01.介 紹
無線射頻識別(radio frequency identification devices)技術(簡稱RFID)，誕生於上世紀四十至五十年代，發展至今，經過了多種新興技術的融合，形式與應用範圍已經發生了很大的變化。現今的RFID技術，在融合了物聯網(Internet of Things)技術無線信息、能量傳輸(Wireless Information and Power Transfer)技術、物體識別(object identification)以及高效低能耗感知(energy efficient sensing)技術後，已被認為是未來信息系統中傳感和通信的新範式，並且它還被認為是21世紀最具發展潛力的信息技術之一[1]。RFID技術具有非接觸式傳感、無線信息傳輸、標籤無線供電、易於部署、非視距傳輸、靈活可粘貼性等特點，是未來物聯網應用和工業製造4.0(智能製造、物流、醫療保健、農業、食品供應鏈)的關鍵技術。
本文首先介紹RFID標籤技術的發展，然後對RFID近年來的天線技術發展與新型傳感器進行總結與概括，接下來對於近些年來RFID前沿創新的應用簡要概述，最後講述RFID目前所面臨的挑戰並對未來的發展前景做出展望。
02.RFID標籤技術的發展
2.1 無晶片(Chip-less)RFID
以往通常意義上的RFID標籤，採用的工作方式為電感耦合以及後向散射，其標籤本質上就是帶有矽晶片的集成電路，而目前人們為了提高RFID部署的便捷以及降低布設成本，提出可以使用不帶有矽晶片的RFID標籤，其工作方式就是改變RFID標籤的無線電波形來傳輸數據而不需要複雜的集成電路，本質上就是通過電路頻率諧振效應進行工作。Chip-less RFID原理圖如下圖一所示。
圖一 Chip-less RFID原理圖
Chip-less RFID的數據存儲容量遠遠小於含有晶片的RFID系統。然而，由於不存在矽晶片，Chip-less RFID的成本明顯低於有晶片的RFID。因此，Chip-less RFID已成為低成本傳感和識別應用的具有競爭力的選擇[2]。
2.2 RFID標籤靈活快捷列印技術
噴墨列印工藝使得RFID標籤更加方便快捷地被製造使用[3]。印刷電子技術是將傳統印刷技術與電子技術相結合，將傳統印刷技術應用於電子製造的新技術[4]。與傳統的電子元件製造方法相比，印刷技術在氧化環境下更穩定，並具有成本效益、靈活性和環境友好等優點。其中，接觸式主要包括柔印、膠印和絲網凹版印刷，非接觸式主要是噴墨印刷。原理如圖二所示。
圖二 四種典型的標籤印刷技術
柔性RFID印刷技術主要用於製造基於晶片的RFID天線和無晶片RFID。對於RFID標籤製造，新型標籤在相紙、塑料或紡織品上列印石墨烯、銀或銅等納米粒子進行電路的集成。近十年來，資源的稀缺、產品的快速更新和生態環境的惡化，使得市場對現代技術提出了低成本、靈活、綠色的要求。作為一種電子基板，紙基板具有成本低、量產等優點，受到廣泛關注。同時，雖然納米顆粒導電油墨是由多種材料(如銅(Cu)、金(Au)、石墨烯、碳納米管(CNT))製成的，但銀納米粒子油墨是印刷紙電子導電跡的新選擇。
通過利用新型標籤列印技術，可以製造更廉價、性能優越的RFID標籤。
2.3 RFID標籤集成電路發展
在RFID應用中，許多新型的RFID 集成電路方式被發明作為RFID標籤，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總結在表一中。
表一 RFID集成電路技術參數對比
這些集成電路中的大多數集成了射頻能量採集電路、內部邏輯控制和存儲器，以及允許讀寫能力的串行埠，以便更新傳感器數據。一些RFID晶片中包含了模擬-數字轉換器(adc)，用於與傳感器組件接口，如MLX90129和SL13A。Melexis針對MLX90129 晶片進行低功耗、低壓電池和無電池應用進行優化，需任何其它組件即可將其用作 RFID 溫度計;SL13A標籤符合ISO15693標準，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)給醫療器械原始設備製造商提供了實現一些新應用的機會，例如該標籤可以方便且安全的植入患者體內(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位數位訊號A/D(模擬/數字)接口，有效地促進了晶片的進一步開發。其實現了低功耗、快速讀寫速度、無限次讀/寫耐久性和高電磁抗擾度綜合優勢，由一塊基板以及集成天線與環境光和溫度傳感器組成。內置傳感模塊的集成使得不同的基於RFID應用開發更加方便。
03.RFID技術發展與創新應用
3.1 RFID天線技術的發展
射頻能量採集電路主要由天線、整流器、倍增器和儲能裝置組成，如下圖三所示：
圖三 射頻能量採集電路的示意圖
天線捕獲電磁場中的射頻能量，然後整流器通過整流器將射頻能量轉換為直流電壓，最後將電壓倍增器增加的電壓存儲在儲能裝置中。
常用的天線如下圖四所示，其中a圖的天線通常用於HF RFID 系統，b-d中的天線常用於UHF RFID系統。
圖四 常用RFID天線
