作为传感器的RFID标签 – 对创新设计和应用的回顾外文翻译资料

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作为传感器的RFID标签 - 对创新设计和应用的回顾

赵兆猛1，李振2

1.曼彻斯特大学电气与电子工程学院牛津路，曼彻斯特M13 9PL，英国zhaozong.meng@manchester.ac.uk

2.曼彻斯特大学材料学院牛津路，曼彻斯特M13 9PL，英国

无线射频识别（RFID）技术自发明以来，在学术界和工业界都获得了广泛的关注。除了访问控制和供应链中的应用之外，RFID也是无损检测（NDT）和普适监控的高效经济解决方案。无需电池的RFID标签被用作独立的电磁传感器或者能量采集和数据传输接口，用于不同的测量目的。本评论文章旨在全面概述RFID传感器技术的创新设计和应用，并提供新的见解，确定技术挑战，并概述未来展望。首先简要介绍了RFID测量的基本原理、实现技术和最新的技术进展，然后对新颖的设计和应用进行了广泛的讨论。然后在深入分析的基础上，确定了潜在的制约因素，并提出了未来可能的发展方向，包括可打印/可穿戴式RFID，片上系统（SoC），超低功耗等。RFID技术将为学术界和工业界在调查、开发和应用各种测量应用的传感器技术方面起到鼓舞人心的作用。

关键词：RFID传感器，无损检测，普适监测，能量采集，SoC

1. 介绍

RFID作为一种非接触式的非视线识别和数据传输技术，已被广泛应用于物流和工业过程中的访问控制和信息跟踪[1]。它也被认为是实现物联网（IoT）无所不在的监测研究的卓越技术[2]，[3]。

由于射频识别中的电感耦合或背散射无线电波可用于检测标签物体的物理参数，因此RFID技术也是智能传感处理一些复杂问题的潜在解决方案[4] [5]。例如，它可以用来区分作为无线电波传输介质的材料的变化。因此，RFID标签也发挥创新功能，被用作不同测量目的的电磁传感器，如应变检测[6]，[7]，材料腐蚀分析[8]，[9]，裂纹检测[10]，[11]，[12]和食品质量评估等[13]，[14]。

此外，RFID标签还可以与感应材料，模数转换器（ADC）和微控制器单元（MCU）等电子元件集成在一起，构成一个集成的传感器模块。RFID标签被用作数据传输的通信接口。无源RFID传感器收集射频辐射的射频能量，为电路供电并完成传感功能，然后将数据保存在RFID芯片中，以供RFID阅读器访问，如[15]，[16]和[17]所述。被动传感对于遥感和RFID无线传感器网络（WSN）中的数据收集有重要意义，如健康监测[18]和室内定位[19]。

这种价格低廉的技术前景广阔，促进了许多学科的研究。RFID传感器的快速发展和文献中对这项技术系统性描述的缺乏是引起关注的原因，这促使本次调查补充了这一缺陷，提出了新的设计和应用，全面概述了新的见解。

本文的结构组织如下：第二部分介绍了RFID测量的基本原理，第三部分和第四部分介绍了最新的设计和应用，第五部分总结了潜在的挑战并提出了未来的发展方向，最后是第六部分的结论。

2. RFID测量基础

通常情况下，超高频（UHF）RFID阅读器和作为应答器的标签之间的RF识别过程如图1所示[20]，其中CW和RCS分别表示连续波和雷达截面。

由于RFID传感是射频识别的扩展功能，它利用被测物体所引起的电感耦合和射频反向散射的变化来实现测量功能。本节介绍利用RFID标签作为传感器的方法及其基本原理。

图.1.UHF RFID阅读基础图

A. RFID技术基础

RFID的各种工作频率在表1中总结。在近场和能量传输中运行的低频（LF）和高频（HF）RFID均通过电感耦合。但是，对于UHF和超高频（SHF），在微波频率范围内，通信和能量转移通过后向散射进行传输。

