Ingenieros del MIT configuran etiquetas RFID para que funcionen como sensores

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En estos días, muchos minoristas y fabricantes rastrean sus productos mediante RFID o etiquetas de identificación por radiofrecuencia. A menudo, estas etiquetas vienen en forma de etiquetas de papel equipadas con una antena simple y un chip de memoria. Cuando se colocan en un cartón de leche o en el cuello de una chaqueta, las etiquetas RFID actúan como firmas inteligentes y transmiten información a un lector de radiofrecuencia sobre la identidad, el estado o la ubicación de un producto determinado.

Además de controlar los productos a lo largo de la cadena de suministro, las etiquetas RFID se utilizan para rastrear todo, desde fichas de casino y ganado hasta visitantes de parques de diversiones y corredores de maratones.

El laboratorio de identificación automática del MIT lleva mucho tiempo a la vanguardia del desarrollo de la tecnología RFID. Ahora, los ingenieros de este grupo están cambiando la tecnología hacia una nueva función: la detección. Han desarrollado una nueva configuración de sensor de etiqueta RFID de frecuencia ultra alta, o UHF, que detecta picos en la glucosa y transmite esta información de forma inalámbrica. En el futuro, el equipo planea adaptar la etiqueta para detectar sustancias químicas y gases en el medio ambiente, como el monóxido de carbono.

"La gente busca más aplicaciones como la detección para obtener más valor de la infraestructura RFID existente", dice Sai Nithin Reddy Kantareddy, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Imagínese crear miles de estos sensores de etiquetas RFID económicos que puede colocar en las paredes de una infraestructura o en los objetos circundantes para detectar gases comunes como el monóxido de carbono o el amoníaco, sin necesidad de una batería adicional. Podría implementarlos de manera económica, en un enorme red." Kantareddy desarrolló el sensor con Rahul Bhattacharya, científico investigador del grupo, y Sanjay Sarma, profesor de ingeniería mecánica Fred Fort Flowers y Daniel Fort Flowers y vicepresidente de aprendizaje abierto en el MIT. Los investigadores presentaron su diseño en la Conferencia Internacional IEEE sobre RFID y sus resultados aparecen en línea esta semana.

"RFID es el protocolo de comunicación de RF más barato y de menor potencia que existe", dice Sarma. "Cuando los chips RFID genéricos se pueden implementar para detectar el mundo real a través de trucos en la etiqueta, la verdadera detección generalizada puede convertirse en realidad".

Olas confusas

Actualmente, las etiquetas RFID están disponibles en varias configuraciones, incluidas las variedades asistidas por batería y "pasivas". Ambos tipos de etiquetas contienen una pequeña antena que se comunica con un lector remoto mediante la retrodispersión de la señal de RF y le envía un código simple o un conjunto de datos que se almacenan en el pequeño chip integrado de la etiqueta. Las etiquetas asistidas por batería incluyen una pequeña batería que alimenta este chip. Las etiquetas RFID pasivas están diseñadas para recolectar energía del propio lector, que naturalmente emite suficientes ondas de radio dentro de los límites de la FCC para alimentar el chip de memoria de la etiqueta y recibir una señal reflejada.

Recientemente, los investigadores han estado experimentando con formas de convertir etiquetas RFID pasivas en sensores que pueden operar durante largos períodos de tiempo sin necesidad de baterías o reemplazos. Estos esfuerzos generalmente se han centrado en manipular la antena de una etiqueta, diseñándola de tal manera que sus propiedades eléctricas cambien en respuesta a ciertos estímulos en el medio ambiente. Como resultado, una antena debe reflejar las ondas de radio hacia un lector a una frecuencia o intensidad de señal característicamente diferente, lo que indica que se ha detectado un determinado estímulo.

Por ejemplo, el grupo de Sarma diseñó previamente una antena de etiqueta RFID que cambia la forma en que transmite las ondas de radio en respuesta al contenido de humedad en el suelo. El equipo también fabricó una antena para detectar signos de anemia en la sangre que fluye a través de una etiqueta RFID.

Pero Kantareddy dice que existen inconvenientes en estos diseños centrados en antenas, el principal es la "interferencia de trayectos múltiples", un efecto de confusión en el que las ondas de radio, incluso de una sola fuente, como un lector RFID o una antena, pueden reflejarse en múltiples superficies.

"Según el entorno, las ondas de radio se reflejan en las paredes y los objetos antes de que se reflejen en la etiqueta, lo que interfiere y crea ruido", dice Kantareddy. "Con los sensores basados ​​en antenas, hay más posibilidades de obtener falsos positivos o negativos, lo que significa que un sensor le dirá que detectó algo incluso si no lo hizo, porque se ve afectado por la interferencia de los campos de radio. Por lo tanto, hace que la antena -basado en la detección un poco menos confiable".

astillando lejos

El grupo de Sarma adoptó un nuevo enfoque: en lugar de manipular la antena de una etiqueta, intentaron adaptar su chip de memoria. Compraron chips integrados listos para usar que están diseñados para cambiar entre dos modos de energía diferentes: un modo basado en energía RF, similar a los RFID completamente pasivos; y un modo asistido por energía local, como el de una batería externa o un capacitor, similar a las etiquetas RFID semipasivas.

