浅述RFID感知及应用的发展及趋势

 01.介 绍

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无线射频识别(radio frequency identification devices)技术(简称RFID)，诞生于上世纪四十至五十年代，发展至今，经过了多种新兴技术的融合，形式与应用范围已经发生了很大的变化。现今的RFID技术，在融合了物联网(Internet of Things)技术无线信息、能量传输(Wireless Information and Power Transfer)技术、物体识别(object identification)以及高效低能耗感知(energy efficient sensing)技术后，已被认为是未来信息系统中传感和通信的新范式，并且它还被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一[1]。RFID技术具有非接触式传感、无线信息传输、标签无线供电、易于部署、非视距传输、灵活可粘贴性等特点，是未来物联网应用和工业制造4.0(智能制造、物流、医疗保健、农业、食品供应链)的关键技术。

本文首先介绍RFID标签技术的发展，然后对RFID近年来的天线技术发展与新型传感器进行总结与概括，接下来对于近些年来RFID前沿创新的应用简要概述，最后讲述RFID目前所面临的挑战并对未来的发展前景做出展望。

02.RFID标签技术的发展

2.1 无芯片(Chip-less)RFID

以往通常意义上的RFID标签，采用的工作方式为电感耦合以及后向散射，其标签本质上就是带有硅芯片的集成电路，而目前人们为了提高RFID部署的便捷以及降低布设成本，提出可以使用不带有硅芯片的RFID标签，其工作方式就是改变RFID标签的无线电波形来传输数据而不需要复杂的集成电路，本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。

图一 Chip-less RFID原理图

Chip-less RFID的数据存储容量远远小于含有芯片的RFID系统。然而，由于不存在硅芯片，Chip-less RFID的成本明显低于有芯片的RFID。因此，Chip-less RFID已成为低成本传感和识别应用的具有竞争力的选择[2]。

2.2 RFID标签灵活快捷打印技术

喷墨打印工艺使得RFID标签更加方便快捷地被制造使用[3]。印刷电子技术是将传统印刷技术与电子技术相结合，将传统印刷技术应用于电子制造的新技术[4]。与传统的电子元件制造方法相比，印刷技术在氧化环境下更稳定，并具有成本效益、灵活性和环境友好等优点。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。

图二 四种典型的标签印刷技术

柔性RFID印刷技术主要用于制造基于芯片的RFID天线和无芯片RFID。对于RFID标签制造，新型标签在相纸、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集成。近十年来，资源的稀缺、产品的快速更新和生态环境的恶化，使得市场对现代技术提出了低成本、灵活、绿色的要求。作为一种电子基板，纸基板具有成本低、量产等优点，受到广泛关注。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、碳纳米管(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。

通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应用中，许多新型的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，其中的一些代表性集成电路技术总结在表一中。

表一 RFID集成电路技术参数对比

这些集成电路中的大多数集成了射频能量采集电路、内部逻辑控制和存储器，以及允许读写能力的串行端口，以便更新传感器数据。一些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、低压电池和无电池应用进行优化，需任何其它组件即可将其用作 RFID 温度计;SL13A标签符合ISO15693标准，能与近场通讯(NFC-V)和高频射频识别(HF RFID)阅读器搭配使用，奥地利微电子公司(AMS)给医疗器械原始设备制造商提供了实现一些新应用的机会，例如该标签可以方便且安全的植入患者体内(或直接让患者吞服)。患者只需将具备射频功能的手机或平板电脑靠近身体便可读取特定的生理数值，全天候掌握自己的身体状况。德州仪器公司(TI)的RF430FRL152H型RFID传感器集成了低功耗单片机MSP430和14位数字信号A/D(模拟/数字)接口，有效地促进了芯片的进一步开发。其实现了低功耗、快速读写速度、无限次读/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。内置传感模块的集成使得不同的基于RFID应用开发更加方便。

03.RFID技术发展与创新应用

3.1 RFID天线技术的发展

射频能量采集电路主要由天线、整流器、倍增器和储能装置组成，如下图三所示：

图三 射频能量采集电路的示意图

天线捕获电磁场中的射频能量，然后整流器通过整流器将射频能量转换为直流电压，最后将电压倍增器增加的电压存储在储能装置中。

常用的天线如下图四所示，其中a图的天线通常用于HF RFID 系统，b-d中的天线常用于UHF RFID系统。

图四 常用RFID天线

高增益天线可以提高转换效率，获得更大的功率，因此高增益天线是选择。天线的性能可以通过增益、频带、辐射方向、极化、物理尺寸或应用领域等参数来评估。

天线位于RFID传感装置的前端，是决定RFID传感器性能的关键部件，包括读取距离、工作速度和传感器模块的尺寸。因此，设计新颖的天线以提高传感器设备的性能和适应不同的应用场景成为研究热点。主要贡献集中在尺寸小型化、可折叠天线、三维天线、金属表面贴装天线、多波段天线、全向和定向天线等，其中的一些代表性成果总结在表二中。

