无源RFID传感器在检测监测方面的应用现状

缪程锰 李越

（北京印刷学院机电工程学院 北京市 102600）

随着科技的发展，生活生产中各类设备所起到的作用越来越重要，因此对于一些设备的状态进行检测和监测显得尤为重要。目前，在状态监测及检测方面主要利用各类传感器，例如煤矿生产中使用的甲烷浓度检测传感器、基于光声光谱的CO 敏感检测气体传感器、水体水质监测中使用的视觉传感器以及N,S 共掺杂碳点检测黄芩甙元时使用的荧光传感器等[1-4]，这些传感器在检测监测方面精度较高数据传送及时，但是他们相对来说具有价格较高、体积较大、容易损坏、对传感器电路设计要求高等缺点[5]。

RFID 传感器是一种基于RFID 标签技术并将其与传感器技术结合起来的新型传感器[6][7]（结构框图如图1），在原有RFID 标签的基础上，通过一定的设计，将标签天线因周围物理化学环境的变化而引起的天线增益及阻抗的变化，通过读写器接受并反馈，从而实现远距离传感作用。目前对于RFID 传感器的研究取得了一些进展，如萨兰托大学的博士后研究员Danilo De Donno 带领团队开发的具有传感和计算能力的无源RFID 装置[8]；三菱公司研发的一款基于RFID 传感器无需接触就能检测杯中水位的智能水杯和配套的智能餐桌[9]；奥地利微电子应用工程师Shawn Rezaei 设计的用于冷链监控的低功耗RFID 传感器[10]；美国通用电气公司全球研究所研制的一款针对周边温度波动影响自动更正的无源RFID 气体传感器等[11]。可见RFID 传感器已经越来越多地应用到生产生活当中。

图1：无源RFID 传感器结构框图

1 RFID传感器技术基础及传感原理

RFID(Radio Fequency Identification)技术即无线射频识别技术是指基于无线电的一种信息识别技术也称作电子标签。通过射频信号自动对目标对象进行自动识别并获取相应的数据，利用电磁传播和空间电磁感应进行通信，无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，工作运转过程全程自动化，无须人工干预，是一种非接触式的自动识别技术[12]。

RFID 传感器设计上，天线是非常重要的组成部分，主要功能是发送和接收电磁波。天线效率η 的值恒小于1，表示能量转换的能力；增益系数影响着识别距离，在天线圆极化的基础上进行参数计算；输入阻抗决定了其与后端传输或波导的匹配特性，匹配程度的好坏会影响天线接收到的能量，输入阻抗Zin由输入复功率Pin、馈电端口处输入电压Vin及输入电流Iin决定（公式1），反映天线匹配能力的量叫电压驻波比(VSWR)或者反射系数Γ，一般在天线系统中该值小于2（公式2）。

其中，Pin——天线的输入复功率，Vin、Iin——天线馈电端口处输入电压、电流，Rin——输入电阻，Xin——输入电抗。

其中，VSWR 是一个实数，等于1 表示完全匹配，一般天线系统要求VSWR ≤2。

其中整流天线主要用于RFID 传感器标签能量采集，包括接收天线和整流电路两部分。相较传统的整流天线系统，无源RFID 传感器上的整流天线对体积的要求很高，因此设计上采用微带缝隙天线（见图2），并使接收天线具有谐波抑制和圆极化双向辐射特性。微带缝隙天线主要参数有谐振频率Fc、工作波长λg，由公式（3）及（4）可以推算[13][14]。天线上的射频能根据不同的结构和大小对接收的电磁波信号进行调制，使信号产生特定的谐振频率和不同的谐振幅值，从而获得特定的电磁识别标志（electromagnetic sign，EMS）。通过加载射频和微波谐振电路，天线的增益及阻抗参数会随环境的变化而变化，进而引起天线反向散射信号改变，并通过读写器对增益及阻抗的变化进行收集，反馈人们想要获取的信息[15-17]。

