RFID技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)之一，是一種廣泛使用的無(wú)線技術(shù)，它采用低功率無(wú)線電波來(lái)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)記對(duì)象，并從中獲取數(shù)據(jù)。盡管多年來(lái)光學(xué)條形碼因其成本低一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們的讀取距離受限，信息存儲(chǔ)容量低，以及需要大量人工干預(yù)操作。傳統(tǒng)RFID克服了上述光學(xué)條形碼的缺點(diǎn)，但RFID的成本卻變成了一個(gè)非常重要的問(wèn)題。本文回顧了無(wú)芯RFID，它比現(xiàn)有的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)受益良多，概述了傳統(tǒng)RFID和無(wú)芯RFID標(biāo)簽的比較、無(wú)芯標(biāo)簽的分類以及其設(shè)備設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題和應(yīng)用等，最后討論了無(wú)芯RFID面臨的挑戰(zhàn)及未來(lái)的研究方向。

RFID簡(jiǎn)介

RFID系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：讀寫器和標(biāo)簽。讀寫器又包括中間件和相關(guān)硬件。中間件充當(dāng)讀寫器的控制部件。硬件包括詢問(wèn)器電路和天線。RFID詢問(wèn)器的控制單元包括處理器、存儲(chǔ)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)的靈魂，包含識(shí)別碼。標(biāo)簽主要包含：用于執(zhí)行調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的專用集成電路，多諧振器（無(wú)芯標(biāo)簽中），以及天線。只有在RFID讀寫器工作范圍內(nèi)才可以識(shí)別標(biāo)簽，而且讀寫器和標(biāo)簽之間的通信也容易受到環(huán)境的干擾。圖1描繪了基本RFID系統(tǒng)的示意圖。讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送電磁（EM）波。標(biāo)簽將能量/信號(hào)反向散射或重新傳輸給讀寫器，其中包含必要的信息。中間件解讀讀寫器捕獲的數(shù)據(jù)，并以要求的格式提供給用戶。用戶可以是進(jìn)行進(jìn)一步信號(hào)處理的主機(jī)，它可以連接到互聯(lián)網(wǎng)上，以便從全球任何地方訪問(wèn)數(shù)據(jù)。

圖1 基本RFID系統(tǒng)示意圖

有芯RFID標(biāo)簽和無(wú)芯RFID標(biāo)簽

RFID系統(tǒng)由于成本較高因而無(wú)法替代條形碼技術(shù)。RFID標(biāo)簽內(nèi)嵌有IC芯片組，使其成本大約為條形碼的10倍，因此其開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。有芯RFID與無(wú)芯RFID相比發(fā)射天線的功率更高，覆蓋的讀取距離更大。因此，無(wú)芯RFID適用于近場(chǎng)應(yīng)用。無(wú)芯RFID使用反向散射原理使其無(wú)法具有較高的信息存儲(chǔ)能力。無(wú)芯RFID標(biāo)簽是無(wú)源的，其設(shè)計(jì)復(fù)雜，而有芯RFID標(biāo)簽也是無(wú)源的，與無(wú)芯標(biāo)簽相比，其設(shè)計(jì)相對(duì)容易。有芯RFID標(biāo)簽由于芯片的存在使其略顯呆板，無(wú)芯RFID標(biāo)簽卻相對(duì)靈活，但缺乏數(shù)據(jù)處理能力。有芯RFID標(biāo)簽和無(wú)芯RFID標(biāo)簽的讀取能力也有所不同。根據(jù)前人的研究，一次可以讀取1000個(gè)有芯RFID標(biāo)簽，但實(shí)際上只能讀取一個(gè)無(wú)芯RFID標(biāo)簽，盡管現(xiàn)有的理論說(shuō)明可以同時(shí)記錄3個(gè)無(wú)芯標(biāo)簽。在表1中比較了有芯RFID標(biāo)簽和無(wú)芯RFID標(biāo)簽。

