如今，很多零售商和生產(chǎn)商都使用 RFID（射頻識(shí)別）標(biāo)簽追蹤產(chǎn)品。RFID 標(biāo)簽的外觀像一張貼紙，內(nèi)含天線和芯片。當(dāng)被貼在牛奶罐或衣領(lǐng)上時(shí)，使用接收機(jī)就可以讀取 RFID 標(biāo)簽中存儲(chǔ)的產(chǎn)品名稱、狀態(tài)和產(chǎn)地。除此之外，RFID 標(biāo)簽還被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品的物流管理、娛樂場(chǎng)所客流管理和運(yùn)動(dòng)管理中。

麻省理工學(xué)院自動(dòng)化標(biāo)識(shí)實(shí)驗(yàn)室（Auto-ID Lab）長(zhǎng)期以來一直處于 RFID 技術(shù)的研發(fā)前沿。

近日，該實(shí)驗(yàn)室將傳感器功能融入 RFID 標(biāo)簽，研發(fā)出一種工作在超高頻（UHF）波段的 RFID 標(biāo)簽，能測(cè)量葡萄糖濃度，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)出來。在未來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用該 RFID 標(biāo)簽來感知環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)和氣體，比如一氧化碳。

參與研究的麻省理工學(xué)院機(jī)械工程研究生 Sai Nithin Reddy Kantareddy 表示，長(zhǎng)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(biāo)簽貼在各個(gè)地方，組成巨大的廉價(jià)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，用來探測(cè)一氧化碳或者氨氣，而無需電池供電。

Kantareddy 與研究科學(xué)家 Rahul Bhattacharya，以及麻省理工學(xué)院開放學(xué)習(xí)副總裁兼 Daniel Fort Flowers 機(jī)械工程教授 Sanjay Sarma 共同開發(fā)了這款新型 RFID 標(biāo)簽。

圖丨Sanjay Sarma

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

以天線為中心的設(shè)計(jì)難逃多徑干擾

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

近來，研究人員一直試圖在被動(dòng) RFID 標(biāo)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(yīng)的天線，然后，天線向閱讀器發(fā)送不同頻率或者不同信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，表明探測(cè)到了某種物質(zhì)。

例如，Sarma 團(tuán)隊(duì)之前設(shè)計(jì)了一款 RFID 標(biāo)簽用的天線，會(huì)在不同的濕度下用不同的波形傳輸信號(hào)。他們還設(shè)計(jì)了能通過緊貼血管感知貧血的 RFID 標(biāo)簽。

然而，Kantareddy 認(rèn)為，這種特定反應(yīng)天線有一個(gè)弱點(diǎn)，就是多徑干擾（multipath interference）。即閱讀器接收到的不僅是來自 RFID 標(biāo)簽的直接應(yīng)答信號(hào)，還有直接應(yīng)答信號(hào)通過環(huán)境反射到達(dá)閱讀器的多徑信號(hào)。多徑信號(hào)會(huì)干擾信息的正常接收，導(dǎo)致虛警或者漏警。

基于芯片的新型設(shè)計(jì)

Sarma 團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，在芯片上做文章。他們?cè)谑忻嫔喜少?gòu)了能在半主動(dòng)（擁有電池，但不主動(dòng)發(fā)射信號(hào)）和被動(dòng)兩種模式下工作的 RFID 芯片，然后為其加上標(biāo)準(zhǔn)天線。接著，他們?cè)谑惺坌酒细郊恿嗽O(shè)計(jì)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(dòng) RFID 模式，發(fā)射一組特定信號(hào)。該信號(hào)與被動(dòng) RFID 模式下的信號(hào)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(yīng)的干擾。接下來，團(tuán)隊(duì)將致力于通過研究新的數(shù)據(jù)格式和增強(qiáng)發(fā)射信號(hào)的功率，進(jìn)一步提高發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性，降低誤報(bào)警可能性。

Bhattacharyya 強(qiáng)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(biāo)簽同時(shí)發(fā)射時(shí)的相互干擾。之前被大量短距離被動(dòng)標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)搞得困惑不已的用戶，現(xiàn)在可以把閱讀器放在遠(yuǎn)處，只有當(dāng)環(huán)境中確實(shí)出現(xiàn)特定物質(zhì)時(shí)，閱讀器才會(huì)發(fā)出警報(bào)。

即插即用型傳感器

在演示實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)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(biāo)簽時(shí)，傳感器中的電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，給 RFID 提供額外能量。

接著，RFID 標(biāo)簽脫離被動(dòng)模式，轉(zhuǎn)換為半主動(dòng)模式。滴加的葡萄糖越多，半主動(dòng)模式持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng)。

Kantareddy 表示，用戶一接到半主動(dòng)模式的信號(hào)，就可以知道標(biāo)簽已經(jīng)發(fā)現(xiàn)葡萄糖。用戶還可以進(jìn)一步根據(jù)半主動(dòng)模式的持續(xù)時(shí)間，來測(cè)定葡萄糖含量。

當(dāng)然，目前新型 RFID 葡萄糖探測(cè)器的性能還比不上市售的成熟葡萄糖探測(cè)器。Kantareddy 表示，目前團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)不是研發(fā)葡萄糖探測(cè)器，而是展示，新型 RFID 探測(cè)器可以比傳統(tǒng)的基于天線的 RFID 探測(cè)器更可靠地發(fā)送信號(hào)。

此外，新型 RFID 探測(cè)器的效率更高，因?yàn)橐环矫?，在沒有感測(cè)到目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，RFID 標(biāo)簽工作在被動(dòng)模式，并不耗電；另一方面，環(huán)境中的目標(biāo)物質(zhì)本身在接觸探測(cè)器時(shí)也會(huì)產(chǎn)生能量，因此發(fā)送信號(hào)的過程耗費(fèi)電池并不多。

目前，新型 RFID 標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃研發(fā)一種一氧化碳檢測(cè)器。Kantareddy 指出，基于天線的 RFID 傳感器設(shè)計(jì)，對(duì)于每種特定的目標(biāo)物質(zhì)，都要重新設(shè)計(jì)天線。而新設(shè)計(jì)無需更換天線，只需加入目標(biāo)物質(zhì)的檢測(cè)芯片。因此，新型 RFID 傳感器可以低成本大面積部署，用來對(duì)鍋爐、輸氣管等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行“即插即用”式的監(jiān)測(cè)。