超高频RFID标签传感器：能够感知峰值葡萄糖并进行信号的无线传输

近年来，越来越多的零售商和制造商选择利用RFID（射频识别芯片）来追踪它们的产品。通常这些RFID都是基于一张纸质标签外加一个简单的天线和存储芯片。当这些RFID标签贴在牛奶盒或夹克上时，它们可作为智能标记，向射频读取器发送相关产品的身份、状态或位置等信息。

除了可在整个供应链上标记产品外，RFID标签还广泛用于追踪从赌场芯片和牧场牛，到游乐园游客以及马拉松选手的各个场景。

MIT（美国麻省理工学院）的Auto-ID实验室一直处于RFID技术开发的前沿。据麦姆斯咨询报道，现在，该实验室的研究人员正在尝试为RFID技术开拓新的功能：感知。他们开发了一种新的超高频（UHF）RFID标签传感器，能够感知峰值葡萄糖并进行信号的无线传输。未来，该团队计划完善这款RFID传感器，监测环境中的化合物和气体（例如一氧化氮CO）。

“人们希望从现有RFID基础设施中挖掘更多价值，拓展更多的应用，例如传感，” MIT 机械工程学院研究生Sai Nithin Reddy Kantareddy说，“我们可以打造成千上万的这类很便宜的RFID标签传感器，把它们贴在建筑墙壁或各种物体上，无需额外的电池就能探测环境中各种常见气体，例如一氧化碳或氨气等。并以很低的成本打造一个巨大的传感网络。”

Kantareddy的研究团队成员包括科学家Rahul Bhattacharya，以及MIT机械工程部Fred Fort Flowers和Daniel Fort Flowers教授兼开放学习副主席Sanjay Sarma。

“RFID是目前最便宜、功耗最低的RF通信协议，” Sarma称，“当通用的RFID芯片能够通过对标签进行改进来感知真实世界，那么真正意义上的传感无处不在将成为现实。”

混杂波

目前，RFID标签有多种配置可供选择，包括电池供电型和无源型。两种类型的RFID标签都包含一个小型的天线，通过反向散射RF信号和远处的读取器通信，向后者发送存储在标签中小型集成芯片上的数据或简单代码。电池供电型标签包含一块为芯片供电的小型电池。而无源RFID标签则从读取器本身收集能量，读取器在FCC限定内发射能量恰到好处的无线电波，为RFID标签中的存储芯片以及反射信号接收提供能量。

近年来，研究人员已经开始试验各种方法将无源RFID标签转变成无需电池或无需更换的能够长期运行的传感器。这些努力通常主要针对标签天线进行设计改造，使其电学性能响应某些环境刺激而变化。因而，当探测到某种刺激时，天线会以不同的特征频率或信号强度将无线电波反射回读取器。

例如，Sarma的团队之前设计了一款RFID标签天线，能够响应泥土中的湿度，改变无线电波的发射。该团队还制造了一款天线，能够感知流经RFID标签血液的贫血状况。

但是，Kantareddy称这类以天线为中心的设计有很多缺陷，其中主要的是“多路干扰”——即使是来自单一源（例如一个RFID读取器或天线）的无线电波也会在多个表面上反射，从而带来混杂影响。

“根据环境状况，无线电波会在反射回标签前在墙壁和物体上多次反射，这会干扰并形成噪音，”Kantareddy 说，“采用基于天线的传感器，有更高的几率会得到错误的确定或否定信号，这意味着有可能传感器的响应并不准确，因为它会受到无线电场的干扰。因此基于天线的传感缺乏足够的可靠性。”

小改动，大智慧

Sarma的团队采用了一种新的方案：并不针对标签天线，而是尝试对其存储芯片进行改良。他们采购了市售的可在两种供电模式下切换的集成芯片：一种是基于RF能量的模式，类似于全无源RFID；一种是本地能量辅助模式，例如利用外部电池或电容器，类似于半无源RFID标签。

研究团队利用一款标准射频天线和上述芯片嵌入RFID标签。在关键的一步中，研究人员在存储芯片周围制作了一个简单的电路，当芯片感知到某种环境刺激时，可以使芯片切换至本地能量辅助模式。在这种模式下（电池辅助无源模式，BAP），其芯片会发射新的协议代码，与其在无源模式下发射的常规代码不同。然后，读取器转译这个新代码，表明RFID标签探测到了感兴趣的环境刺激信号。

Kantareddy称，这种基于芯片设计制作的RFID传感器相比基于天线设计的传感器更加可靠，因为它从根本上区分了标签的感知和通信功能。在基于天线的传感器中，存储数据的芯片和传输数据的天线都依赖于环境中反射的无线电波。而Kantareddy的新设计，其芯片无需依赖混杂的无线电波来实现感知。

“我们希望数据的可靠性可以获得提升，” Kantareddy说，“只要处于传感状态，我们新方案就会发射信号增强的新协议代码，因而可以清晰的判断标签的传感状态和非传感状态。”

“这个方案很有意思，因为它还解决了环境中大量标签所带来的信息过载难题，” Bhattacharyya称，“该方案摒弃了不断地通过短距离无源标签进行信息流解析，使RFID读取器可以放置得足够远，以便只对重要事件进行通信和所需要的处理。”

即插即用型传感器

作为演示，研究团队开发了一款RFID血糖传感器。他们利用市售的葡萄糖感应电极，其中充满了电解质葡萄糖氧化酶。当电解质与葡萄糖相互作用时，电极产生电荷，充当本地能源或电池。

研究人员将这些电极连接到RFID标签的存储器芯片和电路。当他们将葡萄糖添加到每个电极时，所产生的电荷可使芯片从其无源RF功率模式，切换到本地电荷辅助模式。葡萄糖添加的越多，芯片处于第二种电源模式下的时间就越长。

Kantareddy称，能够感知这种新电源模式的读取器，可以将此作为环境中有葡萄糖存在的信号。这种读取器可以通过测量芯片处于电池辅助模式下的时间，来确定葡萄糖的含量——在这种模式下的时间越长，意味着葡萄糖含量越高。

尽管该研究团队开发的传感器可以探测葡萄糖，但是其性能还是要低于市售的专用葡萄糖传感器，Kantareddy表示他们的目标不是为了开发一款RFID葡萄糖传感器，而是为了展示他们的设计相比基于天线的传感器，其传感性能更加可靠。

“采用我们的设计，得到的数据更加可靠，” Kantareddy说。

此外，他们的设计效率更高。其标签可以利用附近反射的RF能量以无源模式运行，直到附近出现感兴趣的环境刺激。而这种刺激本身可以为标签提供电能，向读取器发送警报代码。因此，传感本身，可以为集成芯片提供额外的能源。

“由于这种标签可以从射频和电极两种途径获取能量，因此，其通信范围获得了极大拓展，” Kantareddy说，“利用这种设计，读取器的距离可以达到10米以上，远超过去的1~2米。因此，同样的区域，可以大量减少读取器的数量和成本。”

接下来，他计划通过将其设计与不同类型的电极结合开发一款RFID一氧化碳传感器，当一氧化碳出现时，可以使传感器产生电荷，为其供能。

“采用基于天线的设计方案，需要针对特定的应用设计特定的天线，” Kantareddy介绍说，“而采用我们的设计方案，只需要选择利用市售的电极，即插即用，这使整个设计理念非常容易扩展。用户可以在家里或者在厂区，部署成千上万的这类传感器，用于监测锅炉、气体储罐或者管道。”