浅述RFID感知及利用的上进及趋势
中华保密协会科学技术分会   51CTO专栏   2020-07-30

 01.介 银川市

复线射频识别(radio frequency identification devices)艺术(简称RFID),出生于上世纪四十至五十年代,开拓进取至今,历经了多种新兴技术之休戚与共,花样与使用范围已经发生了很大的转移。如今的RFID艺术,在融合了物联网(Internet of Things)艺术无线信息、能量传输(Wireless Information and Power Transfer)艺术、物体识别(object identification)以及迅速低能耗感知(energy efficient sensing)艺术下,已把认为是未来信息系统中传播和通信的新范式,并且它还把认为是21百年最具发展动力的信息技术之一[1]。RFID艺术具有非接触式传感、复线信息传输、标签无线供电、轻而易举部署、非视距传输、灵活可粘贴性等特征,是未来物联网应用和各行制造4.0(智能制造、物流、临床保健、建筑业、食品供应链)的严重性技术。

本文首先介绍RFID标签技术之上进,下一场对RFID日前的电网技术进步与流行传感器进行总结与概括,然后对于近年来来RFID前线创新之使用简要概述,说到底讲述RFID脚下所面临的挑战并对未来的上进前景做出展望。

02.RFID标签技术之上进

2.1 产业化芯片(Chip-less)RFID

旧时普通意义上的RFID标签,利用的上班方式为电感耦合以及随后向散射,他标签本质上就是带有硅芯片的邮路,而眼下人们为了加强RFID布局之方便以及降低布设成本,谈起可以运用不带有硅芯片的RFID标签,他工作方法就是改变RFID标签的无线电波形来传输数据而不需要复杂的邮路,实质上就是通过电路频率谐振效应进行工作。Chip-less RFID原理图如下图一所示。

 

希冀一 Chip-less RFID原理图

Chip-less RFID的多寡存储容量远远小于含有芯片的RFID系统。然而,出于不存在硅芯片,Chip-less RFID的资金明显低于有芯片的RFID。故此,Chip-less RFID已变成低成本传感和辨识应用的具有竞争力的取舍[2]。

2.2 RFID标签灵活快捷打印技术

喷墨打印工艺使得RFID标签更加宽裕快捷地把制造使用[3]。印刷电子技术是将传统印刷技术与电子技术相结合,名将传统印刷技术应用于电子制造的新技术[4]。与俗的电子元件制造方法相比,印刷技术在氧化环境下更安宁,并具有成本效益、灵活性和条件协调等优点。其中,接触式主要包括柔印、胶印和丝网凹版印刷,非接触式主要是喷墨印刷。原理如图二所示。

 

希冀二 四种典型的竹签印刷技术

主题性RFID印刷技术主要用于制造基于芯片的RFID电网和产业化芯片RFID。对于RFID标签制造,最新标签在相纸、塑料或纺织品上打印石墨烯、银或铜等纳米粒子进行电路的三合一。近十年来,能源之稀世、产品的高效更新和软环境环境的逆转,有效市场对近代技术提出了低成本、灵活、浅绿色的要求。表现一种电子基板,纸基板具有成本低、量产等优点,受到普遍关注。同时,虽然纳米颗粒导电油墨是由多种材料(如铜(Cu)、金(Au)、石墨烯、水晶纳米管(CNT))制成的,但银纳米粒子油墨是印刷纸电子导电迹的新选择。

穿过利用新型标签打印技术,可以制造更廉价、性能优越的RFID标签。

2.3 RFID标签集成电路发展

在RFID使用中,诸多新型的RFID 集成电路方式被发明作为RFID标签,包括UHF EPC Class-1 G2和NFC ISO/IEC14443和ISO/IEC15693,其中的组成部分代表性集成电路技术总结在表面一中。

 

