詳述RFID的感知技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

01.介 紹

無(wú)線射頻識(shí)別(radio frequency identification devices)技術(shù)(簡(jiǎn)稱RFID)，誕生于上世紀(jì)四十至五十年代，發(fā)展至今，經(jīng)過(guò)了多種新興技術(shù)的融合，形式與應(yīng)用范圍已經(jīng)發(fā)生了很大的變化?，F(xiàn)今的RFID技術(shù)，在融合了物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)技術(shù)無(wú)線信息、能量傳輸(Wireless InformaTIon and Power Transfer)技術(shù)、物體識(shí)別(object idenTIficaTIon)以及高效低能耗感知(energy efficient sensing)技術(shù)后，已被認(rèn)為是未來(lái)信息系統(tǒng)中傳感和通信的新范式，并且它還被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一[1]。RFID技術(shù)具有非接觸式傳感、無(wú)線信息傳輸、標(biāo)簽無(wú)線供電、易于部署、非視距傳輸、靈活可粘貼性等特點(diǎn)，是未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和工業(yè)制造4.0(智能制造、物流、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、食品供應(yīng)鏈)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文首先介紹RFID標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展，然后對(duì)RFID近年來(lái)的天線技術(shù)發(fā)展與新型傳感器進(jìn)行總結(jié)與概括，接下來(lái)對(duì)于近些年來(lái)RFID前沿創(chuàng)新的應(yīng)用簡(jiǎn)要概述，最后講述RFID目前所面臨的挑戰(zhàn)并對(duì)未來(lái)的發(fā)展前景做出展望。

02.RFID標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展

2.1 無(wú)芯片(Chip-less)RFID

以往通常意義上的RFID標(biāo)簽，采用的工作方式為電感耦合以及后向散射，其標(biāo)簽本質(zhì)上就是帶有硅芯片的集成電路，而目前人們?yōu)榱颂岣逺FID部署的便捷以及降低布設(shè)成本，提出可以使用不帶有硅芯片的RFID標(biāo)簽，其工作方式就是改變RFID標(biāo)簽的無(wú)線電波形來(lái)傳輸數(shù)據(jù)而不需要復(fù)雜的集成電路，本質(zhì)上就是通過(guò)電路頻率諧振效應(yīng)進(jìn)行工作。

Chip-less RFID的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含有芯片的RFID系統(tǒng)。然而，由于不存在硅芯片，Chip-less RFID的成本明顯低于有芯片的RFID。因此，Chip-less RFID已成為低成本傳感和識(shí)別應(yīng)用的具有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇[2]。

2.2 RFID標(biāo)簽靈活快捷打印技術(shù)

噴墨打印工藝使得RFID標(biāo)簽更加方便快捷地被制造使用[3]。印刷電子技術(shù)是將傳統(tǒng)印刷技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，將傳統(tǒng)印刷技術(shù)應(yīng)用于電子制造的新技術(shù)[4]。與傳統(tǒng)的電子元件制造方法相比，印刷技術(shù)在氧化環(huán)境下更穩(wěn)定，并具有成本效益、靈活性和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。其中，接觸式主要包括柔印、膠印和絲網(wǎng)凹版印刷，非接觸式主要是噴墨印刷。

柔性RFID印刷技術(shù)主要用于制造基于芯片的RFID天線和無(wú)芯片RFID。對(duì)于RFID標(biāo)簽制造，新型標(biāo)簽在相紙、塑料或紡織品上打印石墨烯、銀或銅等納米粒子進(jìn)行電路的集成。近十年來(lái)，資源的稀缺、產(chǎn)品的快速更新和生態(tài)環(huán)境的惡化，使得市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)代技術(shù)提出了低成本、靈活、綠色的要求。作為一種電子基板，紙基板具有成本低、量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。同時(shí)，雖然納米顆粒導(dǎo)電油墨是由多種材料(如銅(Cu)、金(Au)、石墨烯、碳納米管(CNT))制成的，但銀納米粒子油墨是印刷紙電子導(dǎo)電跡的新選擇。

通過(guò)利用新型標(biāo)簽打印技術(shù)，可以制造更廉價(jià)、性能優(yōu)越的RFID標(biāo)簽。

2.3 RFID標(biāo)簽集成電路發(fā)展

在RFID應(yīng)用中，許多新型的RFID 集成電路方式被發(fā)明作為RFID標(biāo)簽，包括UHF EPC Class-1 G2和NFC ISO/IEC14443和ISO/IEC15693，其中的一些代表性集成電路技術(shù)總結(jié)在表一中。