El equipo convirtió cada chip en una etiqueta RFID con una antena de radiofrecuencia estándar. En un paso clave, los investigadores construyeron un circuito simple alrededor del chip de memoria, lo que permite que el chip cambie a un modo asistido por energía local solo cuando detecta ciertos estímulos. Cuando está en este modo asistido (comercialmente llamado modo pasivo asistido por batería o BAP), el chip emite un nuevo código de protocolo, distinto del código normal que transmite cuando está en modo pasivo. Un lector puede entonces interpretar este nuevo código como una señal de que se ha detectado un estímulo de interés.

Kantareddy dice que este diseño basado en chips puede crear sensores RFID más confiables que los diseños basados ​​en antenas porque esencialmente separa las capacidades de detección y comunicación de una etiqueta. En los sensores basados ​​en antenas, tanto el chip que almacena los datos como la antena que los transmite dependen de las ondas de radio reflejadas en el entorno. Con este nuevo diseño, un chip no tiene que depender de ondas de radio confusas para detectar algo.

"Esperamos que aumente la confiabilidad de los datos", dice Kantareddy. "Hay un nuevo código de protocolo junto con una mayor intensidad de la señal cada vez que está detectando, y hay menos posibilidades de que se confunda cuando una etiqueta está detectando versus no detectando".

"Este enfoque es interesante porque también resuelve el problema de la sobrecarga de información que se puede asociar con un gran número de etiquetas en el entorno", dice Bhattacharyya. "En lugar de tener que analizar constantemente los flujos de información de las etiquetas pasivas de corto alcance, un lector RFID se puede colocar lo suficientemente lejos para que solo se comuniquen los eventos importantes y se deban procesar".

Sensores "conectar y usar"

Como demostración, los investigadores desarrollaron un sensor de glucosa RFID. Instalaron electrodos de detección de glucosa disponibles comercialmente, llenos del electrolito glucosa oxidasa. Cuando el electrolito interactúa con la glucosa, el electrodo produce una carga eléctrica, actuando como fuente de energía local o batería.

Los investigadores conectaron estos electrodos al circuito y chip de memoria de una etiqueta RFID. Cuando agregaron glucosa a cada electrodo, la carga resultante hizo que el chip cambiara de su modo de potencia de RF pasivo al modo de potencia asistido por carga local. Cuanta más glucosa añadían, más tiempo permanecía el chip en este modo de alimentación secundario.

Kantareddy dice que un lector, al sentir este nuevo modo de energía, puede interpretarlo como una señal de que hay glucosa presente. El lector puede potencialmente determinar la cantidad de glucosa midiendo el tiempo durante el cual el chip permanece en el modo asistido por batería: cuanto más tiempo permanezca en este modo, más glucosa debe haber.

Si bien el sensor del equipo pudo detectar la glucosa, su rendimiento fue inferior al de los sensores de glucosa disponibles en el mercado. El objetivo, dice Kantareddy, no era necesariamente desarrollar un sensor de glucosa RFID, sino demostrar que el diseño del grupo podía manipularse para detectar algo de manera más confiable que los sensores basados ​​en antenas.

"Con nuestro diseño, los datos son más confiables", dice Kantareddy.

El diseño también es más eficiente. Una etiqueta puede ejecutarse pasivamente con la energía de RF reflejada por un lector cercano hasta que surge un estímulo de interés. El estímulo en sí produce una carga, que alimenta el chip de una etiqueta para enviar un código de alarma al lector. El mismo acto de detección, por lo tanto, produce energía adicional para alimentar el chip integrado.

"Dado que obtiene energía de RF y sus electrodos, esto aumenta su rango de comunicación", dice Kantareddy. "Con este diseño, su lector puede estar a 10 metros de distancia, en lugar de 1 o 2. Esto puede disminuir la cantidad y el costo de los lectores que, digamos, requiere una instalación".

En el futuro, planea desarrollar un sensor de monóxido de carbono RFID combinando su diseño con diferentes tipos de electrodos diseñados para producir una carga en presencia del gas.

"Con los diseños basados ​​en antenas, debe diseñar antenas específicas para aplicaciones específicas", dice Kantareddy. "Con el nuestro, puede simplemente enchufar y usar estos electrodos disponibles en el mercado, lo que hace que toda esta idea sea escalable. Luego, puede implementar cientos o miles, en su casa o en una instalación donde podría monitorear calderas, contenedores de gas o tuberías. "

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la organización GS1.

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