MIT-Ingenieure konfigurieren RFID-Tags als Sensoren

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Heutzutage verfolgen viele Einzelhändler und Hersteller ihre Produkte mithilfe von RFID- oder Radiofrequenz-Identifikationsetiketten. Häufig handelt es sich bei diesen Tags um Etiketten auf Papierbasis, die mit einer einfachen Antenne und einem Speicherchip ausgestattet sind. Wenn sie auf eine Milchtüte oder einen Jackenkragen geklebt werden, fungieren RFID-Tags als intelligente Signaturen und übermitteln Informationen über die Identität, den Zustand oder den Standort eines bestimmten Produkts an ein Hochfrequenzlesegerät.

Neben der Überwachung von Produkten entlang der gesamten Lieferkette werden RFID-Tags auch zur Rückverfolgung aller Dinge eingesetzt, von Casino-Chips und Vieh bis hin zu Besuchern von Vergnügungsparks und Marathonläufern.

Das Auto-ID Lab am MIT ist seit langem führend bei der Entwicklung der RFID-Technologie. Jetzt wenden die Ingenieure dieser Gruppe die Technologie auf eine neue Funktion um: die Sensorik. Sie haben eine neue Ultrahochfrequenz- oder UHF-RFID-Tag-Sensor-Konfiguration entwickelt, die Glukosespitzen erkennt und diese Informationen drahtlos überträgt. Zukünftig plant das Team, das Etikett so anzupassen, dass es Chemikalien und Gase in der Umgebung wie Kohlenmonoxid erkennt.

„Die Menschen streben nach weiteren Anwendungen wie der Sensorik, um mehr Nutzen aus der bestehenden RFID-Infrastruktur zu ziehen“, sagt Sai Nithin Reddy Kantareddy, ein Doktorand an der Fakultät für Maschinenbau des MIT. „Stellen Sie sich vor, Tausende dieser kostengünstigen RFID-Tag-Sensoren zu entwickeln, die Sie einfach an die Wände einer Infrastruktur oder an umliegende Objekte kleben können, um gängige Gase wie Kohlenmonoxid oder Ammoniak zu erkennen, ohne dass eine zusätzliche Batterie erforderlich ist. Sie könnten diese kostengünstig und über einen riesigen Zeitraum einsetzen Netzwerk." Kantareddy entwickelte den Sensor zusammen mit Rahul Bhattacharya, einem Forschungswissenschaftler der Gruppe, und Sanjay Sarma, Fred Fort Flowers und Daniel Fort Flowers Professor für Maschinenbau und Vizepräsident für offenes Lernen am MIT. Die Forscher stellten ihr Design auf der IEEE International Conference on RFID vor und ihre Ergebnisse erscheinen diese Woche online.

„RFID ist das günstigste HF-Kommunikationsprotokoll mit dem geringsten Stromverbrauch auf dem Markt“, sagt Sarma. „Wenn generische RFID-Chips eingesetzt werden können, um die reale Welt durch Tricks im Tag zu erfassen, kann echte Pervasive Sensing Realität werden.“

Verwirrende Wellen

Derzeit sind RFID-Tags in einer Reihe von Konfigurationen erhältlich, darunter batteriebetriebene und „passive“ Varianten. Beide Arten von Tags enthalten eine kleine Antenne, die mit einem Fernlesegerät kommuniziert, indem sie das HF-Signal zurückstreut und ihm einen einfachen Code oder Datensatz sendet, der im kleinen integrierten Chip des Tags gespeichert wird. Batteriegestützte Tags enthalten eine kleine Batterie, die diesen Chip mit Strom versorgt. Passive RFID-Tags sind darauf ausgelegt, Energie aus dem Lesegerät selbst zu gewinnen, das innerhalb der FCC-Grenzwerte natürlich gerade genug Funkwellen aussendet, um den Speicherchip des Tags mit Strom zu versorgen und ein reflektiertes Signal zu empfangen.