高增益天線可以提高轉換效率，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、物理尺寸或應用領域等參數來評估。
天線位於RFID傳感裝置的前端，是決定RFID傳感器性能的關鍵部件，包括讀取距離、工作速度和傳感器模塊的尺寸。因此，設計新穎的天線以提高傳感器設備的性能和適應不同的應用場景成為研究熱點。主要貢獻集中在尺寸小型化、可摺疊天線、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，其中的一些代表性成果總結在表二中。
表二 RFID新型天線技術參數對比
RFID傳感器，一個典型的RFID標籤的天線設計是通用的，並要求阻抗匹配的最大讀取範圍。但是，由於傳感器和各種設備的出現，能源消耗大大增加。為了獲得穩定的RFID傳感器數據，RFID傳感器天線也可以配置為一個多埠來收集自然能量，以增強自供電無線傳感器的能量收集，如圖五所示。
圖五 多埠能量採集RFID傳感器
3.2 RFID創新傳感器發展
由於RFID傳感技術在未來物聯網時代有著巨大的商機，包括TI、STMicroelectronics、ASM、Farsen、Axzon和Impinj在內的一些行業先驅也在這一特定領域投入了大量的精力。一些新穎的RF-DC轉換器模塊、RFID收發器和RFID集成電路被發明出來。市場上也有一些針對不同應用的新型技術解決方案。下表三列舉了一些有前景的RFID集成電路用於傳感器的開發案列。
表三 RFID新型集成電路技術參數對比
在RFID集成電路的基礎上，這些公司也給出了一些新型的應用模塊示例，如下圖六所示。
圖六 商業RFID傳感器解決方案示例
上圖(a)中是由安森美半導體公司(ON Semiconductor)生產的SPS1M002系列，使用MagnusS2集成電路，該傳感器標籤是專為被動感應各種表面和成品(如塑料、木材和石膏)上的水分而設計的。標籤將感測到的濕度檢測/液位信息數字化，可由符合UHF RFID Gen 2標準的閱讀器讀取。這種無電池無線傳感器可以大大提高最終產品的可靠性，並為工業環境下的部署提供許多好處。圖(b)是由Farsens公司製造的EPC C1G2標籤，ZYGOS-RM可根據具體應用定製不同的天線設計和尺寸，其用來進行負載傳感，負載範圍為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)生產的高精度(誤差小於0.1℃)的無源RFID溫度傳感器，感知範圍為-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)生產的用於替代觸摸鍵盤的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標籤的功耗都約為20 mW)，支持NFC的手機可以快速發現並識別該鍵盤。
04.基於RFID傳感器的新型應用
RFID傳感器技術集無線功率、數據傳輸和目標識別於一體，是一種新型的傳感和通信方式，具有廣泛的應用前景。一方面，無線電源和數據傳輸提供了一種無需電線和電池就可以將傳感數據從被測物體中傳輸出去的接口，這使得傳感器設備大大小型化。因此，隨著RFID技術與輕量級傳感器技術的新融合，一些過去技術上具有挑戰性的測量任務變得更加方便。應用領域包括消費電子、醫療保健、食品和農業、化工、製造和物流、土木工程、汽車、機械等，並用典型例子進行了總結，如下圖七所示。
圖七 一些RFID傳感器技術的應用領域以及新型實例
05.挑戰與發展趨勢
5.1 RFID目前面臨的挑戰
雖然在技術上取得了不斷的進步，通過文獻調研也發現了許多基於RFID的傳感器技術的創新應用，但大部分工作仍處於概念驗證演示和實驗室測試和評估階段。研究結果與實際應用還有很大差距。主要的挑戰如下所示：
1)射頻前端能量採集和功率轉換的效率;
2)RFID傳感器的基本技術在天線、集成電路功能、傳感元件和數據協議等方面表現出很大的異質性;
3)性能可靠性，RFID傳感器主要附著在被測物體上進行識別和參數傳感。然而，在實際應用中也會受到某些環境因素的影響;
5.2 RFID發展趨勢
一方面，如何集成一些新材料和新工藝來提高RFID傳感器技術的性能將成為研究的重點。用於擴展RFID傳感器讀取範圍的RFID中繼技術也將是非常有意義的。此外，利用無電池和輕量化的性能，用於廣域和多目標監測的RFID傳感器網絡也將在學術研究中占有一席之地。
另一方面，RFID傳感技術被認為是未來信息系統的革命性技術，其物聯網應用受到了特別的關注。其中包括但不限於：
1)製造業的產品生命周期管理(PLM);
2)人體物理特性的連續監測;
3)智能物流中的RFID傳感器;
4)智能農業中的RFID傳感器;
06.總 結
RFID傳感技術的快速發展和廣泛應用，在不同的應用領域產生了新的解決方案，對未來物聯網豐富的傳感應用具有非常廣闊的前景。在物聯網時代中，RFID傳感技術將不斷吸引業界和學術界的研究，傳感和通信將成為信息基礎設施的基礎。RFID傳感器技術在生物醫學領域將會有更多的應用，可以植入人體，在土木工程中將會被整合到土木結構中用於健康監測，在安全生產中用於低成本高質量監測等等，其將在多個領域產生更加深遠的影響。