مهندسان MIT برچسب‌های RFID را برای کار به عنوان سنسور پیکربندی می‌کنند. این روزها، بسیاری از خرده‌فروشان و تولیدکنندگان محصولات خود را با استفاده از برچسب‌های RFID یا شناسایی فرکانس رادیویی ردیابی می‌کنند.

برچسب RFID

اغلب این برچسب‌ها به صورت برچسب‌های مبتنی بر کاغذ ارائه می‌شوند که مجهز به یک آنتن ساده و تراشه حافظه هستند. هنگامی که بر روی کارتن شیر یا یقه ژاکت زده می‌شوند، برچسب‌های RFID به عنوان امضاهای هوشمند عمل می‌کنند و اطلاعات را به یک خواننده فرکانس رادیویی در مورد هویت، حالت یا محل یک محصول خاص منتقل می‌کنند.

آزمایشگاه Auto-ID در MIT مدت‌هاست که در صدر توسعه فناوری RFID قرار دارد. اکنون مهندسان این گروه، فناوری را به سمت عملکرد جدید “سنجش” سوق می‌دهند. آنها پیکربندی جدیدی با حسگر برچسب RFID با فرکانس فوق‌العاده بالا یا UHF ،RFID ایجاد کرده‌اند و به صورت بی‌سیم این اطلاعات را منتقل می‌کند. در آینده، این تیم قصد دارد برچسب را تنظیم کند تا مواد شیمیایی و گازهای موجود در محیط مانند مونوکسید کربن را حس کند.

سای نیتین رددی کانتاردی، دانشجوی فارغ‌التحصیل گروه مهندسی مکانیک MIT می‌گوید: “مردم به دنبال کاربردهای بیشتری مانند سنجش برای به دست آوردن ارزش بیشتر از زیرساخت‌های موجود RFID هستند.” تصور کنید: هزاران تن از این سنسورهای برچسب RFID ارزان را ایجاد کنید که می‌توانید بدون نیاز به باتری اضافی، بر روی دیوارهای زیرساخت‌ها یا اشیاء اطراف آن نصب کنید تا گازهای متداول مانند مونوکسید کربن یا آمونیاک را تشخیص دهید.

سارما می‌گوید: “RFID ارزان‌ترین و کمترین قدرت پروتکل ارتباطی RF در خارج است.” “هنگامی که تراشه‌های RFID عمومی می توانند برای درک دنیای واقعی از طریق ترفندهای موجود در برچسب مستقر شوند، سنجش فراگیر واقعی می‌تواند به واقعیت تبدیل شود.”

امواج گیج کننده RFID یا Confounding waves

در حال حاضر برچسب‌های RFID در تعدادی تنظیمات، از جمله انواع “باتری (battery-assisted)” و “منفعل (passive)” موجود است. هر دو نوع برچسب حاوی یک آنتن کوچک است که با ردیابی سیگنال RF با یک خواننده از راه دور ارتباط برقرار می‌کند، یک کد ساده یا مجموعه‌ای از داده‌ها را که در تراشه یکپارچه کوچک برچسب ذخیره شده است، برای آن ارسال می‌کند.

برچسب‌های باتری شامل یک باتری کوچک هستند که این تراشه را تأمین می‌کند. برچسب‌های RFID “منفعل” برای برداشت انرژی از خود خواننده طراحی شده‌اند که به طور طبیعی فقط امواج رادیویی به اندازه کافی در محدوده FCC ساطع می‌کند تا از تراشه حافظه برچسب استفاده کند و سیگنال منعکس شود.

اخیراً محققان در حال آزمایش روش‌هایی برای تبدیل تگ‌های غیرفعال RFID به حسگرهایی هستند که می‌توانند در طولانی مدت بدون نیاز به باتری یا تعویض کار کنند. این اقدامات بطور معمول در دستکاری آنتن برچسب متمرکز شده‌اند و آن را به گونه‌ای طراحی کرده‌اند که خصوصیات الکتریکی آن در پاسخ به برخی محرک‌های محیط تغییر کند. در نتیجه، یک آنتن باید امواج رادیویی را با فرکانس متفاوت و یا قدرت سیگنال به خواننده بازگرداند و این نشان می‌دهد که یک محرک خاص تشخیص داده شده است.

به عنوان مثال، گروه سارما قبلاً یک آنتن برچسب RFID طراحی کرده بود که نحوه انتقال امواج رادیویی را در پاسخ به رطوبت موجود در خاک تغییر می‌دهد. این تیم همچنین برای حساسیت به کم خونی در خون در برچسب RFID، آنتن تولید کرد.

“اما کانتاردی” می‌گوید: اشکالاتی در چنین طراحی‌های آنتن محور وجود دارد، اصلی‌ترین آن «تداخل چند منظوره» است، یک اثر مخدوش که در آن امواج رادیویی حتی از یک منبع واحد مانند خواننده RFID یا آنتن می‌توانند چندین سطح را منعکس کنند.

Kantareddy می‌گوید: “بسته به محیط، امواج رادیویی نسبت به دیوارها و اشیا قبل از این که برچسب را منعکس کنند، منعکس می‌شوند. بنابراین حساسیت مبتنی بر آنتن را کمی قابل اعتمادتر می‌کند.”