Kürzlich haben Forscher mit Möglichkeiten experimentiert, passive RFID-Tags in Sensoren umzuwandeln, die über lange Zeiträume hinweg funktionieren können, ohne dass Batterien oder Ersatz erforderlich sind. Diese Bemühungen konzentrierten sich typischerweise darauf, die Antenne eines Tags zu manipulieren und sie so zu konstruieren, dass sich ihre elektrischen Eigenschaften als Reaktion auf bestimmte Reize in der Umgebung ändern. Daher sollte eine Antenne Funkwellen mit einer charakteristisch unterschiedlichen Frequenz oder Signalstärke zu einem Lesegerät zurückreflektieren, was darauf hinweist, dass ein bestimmter Reiz erkannt wurde.

Beispielsweise hat Sarmas Gruppe zuvor eine RFID-Tag-Antenne entwickelt, die die Art und Weise, wie sie Radiowellen überträgt, als Reaktion auf den Feuchtigkeitsgehalt im Boden ändert. Das Team stellte außerdem eine Antenne her, um Anzeichen von Anämie im Blut zu erkennen, das über einen RFID-Tag fließt.

Kantareddy sagt jedoch, dass solche antennenzentrierten Designs Nachteile haben. Der Hauptgrund sei die „Mehrwegeinterferenz“, ein verwirrender Effekt, bei dem Radiowellen, selbst von einer einzelnen Quelle wie einem RFID-Lesegerät oder einer Antenne, von mehreren Oberflächen reflektiert werden können.

„Abhängig von der Umgebung werden Funkwellen von Wänden und Objekten reflektiert, bevor sie vom Etikett reflektiert werden, was Störungen verursacht und Rauschen erzeugt“, sagt Kantareddy. „Bei antennenbasierten Sensoren ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass Sie falsch positive oder negative Ergebnisse erhalten, was bedeutet, dass ein Sensor Ihnen sagt, dass er etwas erkannt hat, auch wenn dies nicht der Fall war, da er durch die Interferenz der Funkfelder beeinträchtigt wird. Er erzeugt also eine Antenne.“ -basierte Sensorik etwas weniger zuverlässig.

Abplatzen

Sarmas Gruppe verfolgte einen neuen Ansatz: Anstatt die Antenne eines Tags zu manipulieren, versuchten sie, seinen Speicherchip maßgeschneidert anzupassen. Sie kauften handelsübliche integrierte Chips, die zum Umschalten zwischen zwei verschiedenen Energiemodi konzipiert sind: einem auf HF-Energie basierenden Modus, ähnlich wie bei vollständig passiven RFIDs; und ein lokaler energieunterstützter Modus, beispielsweise von einer externen Batterie oder einem Kondensator, ähnlich wie bei semipassiven RFID-Tags.

Das Team verarbeitete jeden Chip mit einer Standard-Hochfrequenzantenne zu einem RFID-Tag. In einem entscheidenden Schritt bauten die Forscher einen einfachen Schaltkreis um den Speicherchip herum, der es dem Chip ermöglicht, nur dann in einen lokalen energieunterstützten Modus zu wechseln, wenn er einen bestimmten Reiz wahrnimmt. In diesem unterstützten Modus (im Handel als batterieunterstützter passiver Modus oder BAP bezeichnet) sendet der Chip einen neuen Protokollcode aus, der sich von dem normalen Code unterscheidet, den er im passiven Modus sendet. Ein Leser kann diesen neuen Code dann als Signal interpretieren, dass ein interessierender Reiz erkannt wurde.

Laut Kantareddy können mit diesem Chip-basierten Design zuverlässigere RFID-Sensoren entstehen als mit Antennen-Designs, da es im Wesentlichen die Erfassungs- und Kommunikationsfähigkeiten eines Tags trennt. Bei antennenbasierten Sensoren sind sowohl der Chip, der Daten speichert, als auch die Antenne, die Daten überträgt, auf die in der Umgebung reflektierten Funkwellen angewiesen. Mit diesem neuen Design ist ein Chip nicht mehr auf störende Radiowellen angewiesen, um etwas zu erkennen.

