Ingeniører konfigurerer RFID-tags til at fungere som sensorer

Disse dage, mange detailhandlere og producenter sporer deres produkter ved hjælp af RFID, eller radiofrekvensidentifikationsmærker. Tit, disse tags kommer i form af papirbaserede etiketter udstyret med en simpel antenne og hukommelseschip. Når du smækker på en mælkekarton eller jakkekrave, RFID-tags fungerer som smarte signaturer, at sende information til en radiofrekvenslæser om identiteten, stat, eller placering af et givent produkt.

Ud over at holde øje med produkter gennem en forsyningskæde, RFID-tags bruges til at spore alt fra kasinochips og kvæg til besøgende i forlystelsesparken og maratonløbere.

Auto-ID Lab på MIT har længe været på forkant med at udvikle RFID-teknologi. Nu vender ingeniører i denne gruppe teknologien mod en ny funktion:sansning. De har udviklet en ny ultrahøj frekvens, eller UHF, RFID-tag-sensorkonfiguration, der registrerer stigninger i glukose og trådløst transmitterer denne information. I fremtiden, holdet planlægger at skræddersy mærket til at mærke kemikalier og gasser i miljøet, såsom kulilte.

"Folk ser mod flere applikationer som sansning for at få mere værdi ud af den eksisterende RFID-infrastruktur, " siger Sai Nithin Reddy Kantareddy, en kandidatstuderende i MIT's Department of Mechanical Engineering. "Forestil dig at skabe tusindvis af disse billige RFID-tag-sensorer, som du bare kan smække på væggene i en infrastruktur eller de omkringliggende genstande for at opdage almindelige gasser som kulilte eller ammoniak, uden behov for et ekstra batteri. Du kan implementere disse billigt, over et kæmpe netværk."

Kantareddy udviklede sensoren sammen med Rahul Bhattacharya, en forsker i gruppen, og Sanjay Sarma, Fred Fort Flowers og Daniel Fort Flowers professor i maskinteknik og vicepræsident for åben læring ved MIT. Forskerne præsenterede deres design på IEEE International Conference on RFID, og deres resultater vises online i denne uge.

"RFID er det billigste, laveste RF-kommunikationsprotokol derude, " siger Sarma. "Når generiske RFID-chips kan bruges til at fornemme den virkelige verden gennem tricks i tagget, ægte gennemgribende sansning kan blive til virkelighed."

Forvirrende bølger

I øjeblikket, RFID-tags er tilgængelige i en række konfigurationer, inklusive batteri-assisterede og "passive" varianter. Begge typer tags indeholder en lille antenne, som kommunikerer med en fjernlæser ved at tilbagespredning af RF-signalet, at sende den en simpel kode eller et sæt data, der er gemt i taggets lille integrerede chip. Batteristøttede tags inkluderer et lille batteri, der driver denne chip. Passive RFID-tags er designet til at høste energi fra læseren selv, som naturligvis udsender lige nok radiobølger inden for FCC-grænserne til at forsyne mærkets hukommelseschip og modtage et reflekteret signal.

For nylig, forskere har eksperimenteret med måder at omdanne passive RFID-tags til sensorer, der kan fungere over lange stræk af tid uden behov for batterier eller udskiftninger. Disse bestræbelser har typisk fokuseret på at manipulere et tags antenne, konstruere det på en sådan måde, at dets elektriske egenskaber ændres som reaktion på visse stimuli i miljøet. Som resultat, en antenne skal reflektere radiobølger tilbage til en læser ved en karakteristisk anderledes frekvens eller signalstyrke, indikerer, at en bestemt stimuli er blevet detekteret.

For eksempel, Sarmas gruppe har tidligere designet en RFID-tag-antenne, der ændrer den måde, den transmitterer radiobølger på som reaktion på fugtindholdet i jorden. Holdet fremstillede også en antenne til at fornemme tegn på anæmi i blod, der strømmer hen over et RFID-mærke.

Men Kantareddy siger, at der er ulemper ved sådanne antennecentrerede designs, den vigtigste er "multipath interferens, "en forvirrende effekt, hvor radiobølger, selv fra en enkelt kilde såsom en RFID-læser eller antenne, kan reflekteres fra flere overflader.

"Afhængig af miljøet, radiobølger reflekteres fra vægge og genstande, før de reflekteres fra mærket, som forstyrrer og skaber støj, " siger Kantareddy. "Med antennebaserede sensorer, der er større chance for, at du får falske positive eller negative, hvilket betyder, at en sensor vil fortælle dig, at den fornemmede noget, selvom den ikke gjorde det, fordi det er påvirket af radiofelternes interferens. Så det gør antennebaseret sansning lidt mindre pålidelig."