表二 RFID新型天线技术参数对比

RFID传感器，一个典型的RFID标签的天线设计是通用的，并要求阻抗匹配的最大读取范围。但是，由于传感器和各种设备的出现，能源消耗大大增加。为了获得稳定的RFID传感器数据，RFID传感器天线也可以配置为一个多端口来收集自然能量，以增强自供电无线传感器的能量收集，如图五所示。

图五 多端口能量采集RFID传感器

3.2 RFID创新传感器发展

由于RFID传感技术在未来物联网时代有着巨大的商机，包括TI、STMicroelectronics、ASM、Farsen、Axzon和Impinj在内的一些行业先驱也在这一特定领域投入了大量的精力。一些新颖的RF-DC转换器模块、RFID收发器和RFID集成电路被发明出来。市场上也有一些针对不同应用的新型技术解决方案。下表三列举了一些有前景的RFID集成电路用于传感器的开发案列。

表三 RFID新型集成电路技术参数对比

在RFID集成电路的基础上，这些公司也给出了一些新型的应用模块示例，如下图六所示。

图六 商业RFID传感器解决方案示例

上图(a)中是由安森美半导体公司(ON Semiconductor)生产的SPS1M002系列，使用MagnusS2集成电路，该传感器标签是专为被动感应各种表面和成品(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/液位信息数字化，可由符合UHF RFID Gen 2标准的阅读器读取。这种无电池无线传感器可以大大提高最终产品的可靠性，并为工业环境下的部署提供许多好处。图(b)是由Farsens公司制造的EPC C1G2标签，ZYGOS-RM可根据具体应用定制不同的天线设计和尺寸，其用来进行负载传感，负载范围为0~5kg，精度为50g，传感器极限的感知距离为20m。图(c)展示了德州仪器公司(TI)生产的高精度(误差小于0.1℃)的无源RFID温度传感器，感知范围为-40℃-85℃。它可以用来例如检测人的皮肤温度的变化从而了解人身体健康状况。图(d)为德州仪器公司(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、无电池、低功耗(其中MSP430 MCU和RF430CL330 RFID标签的功耗都约为20 mW)，支持NFC的手机可以快速发现并识别该键盘。

04.基于RFID传感器的新型应用

RFID传感器技术集无线功率、数据传输和目标识别于一体，是一种新型的传感和通信方式，具有广泛的应用前景。一方面，无线电源和数据传输提供了一种无需电线和电池就可以将传感数据从被测物体中传输出去的接口，这使得传感器设备大大小型化。因此，随着RFID技术与轻量级传感器技术的新融合，一些过去技术上具有挑战性的测量任务变得更加方便。应用领域包括消费电子、医疗保健、食品和农业、化工、制造和物流、土木工程、汽车、机械等，并用典型例子进行了总结，如下图七所示。

图七 一些RFID传感器技术的应用领域以及新型实例

05.挑战与发展趋势

5.1 RFID目前面临的挑战

虽然在技术上取得了不断的进步，通过文献调研也发现了许多基于RFID的传感器技术的创新应用，但大部分工作仍处于概念验证演示和实验室测试和评估阶段。研究结果与实际应用还有很大差距。主要的挑战如下所示：

1)射频前端能量采集和功率转换的效率;

2)RFID传感器的基本技术在天线、集成电路功能、传感元件和数据协议等方面表现出很大的异质性;

3)性能可靠性，RFID传感器主要附着在被测物体上进行识别和参数传感。然而，在实际应用中也会受到某些环境因素的影响;

5.2 RFID发展趋势

一方面，如何集成一些新材料和新工艺来提高RFID传感器技术的性能将成为研究的重点。用于扩展RFID传感器读取范围的RFID中继技术也将是非常有意义的。此外，利用无电池和轻量化的性能，用于广域和多目标监测的RFID传感器网络也将在学术研究中占有一席之地。

另一方面，RFID传感技术被认为是未来信息系统的革命性技术，其物联网应用受到了特别的关注。其中包括但不限于：

1)制造业的产品生命周期管理(PLM);

2)人体物理特性的连续监测;

3)智能物流中的RFID传感器;

4)智能农业中的RFID传感器;

06.总 结

RFID传感技术的快速发展和广泛应用，在不同的应用领域产生了新的解决方案，对未来物联网丰富的传感应用具有非常广阔的前景。在物联网时代中，RFID传感技术将不断吸引业界和学术界的研究，传感和通信将成为信息基础设施的基础。RFID传感器技术在生物医学领域将会有更多的应用，可以植入人体，在土木工程中将会被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，其将在多个领域产生更加深远的影响。

// 参考文献

[1] 李成渊. 射频识别技术的应用与发展研究[J]. 无线互联科技, 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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