表1. RFID技术的频率和阅读范围

为了测量，在金属材料中使用更多的LF和HF，并且更多地使用UHF和更高的导电率较弱的介电材料，例如混凝土和食物。一些RFID传感器是定制设计的，而一些RFID传感器则符合特定的全球监管标准，如用于UHF RFID的电子产品代码（EPC）Class 1 Generation 2 [21]。使用完全标准化的技术UHF RFID EPC Class 1 Generation 2可以从大量商用现货（COTS）组件中受益。

B. RFID标签作为电磁传感器

LF / HF和UHF RFID标签测量的基本原理如图2所示，图3表示LF / HF RFID近场耦合的等效电路。

基本上，一个RFID标签由一个LCR并联电路组成。当RFID天线被放置在作为无线电波传输介质的测量对象上时，其电特性L2 和C2 被改变。假设标签的变换电阻为Z，标签在Z实部最大点的共振频率可以表示为：

(1)

电路中的R2决定谐振带宽。当由被测物体引起的C2 和L2发生变化时，f0发生位移。

另外，这个标签的Q因子被定义为：

(2)

因此，通过确定f0和Q，分析L2，C2和R2的变化，可以得到被测物体的电学特性。这个基本理论是以不同的方式进行测量的。例如，对湿度敏感的材料可以位于RFID标签的基板上以影响电特性C2和L2。水分含量可以通过校准程序获得。基于射频反向散射RFID的UHF测量基本类似。

a) LF/HF RFID

b）UHF RFID

图2.LF / HF和UHF RFID标签传感

图3. LF / HF RFID近场耦合等效电路

C. RFID标签作为能量收集和数据传输介质

除了利用RFID天线的共振频率进行测量之外，RF能量收集用于数据传输是另一种有前景的技术，其允许集成的传感器模块能够执行被动无源遥感。

为了实现这些功能，将具有匹配网络的RFID天线连接到RF到DC整流器，从而产生直流电压。具有电压监控器的电荷泵控制存储电容器的充电和放电。当存储电容器被充电时，电压监控器开始放电并为收集传感器数据的MCU供电，并写入RFID读取器可读取的芯片特定数据库。参考电路设计在图4中给出。

图4.UHF RFID传感器的参考设计

无源RFID标签是与超低功率传感器集成以构成无电池RFID传感器的有望候选者。Powercast P2110 [22]，Impinj Monza X-2K等I2C UHF RFID Gen2 IC，TI MSP430系列等超低功耗MCU之类的商用RF-DC转换器是关键技术[15]。传感器模块和RFID模块的集成使传感器能够方便地以无线方式传输数据，因此被广泛研究和应用[23]。

一般而言，RFID传感器是基于上述两种基本方法的进一步扩展，进行了许多新颖的设计和应用。

D. RFID传感技术分类

RFID传感器以不同的方式实现测量任务。根据经营基础，RFID测量的相关方法可以分为四类：RFID电磁传感器，RFID标签集成传感器，RFID标签阵列和RFID传感器网络。前两种是常用的，后两种是前者的功能扩展。表2给出了测量的不同类型和测量基础。

表2. RFID传感器测量的类别

有关压力，裂纹，腐蚀，温度，湿度，气体，血糖等的测量，RFID无线传感器网络监测的大量研究分为四类。各种RFID传感技术的繁荣也是第三节中讨论的技术不断进步的结果。

3. RFID传感器技术的应用

根据第二节所述的RFID测量的基本原理，利用射频和天线，射频识别元件，能量采集，ADC和低功耗数字元件集成等多学科技术，介绍了RFID感测的优势。作为在实际应用中具有前景的研究热点之一，RFID技术吸引了大量的研究工作。本节阐述了为RFID传感器提供优势的主要技术。

