Les ingénieurs du MIT configurent les étiquettes RFID pour qu'elles fonctionnent comme des capteurs

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De nos jours, de nombreux détaillants et fabricants suivent leurs produits à l'aide d'étiquettes RFID ou d'identification par radiofréquence. Souvent, ces étiquettes se présentent sous la forme d'étiquettes en papier équipées d'une simple antenne et d'une puce mémoire. Lorsqu'elles sont collées sur un carton de lait ou un col de veste, les étiquettes RFID agissent comme des signatures intelligentes, transmettant des informations à un lecteur radiofréquence sur l'identité, l'état ou l'emplacement d'un produit donné.

En plus de garder un œil sur les produits tout au long d'une chaîne d'approvisionnement, les étiquettes RFID sont utilisées pour tout retracer, des jetons de casino et du bétail aux visiteurs des parcs d'attractions et aux coureurs de marathon.

L'Auto-ID Lab du MIT est depuis longtemps à l'avant-garde du développement de la technologie RFID. Aujourd'hui, les ingénieurs de ce groupe orientent la technologie vers une nouvelle fonction : la détection. Ils ont développé une nouvelle configuration de capteur d'étiquette RFID ultra-haute fréquence, ou UHF, qui détecte les pics de glucose et transmet sans fil ces informations. À l'avenir, l'équipe prévoit d'adapter l'étiquette pour détecter les produits chimiques et les gaz dans l'environnement, tels que le monoxyde de carbone.

"Les gens se tournent vers davantage d'applications telles que la détection pour tirer davantage parti de l'infrastructure RFID existante", déclare Sai Nithin Reddy Kantareddy, étudiant diplômé du département de génie mécanique du MIT. "Imaginez créer des milliers de ces capteurs d'étiquettes RFID peu coûteux que vous pouvez simplement coller sur les murs d'une infrastructure ou sur les objets environnants pour détecter des gaz courants comme le monoxyde de carbone ou l'ammoniac, sans avoir besoin d'une batterie supplémentaire. Vous pouvez les déployer à moindre coût, sur un énorme réseau." Kantareddy a développé le capteur avec Rahul Bhattacharya, un chercheur du groupe, et Sanjay Sarma, professeur de génie mécanique Fred Fort Flowers et Daniel Fort Flowers et vice-président de l'apprentissage ouvert au MIT. Les chercheurs ont présenté leur conception à la conférence internationale IEEE sur la RFID, et leurs résultats sont publiés en ligne cette semaine.

"La RFID est le protocole de communication RF le moins cher et le moins gourmand qui soit", déclare Sarma. "Lorsque des puces RFID génériques peuvent être déployées pour détecter le monde réel grâce à des astuces dans l'étiquette, une véritable détection omniprésente peut devenir réalité."

Vagues déconcertantes

Actuellement, les étiquettes RFID sont disponibles dans un certain nombre de configurations, y compris les variétés assistées par batterie et « passives ». Les deux types d'étiquettes contiennent une petite antenne qui communique avec un lecteur à distance en rétrodiffusant le signal RF, en lui envoyant un simple code ou un ensemble de données qui est stocké dans la petite puce intégrée de l'étiquette. Les balises assistées par batterie incluent une petite batterie qui alimente cette puce. Les étiquettes RFID passives sont conçues pour récolter l'énergie du lecteur lui-même, qui émet naturellement juste assez d'ondes radio dans les limites de la FCC pour alimenter la puce mémoire de l'étiquette et recevoir un signal réfléchi.

Récemment, des chercheurs ont expérimenté des moyens de transformer des étiquettes RFID passives en capteurs pouvant fonctionner sur de longues périodes sans avoir besoin de piles ou de remplacements. Ces efforts se sont généralement concentrés sur la manipulation de l'antenne d'une étiquette, en la concevant de telle manière que ses propriétés électriques changent en réponse à certains stimuli dans l'environnement. En conséquence, une antenne doit renvoyer les ondes radio vers un lecteur à une fréquence ou une intensité de signal caractéristiquement différente, indiquant qu'un certain stimulus a été détecté.

Par exemple, le groupe de Sarma a précédemment conçu une étiquette-antenne RFID qui modifie la façon dont elle transmet les ondes radio en réponse à la teneur en humidité du sol. L'équipe a également fabriqué une antenne pour détecter les signes d'anémie dans le sang circulant sur une étiquette RFID.

Mais Kantareddy dit qu'il y a des inconvénients à de telles conceptions centrées sur les antennes, le principal étant "l'interférence par trajets multiples", un effet de confusion dans lequel les ondes radio, même à partir d'une source unique telle qu'un lecteur RFID ou une antenne, peuvent se refléter sur plusieurs surfaces.

"Selon l'environnement, les ondes radio se reflètent sur les murs et les objets avant de se refléter sur l'étiquette, ce qui interfère et crée du bruit", explique Kantareddy. "Avec les capteurs basés sur des antennes, il y a plus de chances que vous obteniez de faux positifs ou négatifs, ce qui signifie qu'un capteur vous dira qu'il a détecté quelque chose même s'il ne l'a pas fait, car il est affecté par l'interférence des champs radio. -based sensing un peu moins fiable."

