無源RFID傳感器在檢測監測方面的應用現狀

繆程錳 李越

（北京印刷學院機電工程學院 北京市 102600）

隨著科技的發展，生活生產中各類設備所起到的作用越來越重要，因此對于一些設備的狀態進行檢測和監測顯得尤為重要。目前，在狀態監測及檢測方面主要利用各類傳感器，例如煤礦生產中使用的甲烷濃度檢測傳感器、基于光聲光譜的CO 敏感檢測氣體傳感器、水體水質監測中使用的視覺傳感器以及N,S 共摻雜碳點檢測黃芩甙元時使用的熒光傳感器等[1-4]，這些傳感器在檢測監測方面精度較高數據傳送及時，但是他們相對來說具有價格較高、體積較大、容易損壞、對傳感器電路設計要求高等缺點[5]。

RFID 傳感器是一種基于RFID 標簽技術并將其與傳感器技術結合起來的新型傳感器[6][7]（結構框圖如圖1），在原有RFID 標簽的基礎上，通過一定的設計，將標簽天線因周圍物理化學環境的變化而引起的天線增益及阻抗的變化，通過讀寫器接受并反饋，從而實現遠距離傳感作用。目前對于RFID 傳感器的研究取得了一些進展，如薩蘭托大學的博士后研究員Danilo De Donno 帶領團隊開發的具有傳感和計算能力的無源RFID 裝置[8]；三菱公司研發的一款基于RFID 傳感器無需接觸就能檢測杯中水位的智能水杯和配套的智能餐桌[9]；奧地利微電子應用工程師Shawn Rezaei 設計的用于冷鏈監控的低功耗RFID 傳感器[10]；美國通用電氣公司全球研究所研制的一款針對周邊溫度波動影響自動更正的無源RFID 氣體傳感器等[11]。可見RFID 傳感器已經越來越多地應用到生產生活當中。

圖1：無源RFID 傳感器結構框圖

1 RFID傳感器技術基礎及傳感原理

RFID(Radio Fequency Identification)技術即無線射頻識別技術是指基于無線電的一種信息識別技術也稱作電子標簽。通過射頻信號自動對目標對象進行自動識別并獲取相應的數據，利用電磁傳播和空間電磁感應進行通信，無須識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，工作運轉過程全程自動化，無須人工干預，是一種非接觸式的自動識別技術[12]。

RFID 傳感器設計上，天線是非常重要的組成部分，主要功能是發送和接收電磁波。天線效率η 的值恒小于1，表示能量轉換的能力；增益系數影響著識別距離，在天線圓極化的基礎上進行參數計算；輸入阻抗決定了其與后端傳輸或波導的匹配特性，匹配程度的好壞會影響天線接收到的能量，輸入阻抗Zin由輸入復功率Pin、饋電端口處輸入電壓Vin及輸入電流Iin決定（公式1），反映天線匹配能力的量叫電壓駐波比(VSWR)或者反射系數Γ，一般在天線系統中該值小于2（公式2）。

其中，Pin——天線的輸入復功率，Vin、Iin——天線饋電端口處輸入電壓、電流，Rin——輸入電阻，Xin——輸入電抗。

其中，VSWR 是一個實數，等于1 表示完全匹配，一般天線系統要求VSWR ≤2。

其中整流天線主要用于RFID 傳感器標簽能量采集，包括接收天線和整流電路兩部分。相較傳統的整流天線系統，無源RFID 傳感器上的整流天線對體積的要求很高，因此設計上采用微帶縫隙天線（見圖2），并使接收天線具有諧波抑制和圓極化雙向輻射特性。微帶縫隙天線主要參數有諧振頻率Fc、工作波長λg，由公式（3）及（4）可以推算[13][14]。天線上的射頻能根據不同的結構和大小對接收的電磁波信號進行調制，使信號產生特定的諧振頻率和不同的諧振幅值，從而獲得特定的電磁識別標志（electromagnetic sign，EMS）。通過加載射頻和微波諧振電路，天線的增益及阻抗參數會隨環境的變化而變化，進而引起天線反向散射信號改變，并通過讀寫器對增益及阻抗的變化進行收集，反饋人們想要獲取的信息[15-17]。

