Heutzutage verfolgen viele Einzelhändler und Hersteller ihre Produkte mit RFID oder Radiofrequenz-Identifikationsetiketten.Diese Tags liegen häufig in Form von Papieretiketten vor, die mit einer einfachen Antenne und einem Speicherchip ausgestattet sind.Wenn sie auf eine Milchtüte oder einen Jackenkragen geklebt werden, fungieren RFID-Tags als intelligente Signaturen und übermitteln Informationen über die Identität, den Zustand oder den Standort eines bestimmten Produkts an ein Hochfrequenz-Lesegerät.Neben der Verfolgung von Produkten in einer Lieferkette werden RFID-Tags verwendet, um alles von Casino-Chips und Rindern bis hin zu Besuchern von Vergnügungsparks und Marathonläufern zu verfolgen.Das Auto-ID Lab am MIT ist seit langem führend in der Entwicklung der RFID-Technologie.Jetzt drehen Ingenieure in dieser Gruppe die Technologie auf eine neue Funktion um: Sensorik.Sie haben eine neue Ultrahochfrequenz- oder UHF-RFID-Tag-Sensor-Konfiguration entwickelt, die Glukosespitzen erkennt und diese Informationen drahtlos überträgt.In Zukunft plant das Team, das Etikett so anzupassen, dass es Chemikalien und Gase in der Umwelt wie Kohlenmonoxid erkennt.„Die Menschen suchen nach mehr Anwendungen wie Sensorik, um mehr Wert aus der bestehenden RFID-Infrastruktur zu ziehen“, sagt Sai Nithin Reddy Kantareddy, Doktorand am Department of Mechanical Engineering des MIT.„Stellen Sie sich vor, Sie könnten Tausende dieser kostengünstigen RFID-Tag-Sensoren erstellen, die Sie einfach an die Wände einer Infrastruktur oder die umgebenden Objekte kleben können, um gängige Gase wie Kohlenmonoxid oder Ammoniak zu erkennen, ohne dass eine zusätzliche Batterie erforderlich ist.Sie könnten diese kostengünstig über ein riesiges Netzwerk bereitstellen.“Kantareddy entwickelte den Sensor mit Rahul Bhattacharya, einem Forschungswissenschaftler in der Gruppe, und Sanjay Sarma, Fred Fort Flowers und Daniel Fort Flowers Professor für Maschinenbau und Vizepräsident für offenes Lernen am MIT.Die Forscher stellten ihr Design auf der IEEE International Conference on RFID vor, und ihre Ergebnisse erscheinen diese Woche online.„RFID ist das billigste RF-Kommunikationsprotokoll mit dem geringsten Stromverbrauch“, sagt Sarma.„Wenn generische RFID-Chips eingesetzt werden können, um die reale Welt durch Tricks im Tag zu erfassen, kann eine echte allgegenwärtige Erfassung Realität werden.“Derzeit sind RFID-Tags in einer Reihe von Konfigurationen erhältlich, einschließlich batteriegestützter und „passiver“ Varianten.Beide Arten von Tags enthalten eine kleine Antenne, die mit einem entfernten Lesegerät kommuniziert, indem sie das HF-Signal zurückstreut und ihm einen einfachen Code oder Datensatz sendet, der im kleinen integrierten Chip des Tags gespeichert wird.Batterieunterstützte Tags enthalten eine kleine Batterie, die diesen Chip mit Strom versorgt.Passive RFID-Tags sind so konzipiert, dass sie Energie aus dem Lesegerät selbst gewinnen, das innerhalb der FCC-Grenzwerte natürlich gerade genug Funkwellen aussendet, um den Speicherchip des Tags mit Strom zu versorgen und ein reflektiertes Signal zu empfangen.Kürzlich haben Forscher mit Möglichkeiten experimentiert, passive RFID-Tags in Sensoren umzuwandeln, die über lange Zeiträume ohne Batterien oder Ersatz funktionieren können.Diese Bemühungen haben sich in der Regel darauf konzentriert, die Antenne eines Tags zu manipulieren und sie so zu konstruieren, dass sich ihre elektrischen