其中，R1为缝隙外径，S 为缝宽，δ 为修正因子，c 为光速。

2 RFID传感器在检测方面的应用

2.1 存储状态检测

日常生活中物体储存会涉及到容器存储量检测以及存储位置信息的获取等问题，例如非透明容器中液位检测、透明试剂液位检测精确程度、大空间仓储时物体的定位等。

2.1.1 容器液位检测

容器在使用过程中，很多时候需要对其所盛放的液体液位进行检测，如化工领域液体试剂液位检测、医药领域注射药水液位检测以及餐饮领域酒杯酒水饮料液位检测等。目前的传感方法一般依靠视觉检测技术，或者利用特殊的传感器电子设备来检测液位，文献[18]设计了一套基于CDC 的电容式灌装液位检测系统，此系统不需要与液体进行接触而是利用电容式数字转换器AD7745 进行电容测量，其具有反应灵敏、稳定性高及成本较低等优点，最高检测速度可以到达72000 瓶/h。文献[19]利用亚像素边缘检测技术设计了一套液位测量系统，在线阵CCD 测量技术的基础上，采用一维图像亚像素边缘检测算法确定液位边缘，液位像素点坐标由阈值比较与拟合分析结果得出，从而精准确定液面位置。

图2：微带缝隙天线结构示意图

图3：基于RFID 传感器的检测系统组件

这些技术方法在精确度及智能化水平能达到要求，但是针对于实际应用来说，所需成本过高，不适用于大部分行业。尤其在医院注射药水液位检测及饭店顾客酒杯液位检测方面，使用量大且需要保证及时性，因此需要一种低成本、超便携的技术。目前在国外的一项研究中，提出了利用RFID 标签传感器作为一种低成本服务行业检测液体的体积的观点，将液体所盛玻璃映射RSSI 功率测量的变化通过RFID 标签传感器进行反馈。这种传感技术应用于医院、餐厅环境中，可以在90%以上的时间内准确预测玻璃的状态，具有良好的应用于餐饮、医疗行业的潜力[20]。

2.1.2 存储对象的定位情况

存储管理系统中对于存储对象的位置环境的检测是十分必要的[21]，尤其是在危险高的生产项目上以及残疾人的日常生活辅助方面。Abdul Malik Shaari 等[22]利用RFID 标签传感器和RC522 读写器对存储对象的位置和方向进行了检测实验（系统组件如图3），实验结果表明，当被测物体表面覆盖RFID 标签的数量足够时，测量物体位置坐标和方向的精确度更高（表1 列举了6 个RFID 标签与8个RFID 标签的对比），该实验结果表明RFID 标签传感器可向智能存储系统提供有用信息，用户可以知道该对象是否处于颠倒位置或其他位置。田成金[23]提出一种基于RFID 传感器的采煤机位置检测系统，在采煤机上安装RFID 读写器并将标签传感器安装在液压支架上，读写器具有的读写距离和读写角度特性可让其在采煤机移动时同时读取一个或多个标签传感器，然后再利用软件算法解析确定采煤机当前的位置数据。

表1：不同标签数测试结果对比

图4：UHF RFID 缺陷传感系统图

图5：自取能RFID 传感器标签结构示意图

2.2 缺陷检测

通常物体表面会由于外部环境或者自身原因而存在一些肉眼无法觉察的缺陷，这些缺陷看似微小，但在部分高精尖领域诸如军工用材、飞行器制造等，一个细微的缺陷往往会造成巨大的损失。对于精确程度要求比较高的缺陷检测，由于RFID 传感器设备间的冲突和周围环境的干扰，RFID 传感器检测存在不确定性，为此清华大学实验团队[24]利用检测不确定性的混合模型装配线的非线性整数规划（NLIP）RFID 网络规划模型，设计了一种集成了分而治之贪婪随机自适应搜索程序（DCGRASP）的遗传算法（GA）来解决该问题。

2.2.1 腐蚀程度检测

由于受各类环境因素的影响，材料尤其是金属的腐蚀不可避免，包括运输业、制造业、政府和民用基础设施等许多工业部门需要在发生重大损害之前及时检测出腐蚀情况，从而及时做好预防措施。

腐蚀的化学过程会导致诸如导电性和磁导率的性质的变化，同时由于涂层的腐蚀和分层，涂层钢也可能具有表面粗糙度变化，所有这些因素都不同程度地影响腐蚀行为。为此，青岛海腐所提出了外加电流阴极保护及延寿技术，利用外加电流服饰控制方式相较牺牲阳极保护方式应用受限更小。研究还在IMO 标准之上提出了一种耐蚀钢腐蚀检测技术，为耐蚀钢的生产和研发提供检测技术支持[25]。周冰[26]提出了利用电化学技术检测钢铁建筑物腐蚀程度，并设计改进了小孔限流型传感器、局部封闭型传感器和开放传感器等三种现场检测电化学传感器，主要利用电阻探针技术及磁阻探头技术进行腐蚀检测。