其中，R1為縫隙外徑，S 為縫寬，δ 為修正因子，c 為光速。

2 RFID傳感器在檢測方面的應用

2.1 存儲狀態檢測

日常生活中物體儲存會涉及到容器存儲量檢測以及存儲位置信息的獲取等問題，例如非透明容器中液位檢測、透明試劑液位檢測精確程度、大空間倉儲時物體的定位等。

2.1.1 容器液位檢測

容器在使用過程中，很多時候需要對其所盛放的液體液位進行檢測，如化工領域液體試劑液位檢測、醫藥領域注射藥水液位檢測以及餐飲領域酒杯酒水飲料液位檢測等。目前的傳感方法一般依靠視覺檢測技術，或者利用特殊的傳感器電子設備來檢測液位，文獻[18]設計了一套基于CDC 的電容式灌裝液位檢測系統，此系統不需要與液體進行接觸而是利用電容式數字轉換器AD7745 進行電容測量，其具有反應靈敏、穩定性高及成本較低等優點，最高檢測速度可以到達72000 瓶/h。文獻[19]利用亞像素邊緣檢測技術設計了一套液位測量系統，在線陣CCD 測量技術的基礎上，采用一維圖像亞像素邊緣檢測算法確定液位邊緣，液位像素點坐標由閾值比較與擬合分析結果得出，從而精準確定液面位置。

圖2：微帶縫隙天線結構示意圖

圖3：基于RFID 傳感器的檢測系統組件

這些技術方法在精確度及智能化水平能達到要求，但是針對于實際應用來說，所需成本過高，不適用于大部分行業。尤其在醫院注射藥水液位檢測及飯店顧客酒杯液位檢測方面，使用量大且需要保證及時性，因此需要一種低成本、超便攜的技術。目前在國外的一項研究中，提出了利用RFID 標簽傳感器作為一種低成本服務行業檢測液體的體積的觀點，將液體所盛玻璃映射RSSI 功率測量的變化通過RFID 標簽傳感器進行反饋。這種傳感技術應用于醫院、餐廳環境中，可以在90%以上的時間內準確預測玻璃的狀態，具有良好的應用于餐飲、醫療行業的潛力[20]。

2.1.2 存儲對象的定位情況

存儲管理系統中對于存儲對象的位置環境的檢測是十分必要的[21]，尤其是在危險高的生產項目上以及殘疾人的日常生活輔助方面。Abdul Malik Shaari 等[22]利用RFID 標簽傳感器和RC522 讀寫器對存儲對象的位置和方向進行了檢測實驗（系統組件如圖3），實驗結果表明，當被測物體表面覆蓋RFID 標簽的數量足夠時，測量物體位置坐標和方向的精確度更高（表1 列舉了6 個RFID 標簽與8個RFID 標簽的對比），該實驗結果表明RFID 標簽傳感器可向智能存儲系統提供有用信息，用戶可以知道該對象是否處于顛倒位置或其他位置。田成金[23]提出一種基于RFID 傳感器的采煤機位置檢測系統，在采煤機上安裝RFID 讀寫器并將標簽傳感器安裝在液壓支架上，讀寫器具有的讀寫距離和讀寫角度特性可讓其在采煤機移動時同時讀取一個或多個標簽傳感器，然后再利用軟件算法解析確定采煤機當前的位置數據。

表1：不同標簽數測試結果對比

圖4：UHF RFID 缺陷傳感系統圖

圖5：自取能RFID 傳感器標簽結構示意圖

2.2 缺陷檢測

通常物體表面會由于外部環境或者自身原因而存在一些肉眼無法覺察的缺陷，這些缺陷看似微小，但在部分高精尖領域諸如軍工用材、飛行器制造等，一個細微的缺陷往往會造成巨大的損失。對于精確程度要求比較高的缺陷檢測，由于RFID 傳感器設備間的沖突和周圍環境的干擾，RFID 傳感器檢測存在不確定性，為此清華大學實驗團隊[24]利用檢測不確定性的混合模型裝配線的非線性整數規劃（NLIP）RFID 網絡規劃模型，設計了一種集成了分而治之貪婪隨機自適應搜索程序（DCGRASP）的遺傳算法（GA）來解決該問題。

2.2.1 腐蝕程度檢測

由于受各類環境因素的影響，材料尤其是金屬的腐蝕不可避免，包括運輸業、制造業、政府和民用基礎設施等許多工業部門需要在發生重大損害之前及時檢測出腐蝕情況，從而及時做好預防措施。

