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关键词： 果蔬品质检测   农业物联网   射频识别   无源感知  

摘要： 无芯片射频识别(Chipless Radio Frequency Identification,CRFID)因为其轻量、价格合理、普适性等优势被广泛应用,CRFID标签具有理论上的无限寿命,消除了硅芯片和集成电路的使用,成为标识传感的重要媒介。对某一参数或多种参数敏感的智能材料与CRFID相结合可实现射频跨域感知功能,以果蔬品质检测为例,通过测量温湿度等物理变量以及果蔬释放的代谢性物质,如二氧化碳、氧气浓度等可检测与分析果蔬的品质,因此感知温度、湿度、气体等指标变化在果蔬品质状态检测领域具有广泛应用前景,本文对CRFID技术在检测果蔬品质状态关联因素领域的研究如下:首先论述了CRFID技术与无芯标签的工作原理,分析了用在果蔬品质状态检测中的智能材料和感知技术,对CRFID感知技术与果蔬品质状态检测技术的融合进行了研究;提出了用于果蔬品质状态检测的系统与方法,即通过检测射频信号的谐振偏移和幅度实现对果蔬的品质状态的检测。接着利用HFSS仿真软件设计了基于SRR的开环方形谐振器结构的无芯标签,并建立敏感材料薄层作为标签的传感单元,结合敏感单元进行感知标签的传感基理仿真,传感单元对参数敏感导致阻抗逐渐变化时,电导率影响阻值的变化会使标签的幅值和谐振偏移,谐振和幅值偏移量随阻值变化逐渐增大或减小,为不同果蔬品质状态导致的湿度和二氧化碳参数变化检测提供了仿真基础。根据仿真实验,使用丝网印刷技术制作标签实物,搭建用于标签敏感性标定的农业物联网传感监测系统与无芯标签测试系统,验证了无芯标签的谐振特性;基于所搭建测试系统研究无芯感知标签的敏感性,标签置于二氧化碳和湿度测试环境谐振偏移总量分别为30MHz和16MHz,谐振偏移明显,因此该标签对二氧化碳和湿度变化有较好的敏感性。针对果蔬品质状态检测场景,将三种果蔬贮藏于农业物联网传感检测箱内,使用无芯感知标签检测不同品质状态时期的射频信号响应,不同品质状态的果蔬具有不同的谐振响应和幅值偏移量,不同种类果蔬的谐振响应有灵敏性差异,无芯感知标签的射频信号响应可用作果蔬品质状态的分析和判别依据,作为对其品质状态检测的参考指标。

关键词： Special issues and sections   Radiofrequency identification   Robots   Navigation   Augmented reality   Robot sensing systems  

摘要： The year 2023 was extremely fruitful for RFID community as it offered a diverse range of perspectives, methodologies, and findings, among all the spectrum of RFID communications and systems. In this context, the IEEE JOURNAL OF RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION took the opportunity to gather new florid research contributions in the field of RFID technology in two special issues devoted to hot and cutting-edge research topics: "Augmented RFID sensing systems for environment, healthcare and safety" and "RFID Sensor Fusion for Navigation of Robots and Vehicles". Sensing capabilities and location-awareness, especially focused to the development of autonomous robots, represent two vital applications for the development of next-generation industrial systems, technologies that serve people and communities. In Fig. 1 it is depicted the output of an online search on the IEEE XPLORE database by selecting only papers published in journals (journals + magazines + early access) from 2015 to 2022, with focus on "RFID Sensing" (blue bars) and "RFID localization" (red bars). There is a clear trend of growth in recent years, which highlights the topicality of the journal proposed special issues in selecting themes of interest to the community. Furthermore, the special issue aimed to emphasize the requirements of industries associated with these systems and to encourage research towards exploring innovative solutions for commercial applications. The articles featured in this special issue offer a diverse range of perspectives, methodologies, and findings, also highlighting the multidisciplinary nature of RFID.