RFID 传感器在钢材腐蚀程度的检测上有着明显的优势。纽卡斯尔大学[27]采用低频（LF）RFID 传感器来表征钢材的海洋大气腐蚀，并利用选择性瞬态功能提取腐蚀特征，原理上主要利用RFID的脉冲响应所包含的丰富的频率分量涉及不同的穿透深度，当对含铁材料进行测试时，由于磁化效应，测量磁场的峰值可能会发生显着变化，表征磁导率变化特征得到脉冲的最大值，再根据相应公式计算出腐蚀响应参数。除了低频RFID 传感器之外，无源高频RFID 传感器在识别和表征钢铁腐蚀也有应用，目前已研发一种适用于商业检测的无源13.56MНz 的 RFID 标签用于感测腐蚀阶段，通过分析复阻抗的实部和虚部来平衡RFID 传感器的传感和定位以进行腐蚀检测。使用无源高频RFID 传感器，通过VNA（矢量网络分析仪）从读取器线圈中提取复阻抗的实部和虚部，并通过钢样品在不同的大气暴露时间下分别检测其腐蚀感应能力（1 个月，6 个月， 10 个月和12 个月）。通过不同的定位（5-25 mm），基于复杂阻抗和PCA（主成分分析）的特征提取用于与位置无关的腐蚀评估[28][29]。

2.2.2 裂纹缺陷检测

当缝中原子结合遭到破坏,进而形成新的界面产生的缝隙被称之为裂纹，当裂纹出现时，会对设备的运行带来极大的安全隐患，尤其是细微的肉眼无法观察的裂纹，这些缺陷需要被及时检测出来以防止造成更大的损失。

纽卡斯尔大学的赵奥博等[30]提出了一种越过接收信号强度指示器（RSSI）而直接使用来自同相正交（IQ）信号的瞬态响应特征来克服超高频（UНF）RFID 中的灵敏度和鲁棒性的挑战。在提取IQ 信号的瞬态响应之后，利用其偏斜特征提高缺陷检测的灵敏度，增强了缺陷表征的灵敏性和鲁棒性。缺陷传感系统图如图4。

用于缺陷检测和表征的低成本传感器系统的一个重要要求是弥合无损检测和评估（NDT&E）和结构健康监测（SНM）的差距。张军等[31]提出并介绍了一种用于裂缝检测和潜在结构监测的超高频（UНF）无源RFID 传感器系统，该系统使用3D 天线和核主成分分析（PCA）的新方法评估开放和封闭裂缝，可部分缓解无线信道的非线性，并通过标签反向散射信号的幅度和相位证明了原位驱动的可行性。

2.2.3 数据清洗及防碰撞算法

在RFID 传感器网络体系架构中，信道读取时经常会发生智能节点的碰撞，为解决此类问题，降低智能节点的能耗，武珠琳等[32]设计了一种双信道防碰撞算法，通过无线传感网信道分配专用采集时隙来控制智能节点的读取效率，并利用RFID 传感器读写器对算法可行性与准确性进行检测分析。

RFID 传感器在采集数据时，往往会受环境和物理特性的影响，造成原始数据漏读与误读，南楠[33]提出一种可追溯性框架处理不确定性数据，并利用粒子滤波技术采集本地数据，该粒子滤波技术以概率分布为基础，降低识别对象的噪声和等级，对识别对象建立节点以获取准确数据。该算法可以有效地提高大规模网络采样的效率与精确度。