腐蝕的化學過程會導致諸如導電性和磁導率的性質的變化，同時由于涂層的腐蝕和分層，涂層鋼也可能具有表面粗糙度變化，所有這些因素都不同程度地影響腐蝕行為。為此，青島海腐所提出了外加電流陰極保護及延壽技術，利用外加電流服飾控制方式相較犧牲陽極保護方式應用受限更小。研究還在IMO 標準之上提出了一種耐蝕鋼腐蝕檢測技術，為耐蝕鋼的生產和研發提供檢測技術支持[25]。周冰[26]提出了利用電化學技術檢測鋼鐵建筑物腐蝕程度，并設計改進了小孔限流型傳感器、局部封閉型傳感器和開放傳感器等三種現場檢測電化學傳感器，主要利用電阻探針技術及磁阻探頭技術進行腐蝕檢測。

RFID 傳感器在鋼材腐蝕程度的檢測上有著明顯的優勢。紐卡斯爾大學[27]采用低頻（LF）RFID 傳感器來表征鋼材的海洋大氣腐蝕，并利用選擇性瞬態功能提取腐蝕特征，原理上主要利用RFID的脈沖響應所包含的豐富的頻率分量涉及不同的穿透深度，當對含鐵材料進行測試時，由于磁化效應，測量磁場的峰值可能會發生顯著變化，表征磁導率變化特征得到脈沖的最大值，再根據相應公式計算出腐蝕響應參數。除了低頻RFID 傳感器之外，無源高頻RFID 傳感器在識別和表征鋼鐵腐蝕也有應用，目前已研發一種適用于商業檢測的無源13.56MНz 的 RFID 標簽用于感測腐蝕階段，通過分析復阻抗的實部和虛部來平衡RFID 傳感器的傳感和定位以進行腐蝕檢測。使用無源高頻RFID 傳感器，通過VNA（矢量網絡分析儀）從讀取器線圈中提取復阻抗的實部和虛部，并通過鋼樣品在不同的大氣暴露時間下分別檢測其腐蝕感應能力（1 個月，6 個月， 10 個月和12 個月）。通過不同的定位（5-25 mm），基于復雜阻抗和PCA（主成分分析）的特征提取用于與位置無關的腐蝕評估[28][29]。

2.2.2 裂紋缺陷檢測

當縫中原子結合遭到破壞,進而形成新的界面產生的縫隙被稱之為裂紋，當裂紋出現時，會對設備的運行帶來極大的安全隱患，尤其是細微的肉眼無法觀察的裂紋，這些缺陷需要被及時檢測出來以防止造成更大的損失。

紐卡斯爾大學的趙奧博等[30]提出了一種越過接收信號強度指示器（RSSI）而直接使用來自同相正交（IQ）信號的瞬態響應特征來克服超高頻（UНF）RFID 中的靈敏度和魯棒性的挑戰。在提取IQ 信號的瞬態響應之后，利用其偏斜特征提高缺陷檢測的靈敏度，增強了缺陷表征的靈敏性和魯棒性。缺陷傳感系統圖如圖4。

用于缺陷檢測和表征的低成本傳感器系統的一個重要要求是彌合無損檢測和評估（NDT&E）和結構健康監測（SНM）的差距。張軍等[31]提出并介紹了一種用于裂縫檢測和潛在結構監測的超高頻（UНF）無源RFID 傳感器系統，該系統使用3D 天線和核主成分分析（PCA）的新方法評估開放和封閉裂縫，可部分緩解無線信道的非線性，并通過標簽反向散射信號的幅度和相位證明了原位驅動的可行性。

2.2.3 數據清洗及防碰撞算法

在RFID 傳感器網絡體系架構中，信道讀取時經常會發生智能節點的碰撞，為解決此類問題，降低智能節點的能耗，武珠琳等[32]設計了一種雙信道防碰撞算法，通過無線傳感網信道分配專用采集時隙來控制智能節點的讀取效率，并利用RFID 傳感器讀寫器對算法可行性與準確性進行檢測分析。

RFID 傳感器在采集數據時，往往會受環境和物理特性的影響，造成原始數據漏讀與誤讀，南楠[33]提出一種可追溯性框架處理不確定性數據，并利用粒子濾波技術采集本地數據，該粒子濾波技術以概率分布為基礎，降低識別對象的噪聲和等級，對識別對象建立節點以獲取準確數據。該算法可以有效地提高大規模網絡采樣的效率與精確度。

