MIT エンジニアが RFID タグをセンサーとして機能するように構成

前の画像 次の画像

最近では、多くの小売業者や製造業者が RFID (無線周波数識別タグ) を使用して製品を追跡しています。 多くの場合、これらのタグは、単純なアンテナとメモリ チップを備えた紙ベースのラベルの形式で提供されます。 RFID タグを牛乳パックやジャケットの襟に貼り付けると、スマート シグネチャとして機能し、特定の製品の身元、状態、場所に関する情報を無線周波数リーダーに送信します。

RFID タグは、サプライ チェーン全体で製品を監視するだけでなく、カジノ チップや家畜から遊園地の来場者やマラソン ランナーに至るまで、あらゆるものを追跡するために使用されます。

MIT の Auto-ID Lab は、長年にわたって RFID テクノロジー開発の最前線に立ってきました。 現在、このグループのエンジニアは、テクノロジーを新しい機能、つまりセンシングに向けて転換しています。 彼らは、グルコースのスパイクを感知し、この情報をワイヤレスで送信する新しい超短周波 (UHF) RFID タグ センサー構成を開発しました。 研究チームは将来的には、環境中の化学物質や一酸化炭素などのガスを感知できるようにタグを調整する予定だ。

「人々は、既存の RFID インフラストラクチャからより多くの価値を引き出すために、センシングなどのさらなるアプリケーションに注目しています」と、MIT 機械工学科の大学院生である Sai Nithin Reddy Kantareddy 氏は言います。 「追加のバッテリーを必要とせずに、インフラストラクチャの壁や周囲の物体に叩き付けるだけで、一酸化炭素やアンモニアなどの一般的なガスを検出できる、安価な RFID タグ センサーを何千個も作成できることを想像してください。これらを安価に、巨大な場所に導入できます。通信網。" Kantareddy は、グループの研究科学者である Rahul Bhattacharya 氏、Fred Fort Flowers および Daniel Fort Flowers 機械工学教授で MIT オープンラーニング担当副社長の Sanjay Sarma と協力してセンサーを開発しました。 研究者らは RFID に関する IEEE 国際会議でその設計を発表し、その結果は今週オンラインで公開されます。

「RFID は、世の中で最も安価で消費電力が低い RF 通信プロトコルです」と Sarma 氏は言います。 「汎用 RFID チップを展開して、タグのトリックを通じて現実世界を感知できるようになれば、真の普及型センシングが現実になる可能性があります。」

交絡波

現在、RFID タグは、バッテリー補助型や「パッシブ」型など、さまざまな構成で利用できます。 どちらのタイプのタグにも、RF 信号を後方散乱させることでリモート リーダーと通信する小さなアンテナが含まれており、タグの小さな統合チップに保存されている単純なコードまたはデータ セットを送信します。 バッテリーアシストタグには、このチップに電力を供給する小型バッテリーが含まれています。 パッシブ RFID タグは、リーダー自体からエネルギーを収集するように設計されており、タグのメモリ チップに電力を供給し、反射信号を受信するのに十分な量の電波を FCC 制限内で自然に放射します。

最近、研究者らはパッシブ RFID タグを、バッテリーや交換を必要とせずに長時間動作できるセンサーに変える方法を実験しています。 これらの取り組みは通常、タグのアンテナを操作し、環境内の特定の刺激に応じて電気的特性が変化するようにアンテナを設計することに焦点を当ててきました。 その結果、アンテナは特徴的に異なる周波数または信号強度で電波をリーダーに反射し、特定の刺激が検出されたことを示します。

たとえば、Sarma のグループは以前、土壌の水分含有量に応じて電波の送信方法を変える RFID タグ アンテナを設計しました。 研究チームはまた、RFIDタグを流れる血液中の貧血の兆候を感知するアンテナも製作した。

しかし、カンタレッディ氏によると、こうしたアンテナ中心の設計には欠点があり、その主な欠点は「マルチパス干渉」であり、RFIDリーダーやアンテナなど単一の発信源からの電波であっても、複数の表面で電波が反射する可能性があるという交絡効果だという。

「環境によっては、電波がタグで反射する前に壁や物体で反射するため、干渉してノイズが発生します」とカンタレッディ氏は言う。 「アンテナベースのセンサーを使用すると、誤検知または誤検知が発生する可能性が高くなります。つまり、センサーは、無線場の干渉の影響を受けるため、何かを感知していなかったとしても、何かを感知したと伝えることになります。したがって、アンテナが作られます。 -ベースのセンシングの信頼性は少し低くなります。」