关键词： RFID系统   阅读器天线   抗金属天线   收发共口径天线   圆极化天线  

摘要： 射频识别技术在物品、工具等智能管理领域的应用方兴未艾。警用装备、电力施工工具等常需采用金属储物柜进行存放,并且所放物品往往大小不一、材料各异,这将给射频识别带来漏读或误读问题。本文针对这样的应用场景,首先通过仿真实验分析,确定出金属柜内阅读器天线必须具有抗金属性好、剖面低、信号覆盖宽、误读率低等特点,在此基础上分别针对单门柜及多门柜多区域检测场景提出了中心化加载的低剖面宽覆盖阵列天线和高隔离共口径收发分离天线两种解决方案并进行了实验验证。具体研究工作如下: (1)阅读器天线金属储物柜环境适应性研究 针对金属环境易对天线性能产生影响这一问题,本文首先以典型的切角圆极化贴片天线为基础,研究了金属边缘效应对天线性能的影响趋势,总结出预偏、宽频带及抗金属结构设计三种天线抗金属的解决方案;然后基于此,在现有文献基本结构的基础上,提出渐变式电容耦合和十字开槽有机结合的新方法,设计了一款具有18.6%阻抗带宽、8.6dBic增益的高性能抗金属阅读器天线,并利用其分析出金属储物柜专用阅读器天线的具体设计需求,为后文天线设计提供了新的思路。 (2)基于双向渐变馈电结构的低剖面宽覆盖圆极化天线设计 针对单门金属储物柜中存在漏读的问题,本文设计了一款低剖面宽覆盖阵列天线。首先在传输线理论的基础上提出了中心化弱短路加载的抗金属辐射贴片,然后利用渐变思想将传统的顺序旋转馈电设计成基于内层阻抗渐变、外层功率补偿渐变的双向渐变馈电结构,实现了轴比带宽的有效拓展,从而得到了一款新型抗金属圆极化单元天线,因其剖面高度(0.029λ0)较低大大节约了柜内空间。然后在此基础上,以该天线为阵元,组成了一个间距为0.4λ0的二元圆极化阵列,并利用场景建模的方式进行了仿真及实验验证,结果表明该阵列天线大大拓展了识别覆盖区域,有效降低了金属储物柜内标签的漏读,并在电力工具管理系统中得到了实际工程应用。 (3)高隔离度收发共口径抗金属圆极化天线的设计 针对多区域储物柜RFID检测场景中存在漏读且易对邻柜标签误读的现象,本文设计了一款应用于收发分离系统的高隔离收发共口径天线。首先从空间布局、极化方向选择及抗金属设计三个方面对收发共口径设计方案进行论证,随后提出了角形电容加载贴片发射天线与L形圆极化阵列接收天线组合的共口径天线方案,并通过收发高低增益配置,降低接收链路灵敏度,以避免标签误读。接着从天线及馈电网络间两个角度入手,结合等效电路的分析方式,分别提出了多点接地的梳状支节及基于异相相消的环形器等两种新型去耦结构,提高了收发天线之间的隔离度,降低了标签漏读。最后完成了天线的实物制作及相关性能测试,结果表明:所设计天线能够满足金属储物柜多区域标签检测的通信需求。 总之,本文面向实际工程,以应用于金属储物柜环境下的RFID阅读器天线为研究对象,从理论分析与电磁仿真验证入手,研究金属环境中天线稳定性和标签读取的准确率,设计了两款应用于金属储物柜的新型阅读器天线,并搭建了RFID标签检测系统,评估了相应的检测成效,为我国相关企业实现工具智能科学管理提供有益参考。