3 RFID传感器在监测方面的应用

3.1 物流运输监测

日常生活物流运输过程中，会涉及到各种设备、物品的状态监控，尤其是运送一些易腐坏、破损的物品如食品、药品和化学品，需要进行实时监测。

3.1.1 物流冷链监控

RFID 传感器网络具有智能感知功能，能对整个物流冷链的生命周期进行监控，监测和控制冷链中的每一个环节，获取冷链中的实时数据信息。王越超[34]基于RFID 传感器网络的基础上，提出了一种使用无线跟踪和遥感监测技术的物流冷链监测系统。该系统硬件部分包括ATmega128 微控制器、ZigBee CC2420 模块，IEE 802.15.4 射频通信模块，监控手段主要包扩设置LED 指示灯来指示传感器节点是否工作正常；设置警报来监测温度是否超过预设的温度间隔;通过使用波形图来观察温度的变化过程和趋势;通过设计用户界面，来帮助用户实时监控冷链的运行状态。

近年来疫苗事件频发，在疫苗运输环节上的监管也需要得到重视。边洪宁等[35]利用RFID 传感器设计了一套覆盖疫苗冷链监控全过程的信息系统，在疫苗箱上粘贴RFID 传感器标签，标签覆盖疫苗信息，并利用GPRS 和Internet 交互进行信息传输，用户可以通过PC 端实时掌握疫苗的基本信息及物流运输信息等。

3.1.2 物流实时跟踪

当前企业的核心竞争力之一是物流与供应链的高效管理，传统的RFID 系统仅能提供有限范围内的单品目标跟踪，例如在厂房安检处设置RFID 读写器设备，但是传感器节点容易遭受外界环境的影响，干扰其无线链路，从而造成网络拓扑结构动态变化。有研究提出了一种RFID 传感器网络结构，该结构可以使系统的覆盖范围扩大并扩展信息种类，在移动目标的跟踪定位的应用上能起到技术支撑的作用[36]。

3.2 电网设备监测

随着社会的发展，智能电网的应用越来越普及，大量的智能电网设备被应用到生产及生活环节上，这势必会带来诸如设备状态监测、检修、信息数据安全等一系列问题[37]。

电网设备的监测方面，变压器属于相对重要的环节，其性能直接决定了电网运行的可靠性。变压器信号往往具有信号成分复杂、信噪比低等特点，在基于自取能RFID 传感器的振动信号采集方法基础上，利用深度学习的技术和堆叠去噪自编码器（SDA）信号进行特征提取，故障诊断上利用相关向量机（RVM），然后利用量子粒子群算法（QPSO）对SDA 和RVM 进行参数优化[38]。其中，监测所使用的自取能RFID 传感器标签主要由鞭状天线、RFID 芯片、三轴加速度传感器及MCU 等组成，其结构图如图5 所示。

在电网输送电能的过程中，导线舞动问题始终无法避免，会引起相间闪络、线路跳闸、倒塔等危害[39]，从而对输电线路的供电质量及安全运行造成巨大影响。为了及时获取导线运行状态，需要对导线舞动情况进行实时监测，以往的监测方式上，存在着高功耗、高成本等诸多问题，为此，在通过大量的研究之后，王泉智[40]提出了一种基于RFID 加速度传感器标签的导线舞动监测方案，利用均值法和滤波法去除直流分量和高频噪声，信号的分解和重构方面使用小波分析法，该方法适用于长期监测导线舞动情况，在预防导线舞动带来的危害上会有一定的帮助。输电环节上除了导线舞动情况，其他带点设备的温度监测也是一大难题，配电设备温度过高容易造成设备老化甚至引起火灾[41][42]，在配网设备温度监测方面，使用RFID 传感器，不仅摈除了传统温度监测的弊端，同时可以远程在线实时对温度进行监测，组成测温网络实现统一监控[43]。

4 结束语

目前已有的RFID 标签传感器，大都存在传感识别距离较短、识别精度相对较差的问题，这很大程度上受限于其传感原理及天线结构的设计上，因为传感器天线设计的通信与感应有着完全相反的需求，比如当标签天线的阻抗始终保持近乎与芯片阻抗匹配时，通信性能虽然可以得到保证但是会造成观测量感应区间过小、分辨率过低，因此如何在设计上平衡通信性能与观测性能还需要进行不断深入研究。

随着当前各类装备不断向自动化和智能化发展，RFID 传感器以其自身优势必将越来越多地应用到各类技术、设备的相关监测及检测方面。为了确保测量精度，对于RFID 各项参数及结构的优化需要不断地进行比较研究，根据不同场景设计适应各类环境的检测监测传感器，未来RFID 传感器将会重点围绕结构减量优化和测量精确度提升这两方面展开工作。