這些集成電路中的大多數(shù)集成了射頻能量采集電路、內(nèi)部邏輯控制和存儲(chǔ)器，以及允許讀寫能力的串行端口，以便更新傳感器數(shù)據(jù)。一些RFID芯片中包含了模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)，用于與傳感器組件接口，如MLX90129和SL13A。Melexis針對(duì)MLX90129 芯片進(jìn)行低功耗、低壓電池和無(wú)電池應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，需任何其它組件即可將其用作 RFID 溫度計(jì);SL13A標(biāo)簽符合ISO15693標(biāo)準(zhǔn)，能與近場(chǎng)通訊(NFC-V)和高頻射頻識(shí)別(HF RFID)閱讀器搭配使用，奧地利微電子公司(AMS)給醫(yī)療器械原始設(shè)備制造商提供了實(shí)現(xiàn)一些新應(yīng)用的機(jī)會(huì)，例如該標(biāo)簽可以方便且安全的植入患者體內(nèi)(或直接讓患者吞服)?；颊咧恍鑼⒕邆渖漕l功能的手機(jī)或平板電腦靠近身體便可讀取特定的生理數(shù)值，全天候掌握自己的身體狀況。德州儀器公司(TI)的RF430FRL152H型RFID傳感器集成了低功耗單片機(jī)MSP430和14位數(shù)字信號(hào)A/D(模擬/數(shù)字)接口，有效地促進(jìn)了芯片的進(jìn)一步開發(fā)。其實(shí)現(xiàn)了低功耗、快速讀寫速度、無(wú)限次讀/寫耐久性和高電磁抗擾度綜合優(yōu)勢(shì)，由一塊基板以及集成天線與環(huán)境光和溫度傳感器組成。內(nèi)置傳感模塊的集成使得不同的基于RFID應(yīng)用開發(fā)更加方便。

03.RFID技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 RFID天線技術(shù)的發(fā)展

射頻能量采集電路主要由天線、整流器、倍增器和儲(chǔ)能裝置組成，如下圖所示：

天線捕獲電磁場(chǎng)中的射頻能量，然后整流器通過(guò)整流器將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓，最后將電壓倍增器增加的電壓存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中。

常用的天線如下圖所示，其中a圖的天線通常用于HF RFID 系統(tǒng)，b-d中的天線常用于UHF RFID系統(tǒng)。

高增益天線可以提高轉(zhuǎn)換效率，獲得更大的功率，因此高增益天線是首選。天線的性能可以通過(guò)增益、頻帶、輻射方向、極化、物理尺寸或應(yīng)用領(lǐng)域等參數(shù)來(lái)評(píng)估。

天線位于RFID傳感裝置的前端，是決定RFID傳感器性能的關(guān)鍵部件，包括讀取距離、工作速度和傳感器模塊的尺寸。因此，設(shè)計(jì)新穎的天線以提高傳感器設(shè)備的性能和適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景成為研究熱點(diǎn)。主要貢獻(xiàn)集中在尺寸小型化、可折疊天線、三維天線、金屬表面貼裝天線、多波段天線、全向和定向天線等，其中的一些代表性成果總結(jié)在表二中。

RFID傳感器，一個(gè)典型的RFID標(biāo)簽的天線設(shè)計(jì)是通用的，并要求阻抗匹配的最大讀取范圍。但是，由于傳感器和各種設(shè)備的出現(xiàn)，能源消耗大大增加。為了獲得穩(wěn)定的RFID傳感器數(shù)據(jù)，RFID傳感器天線也可以配置為一個(gè)多端口來(lái)收集自然能量，以增強(qiáng)自供電無(wú)線傳感器的能量收集。

3.2 RFID創(chuàng)新傳感器發(fā)展

由于RFID傳感技術(shù)在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代有著巨大的商機(jī)，包括TI、STMicroelectronics、ASM、Farsen、Axzon和Impinj在內(nèi)的一些行業(yè)先驅(qū)也在這一特定領(lǐng)域投入了大量的精力。一些新穎的RF-DC轉(zhuǎn)換器模塊、RFID收發(fā)器和RFID集成電路被發(fā)明出來(lái)。市場(chǎng)上也有一些針對(duì)不同應(yīng)用的新型技術(shù)解決方案。下表三列舉了一些有前景的RFID集成電路用于傳感器的開發(fā)案列。