3 RFID傳感器在監測方面的應用

3.1 物流運輸監測

日常生活物流運輸過程中，會涉及到各種設備、物品的狀態監控，尤其是運送一些易腐壞、破損的物品如食品、藥品和化學品，需要進行實時監測。

3.1.1 物流冷鏈監控

RFID 傳感器網絡具有智能感知功能，能對整個物流冷鏈的生命周期進行監控，監測和控制冷鏈中的每一個環節，獲取冷鏈中的實時數據信息。王越超[34]基于RFID 傳感器網絡的基礎上，提出了一種使用無線跟蹤和遙感監測技術的物流冷鏈監測系統。該系統硬件部分包括ATmega128 微控制器、ZigBee CC2420 模塊，IEE 802.15.4 射頻通信模塊，監控手段主要包擴設置LED 指示燈來指示傳感器節點是否工作正常；設置警報來監測溫度是否超過預設的溫度間隔;通過使用波形圖來觀察溫度的變化過程和趨勢;通過設計用戶界面，來幫助用戶實時監控冷鏈的運行狀態。

近年來疫苗事件頻發，在疫苗運輸環節上的監管也需要得到重視。邊洪寧等[35]利用RFID 傳感器設計了一套覆蓋疫苗冷鏈監控全過程的信息系統，在疫苗箱上粘貼RFID 傳感器標簽，標簽覆蓋疫苗信息，并利用GPRS 和Internet 交互進行信息傳輸，用戶可以通過PC 端實時掌握疫苗的基本信息及物流運輸信息等。

3.1.2 物流實時跟蹤

當前企業的核心競爭力之一是物流與供應鏈的高效管理，傳統的RFID 系統僅能提供有限范圍內的單品目標跟蹤，例如在廠房安檢處設置RFID 讀寫器設備，但是傳感器節點容易遭受外界環境的影響，干擾其無線鏈路，從而造成網絡拓撲結構動態變化。有研究提出了一種RFID 傳感器網絡結構，該結構可以使系統的覆蓋范圍擴大并擴展信息種類，在移動目標的跟蹤定位的應用上能起到技術支撐的作用[36]。

3.2 電網設備監測

隨著社會的發展，智能電網的應用越來越普及，大量的智能電網設備被應用到生產及生活環節上，這勢必會帶來諸如設備狀態監測、檢修、信息數據安全等一系列問題[37]。

電網設備的監測方面，變壓器屬于相對重要的環節，其性能直接決定了電網運行的可靠性。變壓器信號往往具有信號成分復雜、信噪比低等特點，在基于自取能RFID 傳感器的振動信號采集方法基礎上，利用深度學習的技術和堆疊去噪自編碼器（SDA）信號進行特征提取，故障診斷上利用相關向量機（RVM），然后利用量子粒子群算法（QPSO）對SDA 和RVM 進行參數優化[38]。其中，監測所使用的自取能RFID 傳感器標簽主要由鞭狀天線、RFID 芯片、三軸加速度傳感器及MCU 等組成，其結構圖如圖5 所示。

在電網輸送電能的過程中，導線舞動問題始終無法避免，會引起相間閃絡、線路跳閘、倒塔等危害[39]，從而對輸電線路的供電質量及安全運行造成巨大影響。為了及時獲取導線運行狀態，需要對導線舞動情況進行實時監測，以往的監測方式上，存在著高功耗、高成本等諸多問題，為此，在通過大量的研究之后，王泉智[40]提出了一種基于RFID 加速度傳感器標簽的導線舞動監測方案，利用均值法和濾波法去除直流分量和高頻噪聲，信號的分解和重構方面使用小波分析法，該方法適用于長期監測導線舞動情況，在預防導線舞動帶來的危害上會有一定的幫助。輸電環節上除了導線舞動情況，其他帶點設備的溫度監測也是一大難題，配電設備溫度過高容易造成設備老化甚至引起火災[41][42]，在配網設備溫度監測方面，使用RFID 傳感器，不僅擯除了傳統溫度監測的弊端，同時可以遠程在線實時對溫度進行監測，組成測溫網絡實現統一監控[43]。

4 結束語

目前已有的RFID 標簽傳感器，大都存在傳感識別距離較短、識別精度相對較差的問題，這很大程度上受限于其傳感原理及天線結構的設計上，因為傳感器天線設計的通信與感應有著完全相反的需求，比如當標簽天線的阻抗始終保持近乎與芯片阻抗匹配時，通信性能雖然可以得到保證但是會造成觀測量感應區間過小、分辨率過低，因此如何在設計上平衡通信性能與觀測性能還需要進行不斷深入研究。

隨著當前各類裝備不斷向自動化和智能化發展，RFID 傳感器以其自身優勢必將越來越多地應用到各類技術、設備的相關監測及檢測方面。為了確保測量精度，對于RFID 各項參數及結構的優化需要不斷地進行比較研究，根據不同場景設計適應各類環境的檢測監測傳感器，未來RFID 傳感器將會重點圍繞結構減量優化和測量精確度提升這兩方面展開工作。