RFID標簽是怎樣感知空氣中的氣體的

麻省理工學院自動化標識實驗室（Auto-ID Lab）長期以來一直處于 RFID 技術(shù)的研發(fā)前沿。

實驗室將傳感器功能融入 RFID 標簽，研發(fā)出一種工作在超高頻（UHF）波段的 RFID 標簽，能測量葡萄糖濃度，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)出來。在未來，該團隊計劃用該RFID標簽來感知環(huán)境中的化學物質(zhì)和氣體，比如一氧化碳。

參與研究的麻省理工學院機械工程研究生 Sai Nithin Reddy Kantareddy 表示，長期以來，研究人員一直試圖拓展 RFID 的功能，將具有傳感能力的 RFID 標簽貼在各個地方，組成巨大的廉價探測網(wǎng)絡，用來探測一氧化碳或者氨氣，而無需電池供電。

Kantareddy 與研究科學家 Rahul Bhattacharya，以及麻省理工學院開放學習副總裁兼 Daniel Fort Flowers 機械工程教授 Sanjay Sarma 共同開發(fā)了這款新型 RFID 標簽。

Sarma 表示，RFID 標簽是最廉價、最低功耗的射頻通信工具。因此，RFID 標簽融合傳感功能，是物聯(lián)網(wǎng)研究的一項里程碑。

以天線為中心的設計難逃多徑干擾

之前，RFID 標簽有多種類型，包括自帶電池的主動 RFID 和不帶電池的被動 RFID。兩種標簽都包含一個小天線，用戶可以通過閱讀器讀取標簽中微型芯片中的信息。主動 RFID 標簽無需外部供能，而被動 RFID 標簽通過閱讀器發(fā)射的微波獲取能量。

研究人員一直試圖在被動 RFID 標簽中融入傳感功能。努力的方向主要包括研發(fā)能夠?qū)Νh(huán)境中的特定因子做出反應的天線，然后，天線向閱讀器發(fā)送不同頻率或者不同信號強度的數(shù)據(jù)，表明探測到了某種物質(zhì)。

例如，Sarma 團隊之前設計了一款 RFID 標簽用的天線，會在不同的濕度下用不同的波形傳輸信號。他們還設計了能通過緊貼血管感知貧血的 RFID 標簽。

然而，Kantareddy 認為，這種特定反應天線有一個弱點，就是多徑干擾（multipath interference）。即閱讀器接收到的不僅是來自 RFID 標簽的直接應答信號，還有直接應答信號通過環(huán)境反射到達閱讀器的多徑信號。多徑信號會干擾信息的正常接收，導致虛警或者漏警。

基于芯片的新型設計

Sarma 團隊另辟蹊徑，在芯片上做文章。他們在市面上采購了能在半主動（擁有電池，但不主動發(fā)射信號）和被動兩種模式下工作的 RFID 芯片，然后為其加上標準天線。接著，他們在市售芯片上附加了設計的新芯片，使得芯片組只有在特定環(huán)境刺激下才激活半主動 RFID 模式，發(fā)射一組特定信號。該信號與被動 RFID 模式下的信號不同，能可靠地通知接收者環(huán)境中出現(xiàn)了某種特定物質(zhì)。

Kantareddy 表示，這種方案比基于天線的傳感 RFID 技術(shù)更加可靠，用戶不易受到多徑效應的干擾。接下來，團隊將致力于通過研究新的數(shù)據(jù)格式和增強發(fā)射信號的功率，進一步提高發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性，降低誤報警可能性。

Bhattacharyya 強調(diào)，新方案還解決了基于天線的 RFID 傳感技術(shù)面臨的一大問題——大量 RFID 標簽同時發(fā)射時的相互干擾。之前被大量短距離被動標簽發(fā)出的信號搞得困惑不已的用戶，現(xiàn)在可以把閱讀器放在遠處，只有當環(huán)境中確實出現(xiàn)特定物質(zhì)時，閱讀器才會發(fā)出警報。

即插即用型傳感器

在演示實驗中，研究團隊展示了一款基于市售葡萄糖傳感器打造的 RFID 葡萄糖傳感器。在葡萄糖接觸到標簽時，傳感器中的電解質(zhì)發(fā)生化學反應，產(chǎn)生電能，給 RFID 提供額外能量。

接著，RFID 標簽脫離被動模式，轉(zhuǎn)換為半主動模式。滴加的葡萄糖越多，半主動模式持續(xù)的時間就越長。

Kantareddy 表示，用戶一接到半主動模式的信號，就可以知道標簽已經(jīng)發(fā)現(xiàn)葡萄糖。用戶還可以進一步根據(jù)半主動模式的持續(xù)時間，來測定葡萄糖含量。

當然，目前新型 RFID 葡萄糖探測器的性能還比不上市售的成熟葡萄糖探測器。Kantareddy 表示，目前團隊的主要目標不是研發(fā)葡萄糖探測器，而是展示，新型 RFID 探測器可以比傳統(tǒng)的基于天線的 RFID 探測器更可靠地發(fā)送信號。

RFID標簽感知環(huán)境中的化學物質(zhì)和氣體

此外，新型 RFID 探測器的效率更高，因為一方面，在沒有感測到目標物質(zhì)時，RFID 標簽工作在被動模式，并不耗電;另一方面，環(huán)境中的目標物質(zhì)本身在接觸探測器時也會產(chǎn)生能量，因此發(fā)送信號的過程耗費電池并不多。

目前，新型 RFID 標簽發(fā)射的信號可以在 10 米外接收，而現(xiàn)有技術(shù)只能保證 1-2 米外的接收。

接下來，團隊計劃研發(fā)一種一氧化碳檢測器。Kantareddy 指出，基于天線的 RFID 傳感器設計，對于每種特定的目標物質(zhì)，都要重新設計天線。而新設計無需更換天線，只需加入目標物質(zhì)的檢測芯片。因此，新型 RFID 傳感器可以低成本大面積部署，用來對鍋爐、輸氣管等關(guān)鍵系統(tǒng)進行“即插即用”式的監(jiān)測。

來源：物聯(lián)網(wǎng)世界