01.介 紹

無線射頻識別（radio frequency identification devices）技術(shù)（簡稱RFID），誕生于上世紀(jì)四十至五十年代，發(fā)展至今，經(jīng)過了多種新興技術(shù)的融合，形式與應(yīng)用范圍已經(jīng)發(fā)生了很大的變化?，F(xiàn)今的RFID技術(shù)，在融合了物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）技術(shù)無線信息、能量傳輸（Wireless InformaTIon and Power Transfer）技術(shù)、物體識別（object idenTIficaTIon）以及高效低能耗感知（energy efficient sensing）技術(shù)后，已被認(rèn)為是未來信息系統(tǒng)中傳感和通信的新范式，并且它還被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一［1］。RFID技術(shù)具有非接觸式傳感、無線信息傳輸、標(biāo)簽無線供電、易于部署、非視距傳輸、靈活可粘貼性等特點，是未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和工業(yè)制造4.0（智能制造、物流、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、食品供應(yīng)鏈）的關(guān)鍵技術(shù)。

本文首先介紹RFID標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展，然后對RFID近年來的天線技術(shù)發(fā)展與新型傳感器進(jìn)行總結(jié)與概括，接下來對于近些年來RFID前沿創(chuàng)新的應(yīng)用簡要概述，最后講述RFID目前所面臨的挑戰(zhàn)并對未來的發(fā)展前景做出展望。

02.RFID標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展

2.1 無芯片（Chip-less）RFID

以往通常意義上的RFID標(biāo)簽，采用的工作方式為電感耦合以及后向散射，其標(biāo)簽本質(zhì)上就是帶有硅芯片的集成電路，而目前人們?yōu)榱颂岣逺FID部署的便捷以及降低布設(shè)成本，提出可以使用不帶有硅芯片的RFID標(biāo)簽，其工作方式就是改變RFID標(biāo)簽的無線電波形來傳輸數(shù)據(jù)而不需要復(fù)雜的集成電路，本質(zhì)上就是通過電路頻率諧振效應(yīng)進(jìn)行工作。

Chip-less RFID的數(shù)據(jù)存儲容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含有芯片的RFID系統(tǒng)。然而，由于不存在硅芯片，Chip-less RFID的成本明顯低于有芯片的RFID。因此，Chip-less RFID已成為低成本傳感和識別應(yīng)用的具有競爭力的選擇［2］。

2.2 RFID標(biāo)簽靈活快捷打印技術(shù)

噴墨打印工藝使得RFID標(biāo)簽更加方便快捷地被制造使用［3］。印刷電子技術(shù)是將傳統(tǒng)印刷技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，將傳統(tǒng)印刷技術(shù)應(yīng)用于電子制造的新技術(shù)［4］。與傳統(tǒng)的電子元件制造方法相比，印刷技術(shù)在氧化環(huán)境下更穩(wěn)定，并具有成本效益、靈活性和環(huán)境友好等優(yōu)點。其中，接觸式主要包括柔印、膠印和絲網(wǎng)凹版印刷，非接觸式主要是噴墨印刷。

柔性RFID印刷技術(shù)主要用于制造基于芯片的RFID天線和無芯片RFID。對于RFID標(biāo)簽制造，新型標(biāo)簽在相紙、塑料或紡織品上打印石墨烯、銀或銅等納米粒子進(jìn)行電路的集成。近十年來，資源的稀缺、產(chǎn)品的快速更新和生態(tài)環(huán)境的惡化，使得市場對現(xiàn)代技術(shù)提出了低成本、靈活、綠色的要求。作為一種電子基板，紙基板具有成本低、量產(chǎn)等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。同時，雖然納米顆粒導(dǎo)電油墨是由多種材料（如銅（Cu）、金（Au）、石墨烯、碳納米管（CNT））制成的，但銀納米粒子油墨是印刷紙電子導(dǎo)電跡的新選擇。

通過利用新型標(biāo)簽打印技術(shù)，可以制造更廉價、性能優(yōu)越的RFID標(biāo)簽。

2.3 RFID標(biāo)簽集成電路發(fā)展

在RFID應(yīng)用中，許多新型的RFID 集成電路方式被發(fā)明作為RFID標(biāo)簽，包括UHF EPC Class-1 G2和NFC ISO/IEC14443和ISO/IEC15693，其中的一些代表性集成電路技術(shù)總結(jié)在表一中。