Eigenschaften als Reaktion auf bestimmte Reize in der Umgebung ändern.Infolgedessen sollte eine Antenne Funkwellen mit einer charakteristisch anderen Frequenz oder Signalstärke zu einem Lesegerät zurückreflektieren, was anzeigt, dass ein bestimmter Stimulus erkannt wurde.Zum Beispiel hat die Gruppe von Sarma zuvor eine RFID-Tag-Antenne entwickelt, die die Art und Weise ändert, wie sie Funkwellen als Reaktion auf den Feuchtigkeitsgehalt im Boden überträgt.Das Team stellte auch eine Antenne her, um Anzeichen einer Anämie im Blut zu erkennen, das über einen RFID-Tag fließt.Kantareddy sagt jedoch, dass solche antennenzentrischen Designs Nachteile haben, wobei der Hauptnachteil „Mehrwegeinterferenz“ ist, ein verwirrender Effekt, bei dem Funkwellen, selbst von einer einzelnen Quelle wie einem RFID-Lesegerät oder einer Antenne, von mehreren Oberflächen reflektiert werden können.„Je nach Umgebung werden Funkwellen von Wänden und Objekten reflektiert, bevor sie vom Tag reflektiert werden, was zu Störungen und Rauschen führt“, sagt Kantareddy.„Bei antennenbasierten Sensoren besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, dass Sie falsch positive oder negative Ergebnisse erhalten, was bedeutet, dass ein Sensor Ihnen mitteilt, dass er etwas gespürt hat, selbst wenn dies nicht der Fall ist, da er von den Interferenzen der Funkfelder beeinflusst wird.Dadurch wird die antennenbasierte Erfassung etwas weniger zuverlässig.“Sarmas Gruppe ging einen neuen Weg: Anstatt die Antenne eines Tags zu manipulieren, versuchten sie, seinen Speicherchip maßzuschneidern.Sie kauften handelsübliche integrierte Chips, die zum Umschalten zwischen zwei verschiedenen Leistungsmodi ausgelegt sind: einem auf HF-Energie basierenden Modus, ähnlich wie bei vollständig passiven RFIDs;und ein lokaler energieunterstützter Modus, wie etwa von einer externen Batterie oder einem Kondensator, ähnlich semipassiven RFID-Tags.Das Team verarbeitete jeden Chip mit einer Standard-Hochfrequenzantenne zu einem RFID-Tag.In einem entscheidenden Schritt bauten die Forscher eine einfache Schaltung um den Speicherchip herum, die es dem Chip ermöglicht, nur dann in einen lokalen energieunterstützten Modus zu wechseln, wenn er einen bestimmten Reiz wahrnimmt.In diesem unterstützten Modus (kommerziell als batterieunterstützter passiver Modus oder BAP bezeichnet) sendet der Chip einen neuen Protokollcode aus, der sich von dem normalen Code unterscheidet, den er in einem passiven Modus sendet.Ein Lesegerät kann diesen neuen Code dann als Signal interpretieren, dass ein interessierender Reiz erkannt wurde.Kantareddy sagt, dass dieses chipbasierte Design zuverlässigere RFID-Sensoren als antennenbasierte Designs schaffen kann, da es die Erfassungs- und Kommunikationsfähigkeiten eines Tags im Wesentlichen trennt.Bei antennenbasierten Sensoren sind sowohl der Chip, der Daten speichert, als auch die Antenne, die Daten überträgt, von den in der Umgebung reflektierten Funkwellen abhängig.Mit diesem neuen Design muss ein Chip nicht auf verwirrende Funkwellen angewiesen sein, um etwas zu erfassen.„Wir hoffen, dass die Zuverlässigkeit der Daten zunimmt“, sagt Kantareddy.„Es gibt einen neuen Protokollcode zusammen mit der erhöhten Signalstärke, wenn Sie erfassen, und es besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass Sie verwechseln, wenn ein Tag erfasst oder nicht erfasst.