关键词： 射频识别   检测与识别   多阅读器   多类别   鲁棒性   信道阻塞   干扰排除  

摘要： 继计算机、互联网之后,物联网正引领世界信息化发展的第三次浪潮。射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术作为物联网的关键技术之一,推动物联网的持续发展与进步。但是,随着RFID技术的推广以及规模的增大,多阅读器的部署带来阅读器协同工作难度增加,标签冲突更趋严重,外来标签干扰排除困难等特点给RFID系统正常的标签检测及识别带来了很大挑战。在总结现有RFID研究成果的优缺点的基础上,本文专注于大规模RFID系统中标签检测及识别的问题,从多阅读器多类别的大规模RFID系统丢失标签检测、大规模RFID系统丢失标签识别,大规模RFID系统中未知标签的快速识别三个具体任务展开研究,以提升RFID系统的实用性、鲁棒性,协议执行的时间效率,信息利用率等性能。本文的主要贡献总结如下: 针对多阅读器多类别的大规模RFID系统丢失标签检测问题,阅读器之间的冲突(Reader-to-Readercollision,R2Rc)会导致标签信息采集失败,降低系统鲁棒性,而标签的广域分布更增添阅读器资源分配的难度,使阅读器高效率协同工作是提升多阅读器RFID系统性能的思考方向之一。本文提出了一种多阅读器多类别的丢失标签检测协议,利用阅读器的调度算法避免阅读器之间的R2Rc影响,设置标签类别ID,通过曼彻斯特编码、解码方式,把阅读器收集到的标签融合信号解码为多个专属标签类别的映射向量,通过各类别映射向量评估标签分布状况并检测标签是否丢失,根据标签各类别数量的估值,优化并个性化每个阅读器的广播帧长,各个阅读器对多个标签类别并行检测丢失标签是否存在。阅读器的调度增加系统鲁棒性,阅读器参数个性化设置把整个丢失标签检测任务分割为多个轻量级子任务,不仅大幅降低广播帧的长度,而且有效利用了冲突时隙,加速了丢失标签检测速率。 针对大规模RFID系统中丢失标签识别的问题,标签数量剧增导致窄带通信的RFID系统标签冲突加剧,而冲突时隙在Aloha协议中直接被废弃导致时隙利用率低,时间效率低下。本文提出一种基于冲突时隙展开的丢失标签识别协议,利用后台服务器存储的标签ID在特定哈希函数条件下,可以预测每个标签选择时隙的索引,并统计每个时隙响应标签数量。冲突时隙中的标签再次进行哈希运算并重新选择区分位置索引。如果预测时隙或区分位对应位置有标签响应,而真实检测没有标签响应,则可断定此标签丢失,从而获取对应位置标签ID。基于冲突时隙展开的方法,有效利用了冲突时隙,使时隙的利用率大幅提升,同时,丢失标签识别效率也得到较大提升。 针对大规模RFID系统未知标签快速识别问题,未知标签的出现严重干扰正常的标签信息采集、验证,且传统Aloha协议难以从未知标签存在的混合信息中快速提取并排除干扰信息。观察传统Aloha协议信息验证机制,标签返回阅读器问询命令时的RN16(16-bit Random or pseudo-random Number)具有混合信息监测功能,但阅读器难以解码融合信号。本文提出一种冲突分解法修改传统RN16为V-RN16,V-RN16把传统RN16分为两部分:区分码和随机码。随机码具有传统RN16的功能,区分码容许混合信息的二次区分。如果预测帧时隙Aloha协议中时隙为空时隙,或者区分位无标签选择,而实际标签映射中有标签选择时,则可断定此标签为未知标签,通过后台服务器存储映射关系即可成功获取未知标签的ID信息,实现未知标签识别。

关键词： Substrates   RFID tags   Monitoring   Antennas   Sensors   Metals   Integrated circuits   RFID   sensors   pest monitoring   MXenes  

摘要： The emerging need for green technologies motivates the development of new approaches to manufacture electronic consumables. In case of low-cost mass-production sensors, the problem becomes even more severe due to the generation of environmental waste. Here we demonstrate an RFID-type sensor based on a caramel substrate with a micron-scale conductive layer. The device, being primarily made of sugar, attracts insects, which consume it almost completely. As an application, we demonstrate a tag that can be applied for remote pest monitoring. In the experiment, a long-range UHF RFID communication channel is established and monitored over time. An RFID-on-caramel tag consumed by insects loses its connection with a reader, indicating the presence of pests. We show the new caramel-based devices to communicate with a reader over a 10-meter distance, paving the way to remote crop monitoring. Such low-cost biodegradable sensors are highly promising for smart agriculture, warehouse management, and stock monitoring approaches.

关键词： Radio frequency identification (RFID)  

摘要： Radio frequency identification (RFID) systems enable us to achieve highly efficient inventory management and inspection work. However, if an RFID reader increases its transmission power to read densely arranged RFID tags in a cardboard box, stray reads of the RFID tags occur. These unwanted reads degrade the overall inventory performance. This letter proposes a reliable reading method for densely arranged RFID tags while suppressing stray reads. © 2023 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

关键词： Inductive coupling   wireless power transfer   metal   inductive power transfer   communication  

摘要： This paper presents the design and implementation of a wirelessly powered RFID system enclosed inside closely sealed aluminum containers. The system enables power and data transfer to an RFID tag enclosed inside a closely sealed 1 mm thick aluminum container at a distance of up to 1 m from the reader. Utilizing custom-designed magnetic dipoles operating at 103 kHz, the system achieves a maximum harvested power of 408 mu W AC and 96 mu W DC. Also, bidirectional communication is demonstrated at a maximum data rate of 1.2 kbps. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of a passive RFID system operating at a distance of 1 m, while its RFID tag is enclosed inside a closely sealed aluminum container, and without using batteries.