這些集成電路中的大多數(shù)集成了射頻能量采集電路、內(nèi)部邏輯控制和存儲器，以及允許讀寫能力的串行端口，以便更新傳感器數(shù)據(jù)。一些RFID芯片中包含了模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc），用于與傳感器組件接口，如MLX90129和SL13A。Melexis針對MLX90129 芯片進(jìn)行低功耗、低壓電池和無電池應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，需任何其它組件即可將其用作 RFID 溫度計;SL13A標(biāo)簽符合ISO15693標(biāo)準(zhǔn)，能與近場通訊（NFC-V）和高頻射頻識別（HF RFID）閱讀器搭配使用，奧地利微電子公司（AMS）給醫(yī)療器械原始設(shè)備制造商提供了實現(xiàn)一些新應(yīng)用的機會，例如該標(biāo)簽可以方便且安全的植入患者體內(nèi)（或直接讓患者吞服）。患者只需將具備射頻功能的手機或平板電腦靠近身體便可讀取特定的生理數(shù)值，全天候掌握自己的身體狀況。德州儀器公司（TI）的RF430FRL152H型RFID傳感器集成了低功耗單片機MSP430和14位數(shù)字信號A/D（模擬/數(shù)字）接口，有效地促進(jìn)了芯片的進(jìn)一步開發(fā)。其實現(xiàn)了低功耗、快速讀寫速度、無限次讀/寫耐久性和高電磁抗擾度綜合優(yōu)勢，由一塊基板以及集成天線與環(huán)境光和溫度傳感器組成。內(nèi)置傳感模塊的集成使得不同的基于RFID應(yīng)用開發(fā)更加方便。

03.RFID技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 RFID天線技術(shù)的發(fā)展

射頻能量采集電路主要由天線、整流器、倍增器和儲能裝置組成，如下圖所示：

天線捕獲電磁場中的射頻能量，然后整流器通過整流器將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓，最后將電壓倍增器增加的電壓存儲在儲能裝置中。

常用的天線如下圖所示，其中a圖的天線通常用于HF RFID 系統(tǒng)，b-d中的天線常用于UHF RFID系統(tǒng)。

高增益天線可以提高轉(zhuǎn)換效率，獲得更大的功率，因此高增益天線是首選。天線的性能可以通過增益、頻帶、輻射方向、極化、物理尺寸或應(yīng)用領(lǐng)域等參數(shù)來評估。

天線位于RFID傳感裝置的前端，是決定RFID傳感器性能的關(guān)鍵部件，包括讀取距離、工作速度和傳感器模塊的尺寸。因此，設(shè)計新穎的天線以提高傳感器設(shè)備的性能和適應(yīng)不同的應(yīng)用場景成為研究熱點。主要貢獻(xiàn)集中在尺寸小型化、可折疊天線、三維天線、金屬表面貼裝天線、多波段天線、全向和定向天線等。

RFID傳感器，一個典型的RFID標(biāo)簽的天線設(shè)計是通用的，并要求阻抗匹配的最大讀取范圍。但是，由于傳感器和各種設(shè)備的出現(xiàn)，能源消耗大大增加。為了獲得穩(wěn)定的RFID傳感器數(shù)據(jù)，RFID傳感器天線也可以配置為一個多端口來收集自然能量，以增強自供電無線傳感器的能量收集。

3.2 RFID創(chuàng)新傳感器發(fā)展

由于RFID傳感技術(shù)在未來物聯(lián)網(wǎng)時代有著巨大的商機，包括TI、STMicroelectronics、ASM、Farsen、Axzon和Impinj在內(nèi)的一些行業(yè)先驅(qū)也在這一特定領(lǐng)域投入了大量的精力。一些新穎的RF-DC轉(zhuǎn)換器模塊、RFID收發(fā)器和RFID集成電路被發(fā)明出來。市場上也有一些針對不同應(yīng)用的新型技術(shù)解決方案。

