MIT Scholars Adopt Unique Design to Transform RFID into Self-powered Sensors

En los últimos años, cada vez más minoristas y fabricantes han optado por utilizar RFID (Radio Frequency Identification Chip) para rastrear sus productos. A menudo estos RFIDs se basan en etiquetas de papel más simple antena y chips de memoria. Cuando estas etiquetas RFID se fijan en cartón o chaquetas de leche, se pueden utilizar como etiquetas inteligentes para enviar información al lector RF acerca de la identidad, estado o ubicación del producto pertinente.

Además de marcar productos en toda la cadena de suministro, las etiquetas RFID también se utilizan ampliamente para rastrear los chips de casino y las escenas ganaderas de rancho para visitantes del parque de diversiones y corredores de maratón.

El laboratorio de identificación automatizado del MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha estado a la vanguardia del desarrollo de la tecnología RFID. Según el informe de consultoría de Jimmy Mills, los investigadores del laboratorio están tratando de desarrollar nuevas características de la tecnología RFID: Han desarrollado un nuevo sensor de etiquetas UHF RFID capaz de detectar la glucosa pico y señales de transmisión inalámbrica. En el futuro, el equipo planea perfeccionar este sensor RFID para monitorear el ambiente de compuestos y gases como el óxido nítrico (CO).

La gente quiere aprovechar más el valor de las infraestructuras RFID existentes y ampliar más aplicaciones, como la detección", dijo Sai Nithin Reddy Kantareddy, estudiante graduado del MIT Mechanical Engineering Institute. “Podemos crear miles de estos tipos de baratos. Sensores de etiquetas RFID, están conectados a las paredes del edificio o a diversos objetos, sin necesidad de una batería adicional para detectar todos los gases comunes en el medio ambiente, como monóxido de carbono o amoníaco. Y crear una enorme red de sensores a un costo muy bajo. ”

El equipo de investigación de Kantareddy incluye científicos Rahul Bhattacharya, y MIT Mechanical Engineering Fred Fort Flowers y Daniel Fort Flowers Professor y Open Learning Vice President Sanjay Sarma.

"RFID es el protocolo de comunicación RF de potencia más barato y más bajo disponible hoy", dijo Sarma. "Cuando un chip RFID de uso general puede sentir el mundo real mejorando las etiquetas, entonces el verdadero sentido de la ubicuidad sensor se convertirá en una realidad. ”

Ola híbrida

现在,拉斯维加斯etiquetas RFID范围disponibles en una variedad de configuraciones, incluyendo batería y pasivo. Ambos tipos de etiquetas RFID contienen una pequeña antena que comunica señales RF backscattered con un lector remoto, enviando datos o código simple almacenados en un pequeño chip integrado en la etiqueta. La etiqueta propulsada por batería contiene una pequeña batería que alimenta el chip. Las etiquetas RFID pasivas recogen energía del propio lector. El lector emite ondas de radio de energía suficiente dentro de los límites FCC para proporcionar energía para los chips de almacenamiento y la recepción de señal reflejada en las etiquetas RFID.

En los últimos años, los investigadores han comenzado a experimentar con formas de convertir etiquetas RFID pasivas en sensores de larga duración que no requieren baterías o requieren reemplazo. Estos esfuerzos generalmente están diseñados principalmente para la antena de etiquetas, que cambia sus propiedades eléctricas en respuesta a ciertos estímulos ambientales. Así, cuando se detecta un cierto estímulo, la antena reflejará las ondas de radio de vuelta al lector con diferentes frecuencias características o fortalezas de señal.

Por ejemplo, el equipo de Sarma diseñó previamente una antena de etiquetas RFID que responde a la humedad en la tierra y cambia las emisiones de onda de radio. El equipo también creó una antena que siente la anemia que fluye a través de la RFID etiquetado sangre.

Sin embargo, Kantareddy afirmó que este tipo de diseño centrado en la antena tiene muchos defectos, el principal es la “intromisión multipata”—incluso las ondas de radio de una sola fuente (como un lector o antena RFID) Reflejado en la superficie para producir efectos mixtos.

“Dependiendo de las condiciones del medio ambiente, las ondas de radio se pueden reflejar en paredes y objetos varias veces antes de ser reflejadas de nuevo a la etiqueta. Esto puede interferir con la formación de ruido”, dijo Kantareddy. “Usando sensores basados en la antena, hay una mayor posibilidad de que se identificará erróneamente. O una señal negativa, lo que significa que es posible que la respuesta del sensor sea inexacta porque está sujeta a interferencia del campo de radio. Por lo tanto, la detección basada en la antena carece de suficiente confiabilidad."