A. RFID天线设计的创新

天线是RFID标签的重要组成部分。通过引入新的结构和材料可以提高其性能。例如，在天线形状方面，文献[24]报道了一种用于无线传感器网络的新型立体天线和用于环境传感的RFID，这种立方体设计已经实现了近乎各向同性的模式。在[25]中，提出了一种超低成本的RFID标签，它包含一个由相邻永磁体偏置的软磁带。通过在施加磁性AC和DC磁场的同时测量色带磁化的变化来读取标签。关于天线的材料，文献[26]介绍了一种低温石墨烯墨水加工的可印刷RFID天线，其可行性已经在低成本可印刷RF应用中得到了证明。在[27]中制造了一种高导电率的基于纺织品的弹性RFID标签天线，以引入弹性、柔韧性和机械强度。此外，柔性磁性复合材料被引入可穿戴RFID天线[28]，这可能使RFID天线在UHF频段中小型化。

这些RFID天线的新颖设计改进了RFID标签的性能，扩展了它们的应用范围。

B. 更低成本的RFID

无芯片RFID使用电磁特征进行数据编码，而不是嵌入集成电路进行ID提取，降低了RFID标签的成本[29]。无芯片RFID应答器所面临的挑战是如何在不存在芯片的情况下执行数据编码。为此，可以识别两种一般类型的RFID应答器：基于时域反射（TDR）的和基于光谱签名的。前者通过以脉冲的形式向读取器发送信号并接收由标签发送的脉冲的回波来询问先前的应答器，而后者使用谐振结构编码的RFID标签的光谱特征解码。基于超宽带（UWB）脉冲雷达的阅读器见[30]，其用UWB脉冲询问无芯片标签，并且分析在时域中接收到的反向散射以获得ID。在[31]中提出了一种基于相位编码反向散射的无芯片RFID应答器，其包括3个装有开路高阻抗短截线的微带贴片天线。天线重新辐射具有不同相位特性的反向散射信号，这些无芯片RFID标签的信号编码为十六进制位。基于光谱特征的RFID的一个典型研究是应用激发RF来识别介质基片上的金属带状字母[32]。结果表明，通过观察共振峰，可以高效确定唯一的识别字母表。

从上面介绍的基本原理和示例应用来看，基于TDR和光谱签名的无芯片RFID是RFID电磁传感器的理想选择。

C. 射频能量收集和混合动力电源

RF能量收集器或RF-DC转换器是RFID标签中的关键组件，其功能是将RF信号转换成可用于为低压电子设备供电的DC电压。为了解决由于二极管的导通电压导致的Dickson电路的效率下降问题，研究了基于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）二极管的互补金属氧化物半导体（CMOS）RF到DC转换器，以便产生稳定的直流电源，并具有适当的电压水平[33]。此外，一些研究还引入了新颖的混合供电解决方案，如基于时间编码的UWB RFID标签的半导体太阳能温度传感器，这种传感器采用简单的COTS元件构建[34]。为了扩大阅读范围，一些设计还包括可选电池。

能量收集和混合电源都是扩展基于RFID传感设备的无电池传感优势的有效方法。

D. SoC RFID传感器

除了能源效率之外，小型化也是基于RFID应用的关键参数。如图5所示，将RFID技术与集成芯片上的其他模块集成为SoC器件是一个前瞻性的方向，启发式研究已经开始。在0.18?? CMOS上集成传感材料的研究在实验室中很常见[36],[37]。具有射频采集，直流调节器，ADC和MCU高度集成的IC是RFID传感器和其他无线传感器节点的未来。

图5.用于葡萄糖监测的植入式SoC RFID，[35]

E. 可印刷/可穿戴式RFID

可打印和可穿戴式RFID是高度符合现有技术和安全标准要求的。可印刷RFID是一种低成本、环境友好型的标签解决方案，用于识别和感应应用。一个有希望的解决方案是在柔性或纸质基底上使用喷墨印刷的RFID电路来提供RFID传感功能，如图6所示[2]。与传统方法相比，这种方法更经济，更环保。涉及人体生物监测的可穿戴RFID标签的开发仍然具有挑战性，因为天线与人体的相互作用导致RFID感测的效率和灵敏度降低。人体对可穿戴UH

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