直到附近出現(xiàn)感興趣的環(huán)境刺激。而這種刺激本身可以為標簽提供電能，向讀取器發(fā)送警報代碼。因此，傳感本身，可以為集成芯片提供額外的能源。

“由于這種標簽可以從射頻和電極兩種途徑獲取能量，因此，其通信范圍獲得了極大拓展，” Kantareddy說，“利用這種設計，讀取器的距離可以達到10米以上，遠超過去的1~2米。因此，同樣的區(qū)域，可以大量減少讀取器的數(shù)量和成本。”

接下來，他計劃通過將其設計與不同類型的電極結合開發(fā)一款RFID一氧化碳傳感器，當一氧化碳出現(xiàn)時，可以使傳感器產(chǎn)生電荷，為其供能。

“采用基于天線的設計方案，需要針對特定的應用設計特定的天線，” Kantareddy介紹說，“而采用我們的設計方案，只需要選擇利用市售的電極，即插即用，這使整個設計理念非常容易擴展。用戶可以在家里或者在廠區(qū)，部署成千上萬的這類傳感器，用于監(jiān)測鍋爐、氣體儲罐或者管道。”