关键词： 生鲜冷链仓储   RFID   交互设计   仓储设备设计   界面设计  

摘要： 随着社会生活水平的提升,冷链物流产品需求持续增长。智慧物流推动了生鲜冷链物流仓储自动化与信息化的发展。然而,当前中小型生鲜冷链物流仓储主要依赖人工操作,存在多个问题,如缺乏科学的作业流程规定、货物管理能力不足、储位管理不明确、分拣效率低下且容易出错,以及冷链“黑盒”作业难以追溯等。因此,本研究以生鲜冷链物流仓储系统为对象,探讨并通过系统设计优化解决中小型生鲜冷链物流仓储在作业流程与设备应用等方面的现有问题。本研究提出了一种基于射频识别(RFID)技术的生鲜冷链物流仓储系统,旨在提高仓储作业效率和管理能力。 系统调研分析从作业流程、仓储设备和作业失误等方面进行,采用人因可靠性分析方法分析可能发生的人因失误,利用认知可靠性与错误分析方法(CREAM)进行预测和追溯分析,研究了货物入库至出库过程中的人因失误概率,并确定失误根本原因。根据调研和分析结果,总结出系统设计策略。 系统设计主要包括作业流程设计、系统交互应用设计、仓储设备设计以及仓储空间布局设计。首先,采用RFID技术优化生鲜冷链物流仓储系统的货物入库、库内货物管理和分拣出库作业流程。其次,围绕以下三个核心功能设计系统交互应用:入库阶段优化仓储库位利用结构与提升入库效率;库内存储阶段快速处理过期变质货物;出库阶段提升分拣效率降低人工分拣出错率。再次,设计生鲜冷链物流仓储硬件设备,包括可旋转自动化仓储设备以优化冷链仓储作业动线,减少作业人员或搬运机器人的移动距离;模块化设计方案,可根据仓储作业空间灵活调整尺寸与数量,提高设备适用性。最后,根据设备结构与作业方式,设计了仓储空间布局。 系统设计方案的评估和验证采用定性与定量评价相结合的方法。评估和验证从系统交互应用和仓储设备两个层面展开:在系统交互应用层面,根据界面交互设计原则与系统功能目标的实现,提取11个具体评价指标,采用层次分析-模糊综合评价方法对系统交互应用进行可用性评估。在硬件层面,选取作业效率与空间利用率两个核心指标对设备进行定量评价。根据分析结果,所设计的设备作业效率相较于传统横梁式仓储提高了约30%。

关键词： RFID   室内定位   无芯片标签   频域和极化编码   角度不敏感  

摘要： 为了满足人们对使用低成本、低复杂度和节能的射频识别定位系统的追求,基于后向散射的无芯片标签射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)方案正被人们广泛研究。该方案相较传统的有源标签更容易设计与批量生产,且标签无线无源,在室内场景中固定后即可配合基站天线长久使用,使用寿命更长无需替换。基于以上优点,本文以室内定位系统对无芯片标签的要求展开,以不同类型的无芯片标签设计为研究方向,共设计了三款无芯片标签,并进行标签加工测试、室内实测和定位算法的研究,具体工作如下:(1)设计了正三角形缝隙无芯片标签,本质是一种带阻滤波器,由于其良好的结构特性,使标签对任意极化和俯仰角度的平面波都不会发生太大的雷达散射截面谐振偏移(Radar Cross Section,RCS),以20MHz为标签带宽,频域编码了5款标签。还通过削减表面金属面积、介质基板选择等方式提高了标签的品质因素,并对标签进行正三角的形式组阵,提升了标签的识别能力的同时仍保持了角度稳定性,但标签阵列在面对环境干扰时会出现谐振方式的变化。(2)实现了两款基于极化和频域混合编码的环状标签,通过设计标签单元对相互垂直极化平面波的不同响应,判断标签在50MHz带内的谐振点个数和谐振频点的高低关系,完成对标签的编码。两标签本质都是谐振型吸收超表面,介质基板的背面覆上金属提高了标签的抗干扰能力,使标签可以在环境中使用,并对标签进行了组阵加工,在实测过程中发现并解决了阵列的栅瓣问题、加工精度和加工不一致性问题和介质基板的介电常数定标问题,实现标签阵列的全波仿真结果与加工实测的一致,使得无芯片标签的设计更准确,更具商业前景和应用价值。(3)开发了一种频域识别方法,通过对标签的后向散射信号双带检测,使得标签的频域信号识别成功率达到90%以上。在此基础上,搭建并验证了两种不同的室内测试场景,通过时间窗等方式处理矢网和喇叭天线收发的时域信号,完成了对场景中的单标签识别和距离计算,并对比验证了时域方法的正确性和多标签联合定位的可行性。