在RFID集成電路的基礎(chǔ)上，這些公司也給出了一些新型的應(yīng)用模塊示例。

上圖（a）中是由安森美半導(dǎo)體公司（ON Semiconductor）生產(chǎn)的SPS1M002系列，使用MagnusS2集成電路，該傳感器標(biāo)簽是專為被動感應(yīng)各種表面和成品（如塑料、木材和石膏）上的水分而設(shè)計的。標(biāo)簽將感測到的濕度檢測/液位信息數(shù)字化，可由符合UHF RFID Gen 2標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器讀取。這種無電池?zé)o線傳感器可以大大提高最終產(chǎn)品的可靠性，并為工業(yè)環(huán)境下的部署提供許多好處。圖（b）是由Farsens公司制造的EPC C1G2標(biāo)簽，ZYGOS-RM可根據(jù)具體應(yīng)用定制不同的天線設(shè)計和尺寸，其用來進(jìn)行負(fù)載傳感，負(fù)載范圍為0~5kg，精度為50g，傳感器極限的感知距離為20m。圖（c）展示了德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的高精度（誤差小于0.1℃）的無源RFID溫度傳感器，感知范圍為-40℃-85℃。它可以用來例如檢測人的皮膚溫度的變化從而了解人身體健康狀況。圖（d）為德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的用于替代觸摸鍵盤的NFC鍵盤，該鍵盤可以每分鐘輸入超過400個字符、無電池、低功耗（其中MSP430 MCU和RF430CL330 RFID標(biāo)簽的功耗都約為20 mW），支持NFC的手機可以快速發(fā)現(xiàn)并識別該鍵盤。

04.基于RFID傳感器的新型應(yīng)用

RFID傳感器技術(shù)集無線功率、數(shù)據(jù)傳輸和目標(biāo)識別于一體，是一種新型的傳感和通信方式，具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面，無線電源和數(shù)據(jù)傳輸提供了一種無需電線和電池就可以將傳感數(shù)據(jù)從被測物體中傳輸出去的接口，這使得傳感器設(shè)備大大小型化。因此，隨著RFID技術(shù)與輕量級傳感器技術(shù)的新融合，一些過去技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性的測量任務(wù)變得更加方便。應(yīng)用領(lǐng)域包括消費電子、醫(yī)療保健、食品和農(nóng)業(yè)、化工、制造和物流、土木工程、汽車、機械等，并用典型例子進(jìn)行了總結(jié)。

05.挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

5.1 RFID目前面臨的挑戰(zhàn)

雖然在技術(shù)上取得了不斷的進(jìn)步，通過文獻(xiàn)調(diào)研也發(fā)現(xiàn)了許多基于RFID的傳感器技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，但大部分工作仍處于概念驗證演示和實驗室測試和評估階段。研究結(jié)果與實際應(yīng)用還有很大差距。主要的挑戰(zhàn)如下所示：

1）射頻前端能量采集和功率轉(zhuǎn)換的效率;

2）RFID傳感器的基本技術(shù)在天線、集成電路功能、傳感元件和數(shù)據(jù)協(xié)議等方面表現(xiàn)出很大的異質(zhì)性;

3）性能可靠性，RFID傳感器主要附著在被測物體上進(jìn)行識別和參數(shù)傳感。然而，在實際應(yīng)用中也會受到某些環(huán)境因素的影響;

5.2 RFID發(fā)展趨勢

一方面，如何集成一些新材料和新工藝來提高RFID傳感器技術(shù)的性能將成為研究的重點。用于擴展RFID傳感器讀取范圍的RFID中繼技術(shù)也將是非常有意義的。此外，利用無電池和輕量化的性能，用于廣域和多目標(biāo)監(jiān)測的RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)也將在學(xué)術(shù)研究中占有一席之地。

另一方面，RFID傳感技術(shù)被認(rèn)為是未來信息系統(tǒng)的革命性技術(shù)，其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用受到了特別的關(guān)注。其中包括但不限于：

1）制造業(yè)的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）;

2）人體物理特性的連續(xù)監(jiān)測;

3）智能物流中的RFID傳感器;

4）智能農(nóng)業(yè)中的RFID傳感器;

06.總 結(jié)

RFID傳感技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了新的解決方案，對未來物聯(lián)網(wǎng)豐富的傳感應(yīng)用具有非常廣闊的前景。在物聯(lián)網(wǎng)時代中，RFID傳感技術(shù)將不斷吸引業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究，傳感和通信將成為信息基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)。RFID傳感器技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)懈嗟膽?yīng)用，可以植入人體，在土木工程中將會被整合到土木結(jié)構(gòu)中用于健康監(jiān)測，在安全生產(chǎn)中用于低成本高質(zhì)量監(jiān)測等等，其將在多個領(lǐng)域產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。