“„Dieser Ansatz ist interessant, weil er auch das Problem der Informationsüberlastung löst, die mit einer großen Anzahl von Tags in der Umgebung verbunden sein kann“, sagt Bhattacharyya.„Anstatt ständig Informationsströme von passiven Tags mit kurzer Reichweite zu analysieren, kann ein RFID-Lesegerät weit genug entfernt platziert werden, sodass nur Ereignisse von Bedeutung kommuniziert und verarbeitet werden müssen.“Zur Demonstration entwickelten die Forscher einen RFID-Glukosesensor.Sie bauten handelsübliche Elektroden zur Glukosemessung auf, die mit dem Elektrolyten Glukoseoxidase gefüllt waren.Wenn der Elektrolyt mit Glukose interagiert, erzeugt die Elektrode eine elektrische Ladung und wirkt als lokale Energiequelle oder Batterie.Die Forscher befestigten diese Elektroden am Speicherchip und Schaltkreis eines RFID-Tags.Als sie jeder Elektrode Glukose hinzufügten, bewirkte die resultierende Ladung, dass der Chip von seinem passiven HF-Leistungsmodus in den lokalen ladungsunterstützten Leistungsmodus umschaltete.Je mehr Glukose hinzugefügt wurde, desto länger blieb der Chip in diesem sekundären Energiemodus.Kantareddy sagt, dass ein Leser, der diesen neuen Leistungsmodus wahrnimmt, dies als ein Signal interpretieren kann, dass Glukose vorhanden ist.Das Lesegerät kann möglicherweise die Menge an Glukose bestimmen, indem es die Zeit misst, während der der Chip im batteriegestützten Modus bleibt: Je länger er in diesem Modus bleibt, desto mehr Glukose muss vorhanden sein.Während der Sensor des Teams Glukose erkennen konnte, lag seine Leistung unter der von handelsüblichen Glukosesensoren.Das Ziel, sagt Kantareddy, war nicht unbedingt die Entwicklung eines RFID-Glukosesensors, sondern zu zeigen, dass das Design der Gruppe manipuliert werden kann, um etwas zuverlässiger zu erfassen als antennenbasierte Sensoren.„Mit unserem Design sind die Daten vertrauenswürdiger“, sagt Kantareddy.Auch das Design ist effizienter.Ein Tag kann passiv mit HF-Energie betrieben werden, die von einem nahegelegenen Lesegerät reflektiert wird, bis ein interessanter Reiz kommt.Der Stimulus selbst erzeugt eine Ladung, die den Chip eines Tags antreibt, um einen Alarmcode an das Lesegerät zu senden.Der eigentliche Vorgang des Erfassens erzeugt daher zusätzliche Energie, um den integrierten Chip mit Energie zu versorgen.„Da Sie Energie von HF und Ihren Elektroden erhalten, erhöht dies Ihre Kommunikationsreichweite“, sagt Kantareddy.„Mit diesem Design kann Ihr Lesegerät 10 Meter entfernt sein, anstatt 1 oder 2. Dies kann die Anzahl und die Kosten der Lesegeräte verringern, die beispielsweise eine Einrichtung benötigt.“Für die Zukunft plant er die Entwicklung eines RFID-Kohlenmonoxidsensors, indem er sein Design mit verschiedenen Arten von Elektroden kombiniert, die so konstruiert sind, dass sie in Gegenwart des Gases eine Ladung erzeugen.„Bei antennenbasierten Designs müssen Sie spezifische Antennen für bestimmte Anwendungen entwerfen“, sagt Kantareddy.„Bei uns können Sie diese handelsüblichen Elektroden einfach per Plug-and-Play verwenden, was diese ganze Idee skalierbar macht.Dann können Sie Hunderte oder Tausende in Ihrem Haus oder in einer Einrichtung einsetzen, in der Sie Boiler, Gasbehälter oder Rohre überwachen könnten.“Diese Forschung wurde teilweise von der GS1-Organisation unterstützt.Diese Website wird vom MIT News Office verwaltet, das Teil des Institute Office of Communications ist.Massachusetts Institute of Technology 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, USA