在RFID集成電路的基礎(chǔ)上，這些公司也給出了一些新型的應(yīng)用模塊示例。

上圖(a)中是由安森美半導(dǎo)體公司(ON Semiconductor)生產(chǎn)的SPS1M002系列，使用MagnusS2集成電路，該傳感器標(biāo)簽是專為被動(dòng)感應(yīng)各種表面和成品(如塑料、木材和石膏)上的水分而設(shè)計(jì)的。標(biāo)簽將感測(cè)到的濕度檢測(cè)/液位信息數(shù)字化，可由符合UHF RFID Gen 2標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器讀取。這種無(wú)電池?zé)o線傳感器可以大大提高最終產(chǎn)品的可靠性，并為工業(yè)環(huán)境下的部署提供許多好處。圖(b)是由Farsens公司制造的EPC C1G2標(biāo)簽，ZYGOS-RM可根據(jù)具體應(yīng)用定制不同的天線設(shè)計(jì)和尺寸，其用來(lái)進(jìn)行負(fù)載傳感，負(fù)載范圍為0~5kg，精度為50g，傳感器極限的感知距離為20m。圖(c)展示了德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的高精度(誤差小于0.1℃)的無(wú)源RFID溫度傳感器，感知范圍為-40℃-85℃。它可以用來(lái)例如檢測(cè)人的皮膚溫度的變化從而了解人身體健康狀況。圖(d)為德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的用于替代觸摸鍵盤的NFC鍵盤，該鍵盤可以每分鐘輸入超過(guò)400個(gè)字符、無(wú)電池、低功耗(其中MSP430 MCU和RF430CL330 RFID標(biāo)簽的功耗都約為20 mW)，支持NFC的手機(jī)可以快速發(fā)現(xiàn)并識(shí)別該鍵盤。

04.基于RFID傳感器的新型應(yīng)用

RFID傳感器技術(shù)集無(wú)線功率、數(shù)據(jù)傳輸和目標(biāo)識(shí)別于一體，是一種新型的傳感和通信方式，具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面，無(wú)線電源和數(shù)據(jù)傳輸提供了一種無(wú)需電線和電池就可以將傳感數(shù)據(jù)從被測(cè)物體中傳輸出去的接口，這使得傳感器設(shè)備大大小型化。因此，隨著RFID技術(shù)與輕量級(jí)傳感器技術(shù)的新融合，一些過(guò)去技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性的測(cè)量任務(wù)變得更加方便。應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、醫(yī)療保健、食品和農(nóng)業(yè)、化工、制造和物流、土木工程、汽車、機(jī)械等，并用典型例子進(jìn)行了總結(jié)。

05.挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

5.1 RFID目前面臨的挑戰(zhàn)

雖然在技術(shù)上取得了不斷的進(jìn)步，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研也發(fā)現(xiàn)了許多基于RFID的傳感器技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，但大部分工作仍處于概念驗(yàn)證演示和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和評(píng)估階段。研究結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用還有很大差距。主要的挑戰(zhàn)如下所示：

1)射頻前端能量采集和功率轉(zhuǎn)換的效率;

2)RFID傳感器的基本技術(shù)在天線、集成電路功能、傳感元件和數(shù)據(jù)協(xié)議等方面表現(xiàn)出很大的異質(zhì)性;

3)性能可靠性，RFID傳感器主要附著在被測(cè)物體上進(jìn)行識(shí)別和參數(shù)傳感。然而，在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)受到某些環(huán)境因素的影響;

5.2 RFID發(fā)展趨勢(shì)

一方面，如何集成一些新材料和新工藝來(lái)提高RFID傳感器技術(shù)的性能將成為研究的重點(diǎn)。用于擴(kuò)展RFID傳感器讀取范圍的RFID中繼技術(shù)也將是非常有意義的。此外，利用無(wú)電池和輕量化的性能，用于廣域和多目標(biāo)監(jiān)測(cè)的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)也將在學(xué)術(shù)研究中占有一席之地。

另一方面，RFID傳感技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)信息系統(tǒng)的革命性技術(shù)，其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用受到了特別的關(guān)注。其中包括但不限于：

1)制造業(yè)的產(chǎn)品生命周期管理(PLM);

2)人體物理特性的連續(xù)監(jiān)測(cè);

3)智能物流中的RFID傳感器;

4)智能農(nóng)業(yè)中的RFID傳感器;

06.總 結(jié)

RFID傳感技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了新的解決方案，對(duì)未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)豐富的傳感應(yīng)用具有非常廣闊的前景。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中，RFID傳感技術(shù)將不斷吸引業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究，傳感和通信將成為信息基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)。RFID傳感器技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)?huì)有更多的應(yīng)用，可以植入人體，在土木工程中將會(huì)被整合到土木結(jié)構(gòu)中用于健康監(jiān)測(cè)，在安全生產(chǎn)中用于低成本高質(zhì)量監(jiān)測(cè)等等，其將在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。