射頻識(shí)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(shí)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(biāo)簽外加一個(gè)簡(jiǎn)單的天線和存儲(chǔ)芯片。當(dāng)這些RFID標(biāo)簽貼在牛奶盒或夾克上時(shí)，它們可作為智能標(biāo)記，向射頻讀取器發(fā)送相關(guān)產(chǎn)品的身份、狀態(tài)或位置等信息。

除了可在整個(gè)供應(yīng)鏈上標(biāo)記產(chǎn)品外，RFID標(biāo)簽還廣泛用于追蹤從賭場(chǎng)芯片和牧場(chǎng)牛，到游樂園游客以及馬拉松選手的各個(gè)場(chǎng)景。

MIT（美國(guó)麻省理工學(xué)院）的Auto-ID實(shí)驗(yàn)室一直處于RFID技術(shù)開發(fā)的前沿。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，現(xiàn)在，該實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在嘗試為RFID技術(shù)開拓新的功能：感知。他們開發(fā)了一種新的超高頻（UHF）RFID標(biāo)簽傳感器，能夠感知峰值葡萄糖并進(jìn)行信號(hào)的無線傳輸。未來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃完善這款RFID傳感器，監(jiān)測(cè)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(chǔ)設(shè)施中挖掘更多價(jià)值，拓展更多的應(yīng)用，例如傳感，” MIT 機(jī)械工程學(xué)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(biāo)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(cè)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(gè)巨大的傳感網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

Kantareddy的研究團(tuán)隊(duì)成員包括科學(xué)家Rahul Bhattacharya，以及MIT機(jī)械工程部Fred Fort Flowers和Daniel Fort Flowers教授兼開放學(xué)習(xí)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(dāng)通用的RFID芯片能夠通過對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行改進(jìn)來感知真實(shí)世界，那么真正意義上的傳感無處不在將成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

混雜波

目前，RFID標(biāo)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(biāo)簽都包含一個(gè)小型的天線，通過反向散射RF信號(hào)和遠(yuǎn)處的讀取器通信，向后者發(fā)送存儲(chǔ)在標(biāo)簽中小型集成芯片上的數(shù)據(jù)或簡(jiǎn)單代碼。電池供電型標(biāo)簽包含一塊為芯片供電的小型電池。而無源RFID標(biāo)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(biāo)簽中的存儲(chǔ)芯片以及反射信號(hào)接收提供能量。

近年來，研究人員已經(jīng)開始試驗(yàn)各種方法將無源RFID標(biāo)簽轉(zhuǎn)變成無需電池或無需更換的能夠長(zhǎng)期運(yùn)行的傳感器。這些努力通常主要針對(duì)標(biāo)簽天線進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，使其電學(xué)性能響應(yīng)某些環(huán)境刺激而變化。因而，當(dāng)探測(cè)到某種刺激時(shí)，天線會(huì)以不同的特征頻率或信號(hào)強(qiáng)度將無線電波反射回讀取器。

例如，Sarma的團(tuán)隊(duì)之前設(shè)計(jì)了一款RFID標(biāo)簽天線，能夠響應(yīng)泥土中的濕度，改變無線電波的發(fā)射。該團(tuán)隊(duì)還制造了一款天線，能夠感知流經(jīng)RFID標(biāo)簽血液的貧血狀況。

但是，Kantareddy稱這類以天線為中心的設(shè)計(jì)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(gè)RFID讀取器或天線）的無線電波也會(huì)在多個(gè)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(huì)在反射回標(biāo)簽前在墻壁和物體上多次反射，這會(huì)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(huì)得到錯(cuò)誤的確定或否定信號(hào)，這意味著有可能傳感器的響應(yīng)并不準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼤?huì)受到無線電場(chǎng)的干擾。因此基于天線的傳感缺乏足夠的可靠性?！?/p>

小改動(dòng)，大智慧

Sarma的團(tuán)隊(duì)采用了一種新的方案：并不針對(duì)標(biāo)簽天線，而是嘗試對(duì)其存儲(chǔ)芯片進(jìn)行改良。他們采購(gòu)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(biāo)簽。

研究團(tuán)隊(duì)利用一款標(biāo)準(zhǔn)射頻天線和上述芯片嵌入RFID標(biāo)簽。在關(guān)鍵的一步中，研究人員在存儲(chǔ)芯片周圍制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，當(dāng)芯片感知到某種環(huán)境刺激時(shí)，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(huì)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(zhuǎn)譯這個(gè)新代碼，表明RFID標(biāo)簽探測(cè)到了感興趣的環(huán)境刺激信號(hào)。

Kantareddy稱，這種基于芯片設(shè)計(jì)制作的RFID傳感器相比基于天線設(shè)計(jì)的傳感器更加可靠，因?yàn)樗鼜母旧蠀^(qū)分了標(biāo)簽的感知和通信功能。在基于天線的傳感器中，存儲(chǔ)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(shè)計(jì)，其芯片無需依賴混雜的無線電波來實(shí)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(huì)發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)的新協(xié)議代碼，因而可以清晰的判斷標(biāo)簽的傳感狀態(tài)和非傳感狀態(tài)。”

“這個(gè)方案很有意思，因?yàn)樗€解決了環(huán)境中大量標(biāo)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(biāo)簽進(jìn)行信息流解析，使RFID讀取器可以放置得足夠遠(yuǎn)，以便只對(duì)重要事件進(jìn)行通信和所需要的處理?！?/p>

即插即用型傳感器

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

研究人員將這些電極連接到RFID標(biāo)簽的存儲(chǔ)器芯片和電路。當(dāng)他們將葡萄糖添加到每個(gè)電極時(shí)，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(shí)間就越長(zhǎng)。

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(hào)。這種讀取器可以通過測(cè)量芯片處于電池輔助模式下的時(shí)間，來確定葡萄糖的含量——在這種模式下的時(shí)間越長(zhǎng)，意味著葡萄糖含量越高。

盡管該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的傳感器可以探測(cè)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(biāo)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，得到的數(shù)據(jù)更加可靠，” Kantareddy說。

此外，他們的設(shè)計(jì)效率更高。其標(biāo)簽可以利用附近反射的RF能量以無源模式運(yùn)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(biāo)簽提供電能，向讀取器發(fā)送警報(bào)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(biāo)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(shè)計(jì)，讀取器的距離可以達(dá)到10米以上，遠(yuǎn)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?！?/p>

接下來，他計(jì)劃通過將其設(shè)計(jì)與不同類型的電極結(jié)合開發(fā)一款RFID一氧化碳傳感器，當(dāng)一氧化碳出現(xiàn)時(shí)，可以使傳感器產(chǎn)生電荷，為其供能。

“采用基于天線的設(shè)計(jì)方案，需要針對(duì)特定的應(yīng)用設(shè)計(jì)特定的天線，” Kantareddy介紹說，“而采用我們的設(shè)計(jì)方案，只需要選擇利用市售的電極，即插即用，這使整個(gè)設(shè)計(jì)理念非常容易擴(kuò)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(cè)鍋爐、氣體儲(chǔ)罐或者管道?！?/p>