„Wir hoffen, dass die Zuverlässigkeit der Daten steigt“, sagt Kantareddy. „Es gibt einen neuen Protokollcode und eine erhöhte Signalstärke, wann immer Sie erfassen, und es besteht weniger Gefahr, dass Sie verwechseln, ob ein Tag erkennt oder nicht.“

„Dieser Ansatz ist interessant, weil er auch das Problem der Informationsüberflutung löst, die mit einer großen Anzahl von Tags in der Umgebung verbunden sein kann“, sagt Bhattacharyya. „Anstatt ständig Informationsströme von passiven Tags mit kurzer Reichweite analysieren zu müssen, kann ein RFID-Lesegerät weit genug entfernt platziert werden, sodass nur Ereignisse von Bedeutung kommuniziert werden und verarbeitet werden müssen.“

„Plug-and-Play“-Sensoren

Zur Demonstration entwickelten die Forscher einen RFID-Glukosesensor. Sie stellten handelsübliche Glukose-Messelektroden her, die mit dem Elektrolyten Glukoseoxidase gefüllt waren. Wenn der Elektrolyt mit Glukose interagiert, erzeugt die Elektrode eine elektrische Ladung und fungiert als lokale Energiequelle oder Batterie.

Die Forscher befestigten diese Elektroden am Speicherchip und Schaltkreis eines RFID-Tags. Als sie jeder Elektrode Glukose hinzufügten, bewirkte die resultierende Ladung, dass der Chip von seinem passiven HF-Leistungsmodus in den lokalen ladungsunterstützten Leistungsmodus wechselte. Je mehr Glukose hinzugefügt wurde, desto länger blieb der Chip in diesem sekundären Energiemodus.

Kantareddy sagt, dass ein Leser, der diesen neuen Energiemodus wahrnimmt, dies als ein Signal dafür interpretieren kann, dass Glukose vorhanden ist. Die Glukosemenge kann das Lesegerät möglicherweise ermitteln, indem es die Zeit misst, die der Chip im batteriegestützten Modus verweilt: Je länger er in diesem Modus bleibt, desto mehr Glukose muss vorhanden sein.

Der Sensor des Teams war zwar in der Lage, Glukose zu erkennen, seine Leistung lag jedoch unter der von kommerziell erhältlichen Glukosesensoren. Laut Kantareddy bestand das Ziel nicht unbedingt darin, einen RFID-Glukosesensor zu entwickeln, sondern zu zeigen, dass das Design der Gruppe manipuliert werden kann, um etwas zuverlässiger zu erfassen als antennenbasierte Sensoren.

„Mit unserem Design sind die Daten vertrauenswürdiger“, sagt Kantareddy.

Auch das Design ist effizienter. Ein Tag kann passiv mit HF-Energie betrieben werden, die von einem nahegelegenen Lesegerät reflektiert wird, bis ein interessanter Reiz auftritt. Der Reiz selbst erzeugt eine Ladung, die den Chip eines Tags antreibt, einen Alarmcode an das Lesegerät zu senden. Der eigentliche Vorgang der Erfassung erzeugt daher zusätzliche Energie, um den integrierten Chip mit Strom zu versorgen.

„Da Sie Energie aus HF und Ihren Elektroden beziehen, erhöht sich Ihre Kommunikationsreichweite“, sagt Kantareddy. „Mit diesem Design kann Ihr Lesegerät 10 Meter entfernt sein, statt nur 1 oder 2. Dadurch können die Anzahl und die Kosten der Lesegeräte, die beispielsweise eine Einrichtung benötigt, gesenkt werden.“

Zukünftig plant er die Entwicklung eines RFID-Kohlenmonoxidsensors, indem er sein Design mit verschiedenen Arten von Elektroden kombiniert, die so konstruiert sind, dass sie in Gegenwart des Gases eine Ladung erzeugen.

„Bei antennenbasierten Designs muss man spezifische Antennen für bestimmte Anwendungen entwerfen“, sagt Kantareddy. „Bei uns können Sie diese im Handel erhältlichen Elektroden einfach anschließen und loslegen, was die ganze Idee skalierbar macht. Dann können Sie Hunderte oder Tausende in Ihrem Haus oder in einer Einrichtung einsetzen, wo Sie Kessel, Gasbehälter oder Rohre überwachen können.“ "

Diese Forschung wurde teilweise von der GS1-Organisation unterstützt.

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