Tegenwoordig, veel retailers en fabrikanten volgen hun producten met behulp van RFID, of radiofrequentie-identificatietags. Vaak, deze tags hebben de vorm van op papier gebaseerde labels die zijn uitgerust met een eenvoudige antenne en geheugenchip. Wanneer geslagen op een melkpak of jas kraag, RFID-tags fungeren als slimme handtekeningen, het verzenden van informatie naar een radiofrequentielezer over de identiteit, staat, of locatie van een bepaald product.

Naast het in de gaten houden van producten in een toeleveringsketen, RFID-tags worden gebruikt om alles te traceren, van casinofiches en vee tot bezoekers van pretparken en marathonlopers.

Het Auto-ID Lab van MIT loopt al lang voorop bij de ontwikkeling van RFID-technologie. Nu zijn ingenieurs in deze groep bezig met het omdraaien van de technologie naar een nieuwe functie:sensing. Ze hebben een nieuwe ultrahoge frequentie ontwikkeld, of UHF, RFID-tag-sensorconfiguratie die pieken in glucose detecteert en deze informatie draadloos verzendt. In de toekomst, het team is van plan de tag aan te passen om chemicaliën en gassen in de omgeving te detecteren, zoals koolmonoxide.

"Mensen zijn op zoek naar meer toepassingen zoals sensing om meer waarde te halen uit de bestaande RFID-infrastructuur, " zegt Sai Nithin Reddy Kantareddy, een afgestudeerde student in MIT's Department of Mechanical Engineering. "Stel je voor dat je duizenden van deze goedkope RFID-tagsensoren maakt die je gewoon op de muren van een infrastructuur of de omliggende objecten kunt klappen om gewone gassen zoals koolmonoxide of ammoniak te detecteren, zonder dat er een extra batterij nodig is. Je zou deze goedkoop kunnen inzetten, via een enorm netwerk."

Kantareddy ontwikkelde de sensor met Rahul Bhattacharya, een onderzoekswetenschapper in de groep, en Sanjay Sarma, de Fred Fort Flowers en Daniel Fort Flowers hoogleraar Werktuigbouwkunde en vice-president open leren aan het MIT. De onderzoekers presenteerden hun ontwerp op de IEEE International Conference on RFID, en hun resultaten verschijnen deze week online.

"RFID is de goedkoopste, RF-communicatieprotocol met het laagste vermogen dat er is, ", zegt Sarma. "Wanneer generieke RFID-chips kunnen worden ingezet om de echte wereld te voelen door middel van trucs in de tag, echte doordringende waarneming kan werkelijkheid worden."

verwarrende golven

Momenteel, RFID-tags zijn beschikbaar in een aantal configuraties, inclusief batterijondersteunde en "passieve" varianten. Beide soorten tags bevatten een kleine antenne die communiceert met een externe lezer door het RF-signaal terug te strooien, het verzenden van een eenvoudige code of reeks gegevens die is opgeslagen in de kleine geïntegreerde chip van de tag. Batterij-ondersteunde tags bevatten een kleine batterij die deze chip van stroom voorziet. Passieve RFID-tags zijn ontworpen om energie uit de lezer zelf te halen, die van nature net genoeg radiogolven uitzendt binnen de FCC-limieten om de geheugenchip van de tag van stroom te voorzien en een gereflecteerd signaal te ontvangen.

Onlangs, onderzoekers hebben geëxperimenteerd met manieren om passieve RFID-tags om te zetten in sensoren die lange tijd kunnen werken zonder dat batterijen of vervangingen nodig zijn. Deze inspanningen waren meestal gericht op het manipuleren van de antenne van een tag, het zodanig te ontwikkelen dat de elektrische eigenschappen ervan veranderen als reactie op bepaalde prikkels in de omgeving. Als resultaat, een antenne moet radiogolven terugkaatsen naar een lezer met een karakteristieke andere frequentie of signaalsterkte, wat aangeeft dat een bepaalde stimulus is gedetecteerd.

Bijvoorbeeld, Sarma's groep ontwierp eerder een RFID-tag-antenne die de manier waarop deze radiogolven uitzendt verandert in reactie op het vochtgehalte in de bodem. Het team heeft ook een antenne gefabriceerd om tekenen van bloedarmoede te detecteren in het bloed dat over een RFID-tag stroomt.

Maar Kantareddy zegt dat er nadelen zijn aan dergelijke antenne-gecentreerde ontwerpen, de belangrijkste is "multipath interferentie, " een verstorend effect waarbij radiogolven, zelfs van een enkele bron zoals een RFID-lezer of antenne, kan reflecteren op meerdere oppervlakken.