RFID

رها کردن RFID یا Chipping away

گروه سارما رویکرد جدیدی را اتخاذ کرد: به جای دستکاری آنتن برچسب، آنها سعی کردند تراشه حافظه آن را تنظیم کنند. آنها تراشه‌های یکپارچه‌ای را خریداری کردند که به منظور جابجایی بین دو حالت مختلف انرژی ساخته شده‌اند: حالت مبتنی بر انرژی RF، شبیه به RFID های کاملاً منفعل و یک حالت محلی با کمک انرژی، مانند باتری خارجی یا خازن، مشابه برچسب‌های RFID.

این تیم هر یک از تراشه‌ها را در یک برچسب RFID با آنتن استاندارد با فرکانس رادیویی کار می‌کردند. در یک مرحله کلیدی، محققان یک مدار ساده را در اطراف تراشه حافظه ساخته‌اند که این تراشه را قادر می‌سازد تنها در صورت احساس یک محرک خاص، به حالت کمک به انرژی محلی سوئیچ کند.

هنگامی که در این حالت کمک شده (حالت غیرفعال تجاری با نام تجاری یا BAP نامیده می‌شود)، تراشه کد پروتکل جدیدی را منتشر می‌کند، متمایز از کد معمولی است که هنگام حالت غیرفعال منتقل می‌کند. خواننده می‌تواند این کد جدید را به عنوان سیگنالی مبنی بر شناسایی محرک‌های مورد علاقه تفسیر کند.

کانتاردی می‌گوید این طراحی مبتنی بر تراشه می‌تواند سنسورهای RFID قابل اطمینان‌تری نسبت به طرح‌های مبتنی بر آنتن ایجاد کند زیرا اساساً قابلیت سنجش و ارتباطات برچسب را از هم جدا می‌کند. در سنسورهای مبتنی بر آنتن، هر تراشه‌ای که داده‌ها را ذخیره می‌کند و آنتن که داده را منتقل می‌کند، به امواج رادیویی منعکس شده در محیط بستگی دارد. با این طراحی جدید، یک تراشه برای حس کردن چیزی، نباید به امواج رادیویی مخدوش کننده وابسته باشد.

كانتاردی می‌گوید: “ما امیدواریم كه قابلیت اطمینان در داده‌ها افزایش یابد. یک کد پروتکل جدید همراه با افزایش قدرت سیگنال در هر زمان که حس می‌کنید وجود دارد و احتمال دارد که وقتی یک برچسب در مقابل حس کاوش (سنجش) نیست، کمتر اشتباه بگیرید.”

باتچاریا می‌گوید: “این رویکرد جالب است، زیرا می‌تواند با تعداد زیادی از برچسب‌ها در محیط مرتبط باشد. به جای این که دائماً باید جریان‌های اطلاعاتی را از برچسب‌های منفعل با برد کوتاه تجزیه کند، یک خواننده RFID می‌تواند به اندازه کافی دور باشد تا فقط وقایع با اهمیت ارتباط برقرار کرده و نیاز به پردازش داشته باشند.”

سنسورهای “Plug-and-play”

به عنوان یک نمایش، محققان یک حسگر گلوکز RFID را توسعه دادند. آن‌ها الکترودهای سنجش گلوکز در دسترس را تشکیل می‌دهند که سرشار از گلوکز اکسیداز است. هنگامی که الکترولیت با گلوکز واکنش می‌دهد، الکترود بار الکتریکی تولید می‌کند و به عنوان منبع انرژی محلی یا باتری عمل می‌کند.

محققان این الکترودها را به یک تراشه حافظه برچسب RFID متصل کردند. هنگامی که آن‌ها گلوکز را به هر الکترود اضافه کردند، بار حاصله باعث شد تا چیپ با حالت قدرت RF غیرفعال خود سوئیچ کند و به حالت قدرت شارژ محلی کمک کند. هر چه گلوکز بیشتر اضافه شود، این چیپ بیشتر در این حالت قدرت ثانویه باقی می‌ماند.

کانتاردی می‌گوید که یک خواننده، با درک این حالت قدرت جدید، می‌تواند این را به عنوان سیگنالی از وجود گلوکز تعبیر کند. خواننده می‌تواند با اندازه‌گیری مدت زمانی که تراشه در حالت باتری قرار می‌گیرد، میزان گلوکز را تعیین کند: هرچه در این حالت طولانی‌تر باقی بماند، گلوکز بیشتری باید وجود داشته باشد.

در حالی که سنسور تیم قادر به تشخیص گلوکز بود، عملکرد آن پایین‌تر از سنسورهای موجود در گلوکز تجاری است. كانتاردی می‌گوید، هدف این نیست كه یك سنسور گلوكز RFID تولید شود، بلکه نشان می‌دهد كه طراحی این گروه می‌تواند دستکاری شود تا چیزی با اطمینان بیشتر از حسگرهای مبتنی بر آنتن حس كند.

Kantareddy می‌گوید: “با طراحی‌های مبتنی بر آنتن، شما باید آنتن‌های خاصی را برای کاربردهای خاص طراحی کنید. سپس شما می‌توانید صدها یا هزاران نفر را در خانه خود و یا در یک ساختمان مستقر کنید که در آن می‌توانید بر روی دیگ بخار، ظروف گازی یا لوله‌ها نظارت کنید.”