Pequeños cambios, gran sabiduría

El equipo de Sarma ha adoptado una nueva solución: En lugar de apuntar antenas de etiquetas, están tratando de mejorar sus chips de memoria. Adquirieron un chip integrado comercialmente disponible que puede cambiar entre dos modos de potencia: uno basado en el modo de energía RF, similar a RFID totalmente pasivo, y el otro es un modo asistido por energía local, como el uso de una batería o condensador externo, de forma similar Para etiquetas RFID semipasiva.

El equipo de investigación utilizó una antena RF estándar y los chips anteriores para incrustar etiquetas RFID. En un paso clave, los investigadores crearon un circuito simple alrededor del chip de memoria que permite que el chip cambie al modo local asistido por energía cuando el chip siente un estímulo ambiental. En este modo (modo pasivo asistido por batería, BAP), el chip emite un nuevo código de protocolo diferente del código regular que emite en modo pasivo. El lector luego traduce este nuevo código, indicando que la etiqueta RFID ha detectado una señal de estímulo ambiental de interés.

Kantareddy dijo que este sensor basado en RFID es más fiable que un sensor basado en un diseño de antena porque distingue fundamentalmente entre las capacidades de percepción y comunicación de la etiqueta. En sensores basados en la antena, tanto el chip que almacena datos como la antena que transmite datos dependen de las ondas de radio reflejadas en el medio ambiente. Y el nuevo diseño de Kantareddy, su chip no confía en ondas de radio mixtas para lograr la percepción.

"Esperamos que se pueda mejorar la fiabilidad de los datos", dijo Kantareddy. "Mientras estemos en un estado de detección, nuestra nueva solución transmitirá nuevos códigos de protocolo mejorados por señales, lo que nos permitirá determinar claramente los estados de detección y no sensor del sensor". ."

"Esta solución es muy interesante porque también resuelve el problema de sobrecarga de información causado por un gran número de etiquetas en el medio ambiente", dijo Bhattacharyya. "La solución ha abandonado el análisis continuo del flujo de información a través de etiquetas pasivas de corto alcance, permitiendo a los lectores RFID." Puede ser colocado lo suficientemente lejos para que sólo acontecimientos importantes puedan ser comunicados y procesados."

Sensor de plug and play

Como demostración, el equipo de investigación desarrolló un sensor de glucosa en sangre RFID. Utilizan electrodos de detección de glucosa disponibles comercialmente, que están llenos de glucosa electrolito oxidasa. Cuando el electrolito interactúa con la glucosa, el electrodo genera una carga que actúa como fuente o batería de energía local.

Los investigadores conectaron estos electrodos a los chips y circuitos de memoria de las etiquetas RFID. Cuando agregan glucosa a cada electrodo, la carga generada puede cambiar el chip de su modo de potencia RF pasivo a un modo de ayuda de carga local. Cuanto más glucosa se agrega, más tiempo el chip está en el segundo modo de potencia.

Kantareddy dijo que los lectores que pueden sentir este nuevo modo de energía pueden usar esto como una señal de que la glucosa está presente en el medio ambiente. Este lector puede determinar la cantidad de glucosa midiendo el tiempo que el chip está en modo asistido por batería - cuanto más tiempo en este modo, más alto es el contenido de glucosa.

Aunque el sensor desarrollado por el equipo de investigación puede detectar la glucosa, su rendimiento sigue siendo inferior al de sensores dedicados de glucosa disponibles comercialmente. Kantareddy afirmó que su objetivo no es desarrollar un sensor de glucosa RFID, sino mostrar sus diseños en comparación con las antenas basadas en el sensor tiene un rendimiento de detección más fiable.

"Usando nuestro diseño, los datos obtenidos son más fiables", dijo Kantareddy.

Además, su diseño es más eficiente. Su etiqueta puede ser operada en modo pasivo utilizando energía RF reflejada cercana hasta que aparezca cerca un estímulo ambiental de interés. Y este estímulo puede proporcionar energía a la etiqueta y enviar un código de alerta al lector. Por lo tanto, el sensor en sí puede proporcionar energía adicional para el chip integrado.

“Porque esta etiqueta puede obtener energía tanto de RF como de electrodo, su rango de comunicación se ha expandido enormemente”, dijo Kantareddy. “Usando este diseño, la distancia del lector puede alcanzar más de 10 metros, muy superior. Va de 1 a 2 metros. Por lo tanto, el mismo área puede reducir enormemente el número y el costo de los lectores."

A continuación, planea desarrollar un sensor de monóxido de carbono RFID combinando su diseño con diferentes tipos de electrodos. Cuando el monóxido de carbono aparece, puede hacer que el sensor cobre y lo accione.

"Usar un diseño basado en la antena requiere diseñar una antena específica para una aplicación específica", dijo Kantareddy. "Con nuestro diseño, sólo necesitamos utilizar un electrodo, plug y play comercialmente disponibles, lo que hace todo el concepto de diseño. Es muy fácil de expandir. Los usuarios pueden desplegar miles de estos sensores en casa o en el sitio de la fábrica para monitorear calderas, tanques de gas o tuberías".