"Afhankelijk van de omgeving, radiogolven weerkaatsen op muren en objecten voordat ze weerkaatsen op de tag, die interfereert en lawaai veroorzaakt, " zegt Kantareddy. "Met op antennes gebaseerde sensoren, er is meer kans dat je valse positieven of negatieven krijgt, wat betekent dat een sensor je zal vertellen dat hij iets heeft waargenomen, zelfs als hij dat niet deed, omdat het wordt beïnvloed door de interferentie van de radiovelden. Dus het maakt op antennes gebaseerde detectie iets minder betrouwbaar."

Afhaken

De groep van Sarma koos voor een nieuwe aanpak:in plaats van de antenne van een tag te manipuleren, ze probeerden de geheugenchip aan te passen. Ze kochten kant-en-klare geïntegreerde chips die zijn ontworpen om te schakelen tussen twee verschillende energiemodi:een op RF-energie gebaseerde modus, vergelijkbaar met volledig passieve RFID's; en een lokale energieondersteunde modus, zoals van een externe batterij of condensator, vergelijkbaar met semi-passieve RFID-tags.

Het team verwerkte elke chip in een RFID-tag met een standaard radiofrequentie-antenne. In een belangrijke stap, de onderzoekers bouwden een eenvoudig circuit rond de geheugenchip, waardoor de chip alleen kan overschakelen naar een lokale energie-ondersteunde modus wanneer hij een bepaalde prikkel waarneemt. In deze ondersteunde modus (in de handel de passieve modus met batterijondersteuning genoemd, of BAP), de chip zendt een nieuwe protocolcode uit, onderscheiden van de normale code die het verzendt in een passieve modus. Een lezer kan deze nieuwe code vervolgens interpreteren als een signaal dat een interessante stimulus is gedetecteerd.

Kantareddy zegt dat dit op chips gebaseerde ontwerp betrouwbaardere RFID-sensoren kan creëren dan op antennes gebaseerde ontwerpen, omdat het in wezen de detectie- en communicatiemogelijkheden van een tag scheidt. In op antennes gebaseerde sensoren, zowel de chip die gegevens opslaat als de antenne die gegevens verzendt, zijn afhankelijk van de radiogolven die in de omgeving worden weerkaatst. Met dit nieuwe ontwerp een chip hoeft niet afhankelijk te zijn van verstorende radiogolven om iets waar te nemen.

"We hopen dat de betrouwbaarheid van de gegevens zal toenemen, " Zegt Kantareddy. "Er is een nieuwe protocolcode samen met de verhoogde signaalsterkte wanneer je iets waarneemt, en er is minder kans voor u om te verwarren wanneer een tag wel of niet waarneemt."

"Deze aanpak is interessant omdat het ook het probleem van informatie-overload oplost dat kan worden geassocieerd met grote aantallen tags in de omgeving, " zegt Bhattacharyya. "In plaats van constant informatiestromen van passieve tags op korte afstand te moeten ontleden, een RFID-lezer kan ver genoeg worden geplaatst, zodat alleen belangrijke gebeurtenissen worden gecommuniceerd en moeten worden verwerkt."

"Plug-and-play" sensoren

Als demonstratie, de onderzoekers ontwikkelden een RFID-glucosesensor. Ze zetten in de handel verkrijgbare elektroden voor glucosedetectie op, gevuld met het elektrolyt glucose-oxidase. Wanneer de elektrolyt interageert met glucose, de elektrode produceert een elektrische lading, fungeren als een lokale energiebron, of batterij.

De onderzoekers bevestigden deze elektroden aan de geheugenchip en het circuit van een RFID-tag. Toen ze glucose aan elke elektrode toevoegden, de resulterende lading zorgde ervoor dat de chip overschakelde van zijn passieve RF-vermogensmodus, naar de lokale oplaadmodus. Hoe meer glucose ze toevoegden, hoe langer de chip in deze secundaire energiemodus bleef.

Kantareddy zegt dat een lezer, deze nieuwe energiemodus voelen, kan dit interpreteren als een signaal dat glucose aanwezig is. De lezer kan mogelijk de hoeveelheid glucose bepalen door de tijd te meten gedurende welke de chip in de batterijondersteunde modus blijft:hoe langer hij in deze modus blijft, hoe meer glucose er moet zijn.

While the team's sensor was able to detect glucose, its performance was below that of commercially available glucose sensors. Het doel, 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, daarom, 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, zeggen, a facility requires."

Vooruit gaan, 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."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.