表面一 RFID集成电路技术参数对比

该署集成电路中的大多数集成了射频能量采集电路、其间逻辑控制和推进器,以及允许读写能力的串行端口,以便更新传感器数据。一部分RFID芯片中包含了模拟-数字转换器(adc),用于与传感器组件接口,如MLX90129和SL13A。Melexis针对MLX90129 芯片进行低功耗、低压电池和产业化电池应用进行规范化,需任何其他组件即可将他用作 RFID 温度计;SL13A标签符合ISO15693专业,能与近场通讯(NFC-V)和高频射频识别(HF RFID)阅读器搭配使用,韩微电子公司(AMS)送医疗器械原始设备制造商提供了贯彻一些新应用的机遇,例如该标签可以从容且安全的植入患者体内(或直接让病人吞服)。病人只需将具备射频功能的无绳电话机或平板电脑靠近身体便可读取特定的哲理数值,全天候掌握自己之肌体状况。昆明仪器公司(TI)的RF430FRL152H型RFID探测器集成了低功耗单片机MSP430和14位数字信号A/D(宪章/数字)接口,有效地促进了芯片的进一步开发。他实现了低功耗、很快读写速度、无边次读/写耐久性和高电磁抗扰度综合优势,由一块基板以及集成天线与环境光和温度传感器组成。内置传感模块的三合一使得不同之基于RFID使用开发更加宽裕。

03.RFID艺术进步与更新应用

3.1 RFID电网技术之上进

射频能量采集电路主要由天线、玉器、倍增器和储能装置组成,如下图三所示:

 

希冀三 射频能量采集电路的示意图

电网捕获电磁场中的射频能量,下一场整流器通过整流器将射频能量转换为直流电压,说到底将电压倍增器增加的电压存储在储能装置中。

公用的电网如下图四所示,其中a希冀的电网通常用于HF RFID 系统,b-d中的天线常用于UHF RFID系统。

 

希冀四 公用RFID电网

高增益天线可以增进转换效率,拥有更大的直径,故此高增益天线是首选。电网的性质可以通过增益、频带、辐射方向、极化、物理尺寸或使用领域等数来评估。

电网位于RFID传播装置的前端,是注定RFID探测器性能的严重性部件,包括读取距离、上班速度和推进器模块的尺寸。故此,计划新颖的电网以增进传感器设备的性质和适应不同之使用场景成为研究热点。重点贡献集中在尺寸小型化、可折叠天线、三维天线、五金表面贴装天线、多波段天线、全向和电网等,其中的组成部分代表性成果总结在表面二中。

 

表面二 RFID最新天线技术参数对比

RFID探测器,一度典型的RFID标签的电网设计是适用的,并要求阻抗匹配的最大读取范围。但是,出于传感器和各族设施的出现,水资源耗费大大增加。为了获得稳定的RFID探测器数据,RFID探测器天线也得以配置为一个多端口来收集自然能量,以提高自供电无线传感器的功效收集,如图五所示。

 

希冀五 多端口能量采集RFID探测器

3.2 RFID更新传感器发展

出于RFID传播技术在未来物联网时代有着巨大的良机,包括TI、STMicroelectronics、ASM、Farsen、Axzon和Impinj在内的组成部分行业先驱也在这一特定领域投入了大量之生命力。一部分新颖的RF-DC转换器模块、RFID收发器和RFID集成电路被发明出来。市场上也有部分针对不同应用的最新技术解决方案。从表三列举了部分有前景的RFID集成电路用于传感器的支出案列。

 

表面三 RFID最新集成电路技术参数对比

在RFID集成电路的基础上,该署企业也给出了部分新型的使用模块示例,如下图六所示。

 

希冀六 商业RFID探测器解决方案示例

上图(a)官方是由安森美半导体公司(ON Semiconductor)生产的SPS1M002铺天盖地,采用MagnusS2集成电路,该传感器标签是专为被动感应各种表面和产品(如塑料、木材和石膏)上的水分而设计的。标签将感测到的湿度检测/液位信息产业化,可由符合UHF RFID Gen 2专业的阅读器读取。这种形式化电池无线传感器可以大大增强最终产品的可靠性,并为核工业条件下的调度提供许多好处。希冀(b)是由Farsens商店制作的EPC C1G2标签,ZYGOS-RM可根据现实行使定制不同之电网设计和尺寸,他用来开展负载传感,负载范围为0~5kg,精度为50g,探测器极限的观感距离为20m。希冀(c)展示了成都市仪器公司(TI)生产的纯粹(误区小于0.1℃)的智能化源RFID温度传感器,感知范围为-40℃-85℃。他可以用来例如检测人之皮肤温度的转移从而了解人身体健康状况。希冀(d)为成都市仪器公司(TI)生产的用于替代触摸键盘的NFC键盘,该键盘可以每分钟输入超过400个字符、产业化电池、低功耗(其中MSP430 MCU和RF430CL330 RFID标签的功耗都约为20 mW),支持NFC的无绳电话机可以快捷发现并识别该键盘。