表1 有芯RFID標(biāo)簽和無(wú)芯RFID標(biāo)簽的比較

無(wú)芯標(biāo)簽的分類

1.第一類標(biāo)簽第一類標(biāo)簽中含有額外的組件用于數(shù)據(jù)加密。在此類標(biāo)簽中，標(biāo)簽天線僅充當(dāng)輻射器，而其他組件充當(dāng)用于加密數(shù)據(jù)的反射器。標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)使其在超寬帶頻率下工作，并提供一個(gè)全方位的模式。滿足這兩種要求的天線是圓盤加載單極子天線。標(biāo)簽功能受標(biāo)簽天線增益和帶寬影響。時(shí)域反射 (TDR) 標(biāo)簽和重傳標(biāo)簽屬于第一類標(biāo)簽。2.第二類標(biāo)簽在第2類中，標(biāo)簽天線同時(shí)執(zhí)行加密和反射從應(yīng)答器到詢問(wèn)器的響應(yīng)的任務(wù)。這就意味著天線的功能就像一個(gè)反射器。此標(biāo)簽天線要求產(chǎn)生高質(zhì)量因數(shù)（Q因數(shù)），因此可以在窄帶寬下工作。微帶貼片天線可用于此類。第二類標(biāo)簽包括反向散射標(biāo)簽和EM圖像標(biāo)簽。3.第三類標(biāo)簽在第三類標(biāo)簽中，不需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)編碼元素。近場(chǎng)印刷線圈標(biāo)簽天線屬于此類。這里的標(biāo)簽天線的特性與第二類相似。無(wú)芯RFID技術(shù)可以被分為兩類。第一代（1G）和第二代（2G）取決于內(nèi)存處理能力和服務(wù)提供商的類型。在1G中，使用沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的單一服務(wù)提供商。它們的內(nèi)存處理能力非常有限。這一代無(wú)芯RFID標(biāo)簽中使用的技術(shù)包括聲學(xué)、電磁和LC陣列。第二代無(wú)芯RFID使用具有全球標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)服務(wù)提供商。它們具有更高的內(nèi)存處理能力，并且有可能取代條形碼。表面聲波（SAW），薄膜晶體管電路都用于這種類型的標(biāo)簽。綜上所述，第一類和第二類無(wú)芯RFID標(biāo)簽主要應(yīng)用于各種應(yīng)用，例如溫度感知、壓力感知、PH感知、濕度感知等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用感知。無(wú)芯RFID標(biāo)簽天線的特性如圖2所示。

圖2 標(biāo)簽天線的關(guān)鍵特性

無(wú)芯RFID設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

閱讀器的天線設(shè)計(jì)是無(wú)芯RFID系統(tǒng)面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)。無(wú)芯RFID工作在超寬帶（UWB）頻段，與有芯RFID相比，在該頻段中輻射的最大功率非常低。這種降低的傳輸功率導(dǎo)致更短的讀取范圍和更低的數(shù)據(jù)處理能力。由于發(fā)射功率很低，反向散射信號(hào)也很低，并且會(huì)受到環(huán)境噪聲的影響。標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)是開(kāi)發(fā)無(wú)芯RFID系統(tǒng)所面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)。因?yàn)椴僮鞯念l帶較大，所以標(biāo)簽尺寸較小。這限制了對(duì)詢問(wèn)器的反向散射功率。可以通過(guò)使用天線陣列使得反向散射功率變得更高，但這也將會(huì)增加標(biāo)簽的大小和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。因此，設(shè)計(jì)高效的標(biāo)簽變得十分困難。由于標(biāo)簽缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，此時(shí)出現(xiàn)了另一個(gè)挑戰(zhàn)——提取信息。相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)中也提出過(guò)同時(shí)檢測(cè)多個(gè)標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。為標(biāo)簽選擇合適的材料也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

無(wú)芯射頻識(shí)別的應(yīng)用

如今，RFID技術(shù)在醫(yī)療保健、生物醫(yī)學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等領(lǐng)域的應(yīng)用正在迅速發(fā)展。無(wú)芯RFID正在進(jìn)入市場(chǎng)，傳統(tǒng)RFID由于IC芯片的存在而具有局限性，并且無(wú)芯RFID在物聯(lián)網(wǎng)、智能皮膚（SS）、5G等領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。隨著近年來(lái)增材制造技術(shù)(AMT)效率的提高，無(wú)芯RFID被用于物聯(lián)網(wǎng)和毫米波5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、能量收集和存儲(chǔ)、反向散射通信前端、無(wú)源射頻組件、互連、封裝、和傳感器等。1.溫濕度監(jiān)控濕度是用于食品儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)、封閉房間中的空氣質(zhì)量測(cè)試或建筑物中的水害檢測(cè)的重要物理參數(shù)之一。無(wú)芯RFID傳感器可以滿足對(duì)低成本、靈活、無(wú)源的濕度傳感器的不斷增長(zhǎng)的需求。無(wú)芯RFID溫度傳感器用于供應(yīng)鏈管理中，不需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且可以在特定的時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)。例如，在產(chǎn)品、化學(xué)品、藥品或爆炸性材料的運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程中，具體溫度值的變化非常重要。2.醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用無(wú)芯RFID為醫(yī)療保健和可穿戴生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了嶄新的外觀。有芯RFID標(biāo)簽不適合可穿戴應(yīng)用，因?yàn)樾酒苋菀讚p壞并導(dǎo)致連接方面的問(wèn)題。無(wú)芯RFID標(biāo)簽的使用壽命更長(zhǎng)，可以輕松縫制在衣服上。無(wú)芯RFID傳感器在生理參數(shù)檢測(cè)方面扮演著非常重要的角色，如葡萄糖水平、血壓、體溫、酸堿度和心跳監(jiān)測(cè)。3.電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)在各種類型的電子傳感器中，射頻傳感器以其非侵入性和易于安裝而聞名。由于介質(zhì)絕緣失效，在電氣設(shè)備中會(huì)發(fā)生局部放電（PD），如果未檢測(cè)到，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)嚴(yán)重故障。目前，已存在用于檢測(cè)電氣設(shè)備中局部放電的傳感系統(tǒng)。無(wú)芯RFID還有幾種其他方面的應(yīng)用，例如手勢(shì)識(shí)別、安全和認(rèn)證、對(duì)管道進(jìn)行涂層缺陷檢測(cè)和腐蝕預(yù)測(cè)、室內(nèi)自定位、食品包裝等。無(wú)芯RFID的未來(lái)應(yīng)用是無(wú)窮無(wú)盡的。