削り取る

Sarma のグループは新しいアプローチを採用しました。タグのアンテナを操作する代わりに、そのメモリ チップを調整しようとしました。 彼らは、2 つの異なる電力モード間で切り替えるように設計された既製の統合チップを購入しました。1 つは、完全パッシブ RFID に似た RF エネルギー ベースのモードです。 セミパッシブ RFID タグと同様に、外部バッテリーやコンデンサーなどからのローカル エネルギー支援モード。

チームは、標準の無線周波数アンテナを備えた各チップを RFID タグに加工しました。 重要なステップとして、研究者らはメモリチップの周囲に単純な回路を構築し、特定の刺激を感知した場合にのみチップが局所エネルギー支援モードに切り替わるようにした。 このアシスト モード (商業的にはバッテリー アシスト パッシブ モード (BAP) と呼ばれます) では、チップはパッシブ モードで送信する通常のコードとは異なる新しいプロトコル コードを送信します。 リーダーは、この新しいコードを、対象の刺激が検出されたことを示す信号として解釈できます。

カンタレッディ氏は、このチップベースの設計はタグのセンシング機能と通信機能を本質的に分離しているため、アンテナベースの設計よりも信頼性の高いRFIDセンサーを作成できると述べている。 アンテナベースのセンサーでは、データを保存するチップとデータを送信するアンテナの両方が環境で反射される電波に依存します。 この新しい設計により、チップは何かを感知するために交絡電波に依存する必要がなくなります。

「データの信頼性が高まることを願っています」とカンタレッディ氏は言う。 「センシングするたびに信号強度が増加するとともに、新しいプロトコル コードが追加されるため、タグがセンシングしているときとセンシングしていないときに混乱する可能性が低くなります。」

「このアプローチは、環境内の多数のタグに関連付けられる可能性のある情報過負荷の問題も解決するため、興味深いです」とバタチャリヤ氏は言います。 「短距離パッシブタグからの情報ストリームを常に解析する必要がなく、RFID リーダーを十分遠くに設置できるため、重要なイベントのみが伝達され、処理する必要があります。」

「プラグアンドプレイ」センサー

デモンストレーションとして、研究者らは RFID グルコース センサーを開発しました。 彼らは、電解質グルコースオキシダーゼを充填した市販のグルコース感知電極を設置した。 電解質がグルコースと相互作用すると、電極は電荷を生成し、局所エネルギー源またはバッテリーとして機能します。

研究者らはこれらの電極をRFIDタグのメモリチップと回路に取り付けた。 各電極にグルコースを追加すると、その結果生じた電荷によってチップがパッシブ RF パワー モードからローカル チャージ アシスト パワー モードに切り替わりました。 追加したグルコースが多いほど、チップがこの二次電力モードに留まる時間が長くなります。

Kantareddy 氏は、この新しい電力モードを感知した読者は、これをグルコースが存在する信号として解釈できると述べています。 リーダーは、チップがバッテリー補助モードに留まっている時間を測定することによって、グルコースの量を決定できる可能性があります。このモードに留まる時間が長いほど、より多くのグルコースが存在するはずです。

チームのセンサーはグルコースを検出できましたが、その性能は市販のグルコースセンサーを下回っていました。 カンタレッディ氏によると、目標は必ずしもRFIDグルコースセンサーを開発することではなく、グループの設計を操作してアンテナベースのセンサーよりもより確実に何かを感知できることを示すことだったという。

「私たちの設計により、データの信頼性がさらに高まりました」とカンタレッディ氏は言います。

設計もより効率的になります。 タグは、関心のある刺激が現れるまで、近くのリーダーから反射された RF エネルギーで受動的に動作します。 刺激自体によって電荷が生成され、タグのチップに電力を供給して、アラーム コードをリーダーに送信します。 したがって、検知するという行為自体が、統合チップに電力を供給するための追加電力を生成します。

「RF と電極からエネルギーを得ているので、通信範囲が広がります」とカンタレッディ氏は言います。 「この設計では、リーダーを 1 ～ 2 メートル離れたところに置くことができます。これにより、たとえば施設に必要なリーダーの数とコストを削減できます。」

今後は、ガスの存在下で電荷を生成するように設計されたさまざまな種類の電極と自分の設計を組み合わせて、RFID 一酸化炭素センサーを開発する予定です。

「アンテナベースの設計では、特定のアプリケーション向けに特定のアンテナを設計する必要があります」とカンタレッディ氏は言います。 「私たちの製品では、これらの市販の電極をプラグアンドプレイするだけで、このアイデア全体が拡張可能になります。そうすれば、自宅やボイラー、ガス容器、パイプを監視できる施設に何百、何千もの電極を導入できます。 」

この研究は、GS1 組織によって部分的に支援されました。

前の項目 次の項目