04.基于RFID探测器的最新应用

RFID探测器技术集无线功率、数据传输和对象识别于一体,是一种流行性的传播和通信方式,具有大规模的使用前景。一边,复线电源和数据传输提供了一种无需电线和电池就足以将传感数据从把测物体中传输出去的接口,这使得传感器设备大大小型化。故此,随着RFID艺术与轻量级传感器技术之新融合,一部分过去技术上具有开创性的监测任务变得更加宽裕。使用领域包括消费电子、临床保健、食品和工商、农田水利、制造和物流、土木工程、面包车、机械等,合同典型例子进行了总结,如下图七所示。

 

希冀七 一部分RFID探测器技术之使用领域以及新型实例

05.迎战与提高趋向

5.1 RFID脚下面临的挑战

虽然在技巧上取得了不断的提高,穿过文献调研也发现了很多基于RFID的青铜器技术之更新应用,但大多数工作仍处于概念验证演示和办公室测试和评估阶段。研讨结果与现实利用还有很大差距。重点的挑战如下所示:

1)射频前端能量采集和功率转换的频率;

2)RFID探测器的中心技能在天线、集成电路功能、传播元件和数量协议等方面显示出很大的异质性;

3)性能可靠性,RFID探测器主要附着在把测物体上开展识别和平均数传感。然而,在现实利用中也会受到某些环境因素的影响;

5.2 RFID开拓进取趋向

一边,如何集成一些新材料和新工艺来提高RFID探测器技术之性质将变成研究之基本点。用于扩大RFID探测器读取范围之RFID连片技术也将是异样有含义之。另外,采取现代化电池和轻量化的性质,用于广域和多目标监测的RFID探测器网络也将在学术研究中占有一席之地。

一边,RFID传播技术被认为是未来信息系统的探索性技术,他物联网应用受到了特别之关心。其中包括但不限于:

1)电信的产品生命周期管理(PLM);

2)身体物理特性的继承监测;

3)智能物流中的RFID探测器;

4)智能农业中的RFID探测器;

06.总 结

RFID传播技术之高效发展和科普使用,在不同之使用领域产生了新的解决方案,对未来物联网丰富的传播感应用具有特别普遍的全景。在物联网时代中,RFID传播技术将不断吸引业界和科学界的研讨,传播和通信将变成信息基础设施的根基。RFID探测器技术在生物医学领域将会有更多的使用,可以植入人体,在土木工程中将会把整合到土木结构中用于健康监测,在安全生产中用于低成本高质量监测等等,他将在多个世界产生更加深远的影响。

// 参考文献

[1] 李成渊. 射频识别技术之使用与提高研究[J]. 复线互联科技, 2016(20):146-148.

[2] Shen Y , Law C L . A Low-Cost UWB-RFID System Utilizing Compact Circularly Polarized Chipless Tags[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2012, 11:1382-1385.

[3] Kim, S.; Mariotti, C.; Alimenti, F.; Mezzanotte, P.; Georgiadis, A.; Collado, A.; Roselli, L.; Tentzeris, M.M. No battery required: Perpetual RFID-enabled wireless sensors for cognitive intelligence applications. IEEE Microw. Mag. 2013, 14, 66–77.

[4] Son, H.W. Design of RFID tag antenna for metallic surfaces using lossy substrate. Electron. Lett. 2008, 44, 711–713.

[5] Matheus F K , Guilherme P B , Thomas G R C . Passive Wireless Sensor for Displacement Monitoring in Metal Structures[J]. IEEE Latin America Transactions, 2018, 16(5):1353-1357.

[6] Marindra A M J , Tian G Y . Chipless RFID Sensor Tag for Metal Crack Detection and Characterization[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018:1-11.

 

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【义务编辑: 武晓燕 TEL:(010)68476606】

 

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