無(wú)芯射頻識(shí)別傳感器

傳感器有助于將與標(biāo)簽環(huán)境有關(guān)的信息傳遞給閱讀器。因此，可以對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤和監(jiān)視，并提高了信息質(zhì)量。無(wú)芯RFID傳感器包括諧振電路中的集成傳感組件。傳感器可用于測(cè)量物理參數(shù)，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血壓、體溫、葡萄糖水平、心率等。除此之外，無(wú)芯RFID傳感器價(jià)格便宜，易于在紙張或塑料上打印。無(wú)芯RFID傳感器系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。傳感器有助于將與標(biāo)簽環(huán)境有關(guān)的信息傳遞給閱讀器。因此，可以對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤和監(jiān)視，并提高了信息質(zhì)量。無(wú)芯RFID傳感器包括諧振電路中的集成傳感組件。傳感器可用于測(cè)量物理參數(shù)，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血壓、體溫、葡萄糖水平、心率等。除此之外，無(wú)芯RFID傳感器價(jià)格便宜，易于在紙張或塑料上打印。無(wú)芯RFID傳感器系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。

圖3 無(wú)芯RFID傳感器系統(tǒng)示意

當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來(lái)的方向

無(wú)芯RFID技術(shù)以其在各種應(yīng)用中的潛力為新世界鋪平了道路。未來(lái)，這些標(biāo)簽的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將是最大的。在許多情況下，無(wú)芯RFID標(biāo)簽的功能要優(yōu)于有芯標(biāo)簽。因其面臨很多的挑戰(zhàn)，無(wú)芯RFID并未進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)。本節(jié)重點(diǎn)介紹無(wú)芯RFID的挑戰(zhàn)及其未來(lái)的發(fā)展方向。1.讀取準(zhǔn)確性無(wú)芯RFID不需要視線讀數(shù)。但是，如果標(biāo)簽保持與讀取器天線正交，則無(wú)法準(zhǔn)確讀取標(biāo)簽ID。這個(gè)挑戰(zhàn)可以通過(guò)方向獨(dú)立的標(biāo)簽來(lái)克服。而且，反向散射信號(hào)總是受到背景噪聲干擾的影響?？梢栽陂喿x器中實(shí)現(xiàn)窗口技術(shù)和自干擾消除技術(shù)，以增強(qiáng)接收信號(hào)，從而提高準(zhǔn)確性。2.標(biāo)簽價(jià)格標(biāo)簽成本高的主要原因是基材材料、油墨和所使用的印刷技術(shù)?？梢圆捎玫统杀镜募垙垺⑺芰匣蚰静?，而不是使用昂貴的基材材料。此外，噴墨印刷和凹版印刷等印刷技術(shù)進(jìn)一步降低了成本。3.標(biāo)簽多感知操作有幾個(gè)應(yīng)用，它們當(dāng)中的兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)需要被同時(shí)感知。多感知是有用的，尤其是在可穿戴的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，例如，溫度、血壓、PH等參數(shù)應(yīng)一次監(jiān)測(cè)出來(lái)，但這通常是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，可以使用超材料。4.標(biāo)簽打印如今可用的制造工藝（例如光刻）仍增加了無(wú)芯RFID的總成本。此外，諸如化學(xué)蝕刻和干法蝕刻之類的蝕刻工藝也不精確，因?yàn)樗鼤?huì)通過(guò)蝕刻出比所需數(shù)量更多的銅來(lái)影響標(biāo)簽的性能。因此，像噴墨打印這樣的打印技術(shù)是克服這一挑戰(zhàn)的最佳選擇。5.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量無(wú)芯標(biāo)簽中沒(méi)有芯片，因此其數(shù)據(jù)容量較小。盡管報(bào)告了具有高數(shù)據(jù)容量的無(wú)芯標(biāo)簽，但在不增加標(biāo)簽大小的情況下增加信息存儲(chǔ)能力的挑戰(zhàn)仍然存在?？梢酝ㄟ^(guò)使用幾種混合編碼技術(shù)，或具有高Q因數(shù)的標(biāo)簽設(shè)計(jì)，或使用整個(gè)超寬帶頻帶來(lái)緩解此問(wèn)題。6.防沖突讀取無(wú)芯標(biāo)簽的主要挑戰(zhàn)之一是讀取區(qū)域中存在更多數(shù)量的標(biāo)簽。當(dāng)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送信號(hào)時(shí)，讀取器很難將信號(hào)進(jìn)行分離。為了防止此問(wèn)題，已經(jīng)提出了幾種防碰撞算法，但當(dāng)標(biāo)簽在相似的頻率范圍內(nèi)工作時(shí)，問(wèn)題仍然存在。