RFID标签作为传感器 – 对创新设计和应用的回顾外文翻译资料

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RFID标签作为传感器 - 对创新设计和应用的回顾

Zhaozong Meng, Zhen Li

School of Electrical and Electronic Engineering, University of Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, UK zhaozong.meng@manchester.ac.uk 2School of Materials, University of Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, UK

无线射频识别（RFID）技术自发明以来一直在学术界和工业界都受到关注。除了访问控制和供应链应用之外，RFID还是无损检测（NDT）和普适监控的经济高效的解决方案。无电池的RFID标签被用作独立的电磁传感器或能量采集和传感器模块的数据传输接口，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。简要介绍了RFID测量的基本原理，介绍了有利的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。最后，在深入分析的基础上，确定潜在的制约因素，并提出未来的设想方向，包括可打印/可穿戴RFID，片上系统（SoC），超低功耗等。RFID传感器技术的全面讨论将为学术界和工业界在研究、开发和应用RFID在各种测量应用中提供启发和有益的参考。

关键词：RFID传感器，NDT，普适监测，能量收集，SoC

1. 介绍

作为一种非接触式非视线识别与数据传输技术，RFID在物流和工业过程中的访问控制和信息跟踪中得到了广泛应用。它也被认为是实现物联网（IOT）泛在监视的一种卓越的使能技术。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技术也是处理一些智能传感中复杂问题的潜在解决方案。 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标签也被创新地用作不同测量目的的电磁传感器，如应变检测，材料腐蚀分析，裂纹检测和食品质量评估。此外，RFID标签还可以与感应材料，模拟数字转换器（ADC）和微控制器单元（MCU）等电子元件集成在一起，以形成一个集成的传感器模块。RFID标签也可以被用作数据传输的通信接口。无源RFID传感器收集来自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读取器访问，这在[15]，[16]和[17]中进行了描述。无源传感对遥感和RFID无线传感器网络（WSN）中的数据采集很有帮助，如健康监测和室内定位。这种廉价技术的前景看好，促进了许多学科的研究。 RFID传感器的快速发展和文献中对该技术缺乏系统描述是引起关注的原因，这促使本次研究弥合了这一缺陷，提供了新颖的设计和应用以全新见解进行全面概述。本文的结构组织如下：部分2介绍了RFID测量的基本原理，第3节和第4节说明了使能技术和最先进的设计和应用，第5节总结了潜在的挑战并提出了未来的方向，最后第6节总结了这项工作。

1. RFID测量的基础

通常，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，其中CW和RCS分别表示连续波和雷达横截面。由于RFID传感是射频识别的扩展功能，它利用电感耦合和被测物体引起的射频反向散射的变化来实现测量功能。本节介绍了使用RFID标签作为传感器及其基本原理的方法。

A. RFID技术的基础知识，RFID的工作频率如表1所示。低频（LF）和高频（HF）RFID工作在近场和能量传输都是通过电感耦合。 但是，对于UHF在微波频率范围内像超高频（SHF）一样高，通信和能量转移通过后向散射在远场

对于测量，LF和HF用于金属材料，UHF和更高用于电导率较弱的介电材料，如混凝土和食品。一些RFID传感器是定制设计的，而一些RFID传感器则符合某些全球性法规。

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。 当将RFID天线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：

电路中的R2决定谐振带宽。 当由被测物体引起C2和L2发生变化时，f0发生位移。另外，被假定为a的标签的Q因子简单的并联谐振回路定义为：

因此，通过确定f和Q，以及分析L2，C2和R2的变化，可以获得被测物体的电学特性。 这个基本理论以不同的方式用于测量目的。 例如，可以在上面放置一种对湿度敏感的材料RFID标签的基底影响电特性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

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的能力是另一种有前途的技术，其允许集成的传感器模块成为能够执行被动式，无电池和遥感。为了实现这些功能，将具有匹配网络的RFID天线连接到RF-DC整流器从RF信号产生直流电压。 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芯片的特定数据库，这些数据库可被RFID读取器读取。 图4给出了参考电路设计。

无源RFID标签是与超低功率传感器集成以构成无电池RFID传感器的有希望的候选者。 Powercast P2110 等一些商用RF-DC转换器，Impinj Monza X-2K，I2C UHF RFID Gen2 IC，TI MSP430系列等超低功耗MCU是关键技术。 传感器模块和RFID模块的集成使传感器能够以无线方式方便地传输数据，因此被广泛研究和应用。通常，RFID传感器基于上述两种基本方法和它们的进一步扩展，并且相应地进行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。 根据运营基础，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给出了不同种类及其测量基础。

表2. RFID传感器测量的类别。

有关应变，裂纹，腐蚀，温度，湿度，气体，血糖等等的测量，本地化和RFID WSN监测的大量研究分为四类。 各种RFID传感技术的繁荣也是第3节中讨论的使技术不断进步的结果。

1. RFID传感器技术的应用

根据第2节中介绍的RFID测量的基本原理，RFID感测的优势组件被许多学科领域引入，如射频和天线，射频识别组件，能量收集以及ADC和低功耗数字组件的集成。 作为在实际应用中具有前景的研究重点之一，RFID技术吸引了许多研究工作。

1. 讨论

从第4节中介绍的应用中，RFID标签已被认为是非常有用的电磁感应解决方案。 它可以很容易地与感应材料和电子系统集成在一起，使用传统的RFID阅读器和天线。 使用RFID标签作为电磁传感器或用于电力和传感器数据传输的介质，它们都可以利用RFID标签在低成本、无电池、小型化遥感和易于制造方面的优势

RFID传感器的应用不仅限于通过电磁共振获得测量结果，或者与用于无线数据传输的感测组件集成。调查是双向的：（1）从微观角度看，创新设计已经入侵CMOS集成电路设计，以集成敏感材料和RFID芯片; （2）从宏观角度来看，RFID传感器被用于形成用于不同测量目的的二维阵列。还尝试将WSN集成到普适系统中进行长期和大空间监测。

1. 结论

无电池RFID传感器的快速发展为各个领域的无线测量创造了巨大的机遇。 利用RFID标签作为传感器的应用变得很普遍，并且针对不同用例的一些新颖应用出现压倒性的适应性。本文以这一流行的研究方向为重点，阐述了RFID传感器的基本原理和使能技术，并以典型示例对新型应用进行了分类，讨论了技术挑战，并概述了该特定研究领域的未来前景。 本文是有关RFID传感器文献的及时补充。

基于所报道的设计和应用，我们可以设想RFID技术与许多科学和工程领域的集成及其实际应用将继续深入和广泛地扩展。 特别是由于低成本，易于使用和便捷集成的优势，RFID传感器将发挥极大的作用并在未来的物联网应用中扮演重要的角色。学术和工业界在研究，开发和应用RFID用于测量目的时，对这项工作中所报告的创新研究和深入分析的综合概述将会引起人们的兴趣。

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