Afhugger

Sarmas gruppe tog en ny tilgang:I stedet for at manipulere et mærkes antenne, de prøvede at skræddersy dens hukommelseschip. De købte standard-integrerede chips, der er designet til at skifte mellem to forskellige strømtilstande:en RF-energibaseret tilstand, svarende til fuldt passive RFID'er; og en lokal energi-assisteret tilstand, fra et eksternt batteri eller en kondensator, svarende til semipassive RFID-tags.

Holdet arbejdede hver chip ind i et RFID-tag med en standard radiofrekvensantenne. I et nøgletrin, forskerne byggede et simpelt kredsløb omkring hukommelseschippen, gør det kun muligt for chippen at skifte til en lokal energi-assisteret tilstand, når den registrerer en bestemt stimuli. Når du er i denne assisterede tilstand (kommercielt kaldet batteristøttet passiv tilstand, eller BAP), chippen udsender en ny protokolkode, adskiller sig fra den normale kode, den sender, når den er i passiv tilstand. En læser kan så fortolke denne nye kode som et signal om, at en stimuli af interesse er blevet opdaget.

Kantareddy siger, at dette chip-baserede design kan skabe mere pålidelige RFID-sensorer end antenne-baserede designs, fordi det i det væsentlige adskiller et tags sensing og kommunikationsmuligheder. I antennebaserede sensorer, både chippen, der gemmer data, og antennen, der transmitterer data, er afhængige af de radiobølger, der reflekteres i omgivelserne. Med dette nye design, en chip behøver ikke at være afhængig af forvirrende radiobølger for at kunne fornemme noget.

"Vi håber, at pålideligheden i dataene vil stige, " siger Kantareddy. "Der er en ny protokolkode sammen med den øgede signalstyrke, når du føler, og der er mindre chance for, at du kan forvirre, når et tag registrerer, i forhold til ikke at føle."

"Denne tilgang er interessant, fordi den også løser problemet med informationsoverbelastning, der kan være forbundet med et stort antal tags i miljøet, " siger Bhattacharyya. "I stedet for konstant at skulle parse gennem strømme af information fra passive tags med kort afstand, en RFID-læser kan placeres langt nok væk, så kun begivenheder af betydning kommunikeres og skal behandles."

"Plug-and-play" sensorer

Som en demonstration, forskerne udviklede en RFID-glukosesensor. De opsætter kommercielt tilgængelige glukosesensorelektroder, fyldt med elektrolytten glucoseoxidase. Når elektrolytten interagerer med glukose, elektroden producerer en elektrisk ladning, fungerer som en lokal energikilde, eller batteri.

Forskerne fastgjorde disse elektroder til en RFID-tags hukommelseschip og kredsløb. Når de tilføjede glukose til hver elektrode, den resulterende ladning fik chippen til at skifte fra sin passive RF-strømtilstand, til den lokale opladningsassisterede strømtilstand. Jo mere glukose de tilsatte, jo længere chippen forblev i denne sekundære strømtilstand.

Kantareddy siger, at en læser, føler denne nye strømtilstand, kan tolke dette som et signal om, at der er glukose til stede. Læseren kan potentielt bestemme mængden af ​​glukose ved at måle den tid, hvor chippen forbliver i batteri-assisteret tilstand:Jo længere den forbliver i denne tilstand, the more glucose there must be.

While the team's sensor was able to detect glucose, its performance was below that of commercially available glucose sensors. Målet, Kantareddy says, was not necessarily to develop an RFID glucose sensor, but to show that the group's design could be manipulated to sense something more reliably than antenna-based sensors.

"With our design, the data is more trustable, " Kantareddy says.

The design is also more efficient. A tag can run passively on RF energy reflected from a nearby reader until a stimuli of interest comes around. The stimulus itself produces a charge, which powers a tag's chip to send an alarm code to the reader. The very act of sensing, derfor, produces additional power to power the integrated chip.

"Since you're getting energy from RF and your electrodes, this increases your communication range, " Kantareddy says. "With this design, your reader can be 10 meters away, rather than 1 or 2. This can decrease the number and cost of readers that, sige, a facility requires."

Fremadrettet, he plans to develop an RFID carbon monoxide sensor by combining his design with different types of electrodes engineered to produce a charge in the presence of the gas.

"With antenna-based designs, you have to design specific antennas for specific applications, " Kantareddy says. "With ours, you can just plug and play with these commercially available electrodes, which makes this whole idea scalable. Then you can deploy hundreds or thousands, in your house or in a facility where you could monitor boilers, gas containers, or pipes."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.