Écraser

Le groupe de Sarma a adopté une nouvelle approche : au lieu de manipuler l'antenne d'une étiquette, ils ont essayé de personnaliser sa puce mémoire. Ils ont acheté des puces intégrées prêtes à l'emploi conçues pour basculer entre deux modes d'alimentation différents : un mode basé sur l'énergie RF, similaire aux RFID entièrement passives ; et un mode assisté par énergie locale, par exemple à partir d'une batterie ou d'un condensateur externe, similaire aux étiquettes RFID semi-passives.

L'équipe a transformé chaque puce en une étiquette RFID avec une antenne radiofréquence standard. Lors d'une étape clé, les chercheurs ont construit un circuit simple autour de la puce mémoire, permettant à la puce de passer en mode assisté par énergie locale uniquement lorsqu'elle détecte un certain stimulus. Lorsqu'elle est dans ce mode assisté (commercialement appelé mode passif assisté par batterie, ou BAP), la puce émet un nouveau code de protocole, distinct du code normal qu'elle transmet lorsqu'elle est en mode passif. Un lecteur peut alors interpréter ce nouveau code comme un signal qu'un stimulus d'intérêt a été détecté.

Kantareddy affirme que cette conception à base de puces peut créer des capteurs RFID plus fiables que les conceptions à base d'antennes, car elle sépare essentiellement les capacités de détection et de communication d'une étiquette. Dans les capteurs à antenne, la puce qui stocke les données et l'antenne qui transmet les données dépendent des ondes radio réfléchies dans l'environnement. Avec cette nouvelle conception, une puce n'a pas besoin de dépendre d'ondes radio perturbatrices pour détecter quelque chose.

"Nous espérons que la fiabilité des données augmentera", déclare Kantareddy. "Il y a un nouveau code de protocole ainsi que l'augmentation de la force du signal chaque fois que vous détectez, et il y a moins de chance pour vous de confondre quand une étiquette détecte ou non."

"Cette approche est intéressante car elle résout également le problème de la surcharge d'informations qui peut être associée à un grand nombre de balises dans l'environnement", explique Bhattacharyya. "Au lieu de devoir constamment analyser des flux d'informations provenant d'étiquettes passives à courte portée, un lecteur RFID peut être placé suffisamment loin pour que seuls les événements importants soient communiqués et doivent être traités."

Capteurs "plug-and-play"

À titre de démonstration, les chercheurs ont mis au point un capteur de glucose RFID. Ils ont mis en place des électrodes de détection de glucose disponibles dans le commerce, remplies d'électrolyte glucose oxydase. Lorsque l'électrolyte interagit avec le glucose, l'électrode produit une charge électrique, agissant comme une source d'énergie locale ou une batterie.

Les chercheurs ont attaché ces électrodes à la puce mémoire et au circuit d'une étiquette RFID. Lorsqu'ils ont ajouté du glucose à chaque électrode, la charge résultante a fait passer la puce de son mode d'alimentation RF passif au mode d'alimentation assistée par charge locale. Plus ils ajoutaient de glucose, plus la puce restait longtemps dans ce mode d'alimentation secondaire.

Kantareddy dit qu'un lecteur, détectant ce nouveau mode d'alimentation, peut l'interpréter comme un signal indiquant que du glucose est présent. Le lecteur peut éventuellement déterminer la quantité de glucose en mesurant le temps pendant lequel la puce reste en mode batterie : plus elle reste longtemps dans ce mode, plus il doit y avoir de glucose.

Alors que le capteur de l'équipe était capable de détecter le glucose, ses performances étaient inférieures à celles des capteurs de glucose disponibles dans le commerce. L'objectif, dit Kantareddy, n'était pas nécessairement de développer un capteur de glucose RFID, mais de montrer que la conception du groupe pouvait être manipulée pour détecter quelque chose de plus fiable que les capteurs basés sur des antennes.

"Avec notre conception, les données sont plus fiables", déclare Kantareddy.

La conception est également plus efficace. Une étiquette peut fonctionner passivement sur l'énergie RF réfléchie par un lecteur à proximité jusqu'à ce qu'un stimulus intéressant se produise. Le stimulus lui-même produit une charge qui alimente la puce d'une étiquette pour envoyer un code d'alarme au lecteur. L'acte même de détection produit donc une puissance supplémentaire pour alimenter la puce intégrée.

"Puisque vous obtenez de l'énergie à partir des RF et de vos électrodes, cela augmente votre portée de communication", explique Kantareddy. "Avec cette conception, votre lecteur peut être à 10 mètres, plutôt qu'à 1 ou 2. Cela peut réduire le nombre et le coût des lecteurs dont, par exemple, une installation a besoin."

À l'avenir, il prévoit de développer un capteur de monoxyde de carbone RFID en combinant sa conception avec différents types d'électrodes conçues pour produire une charge en présence du gaz.

"Avec des conceptions basées sur des antennes, vous devez concevoir des antennes spécifiques pour des applications spécifiques", explique Kantareddy. "Avec les nôtres, vous pouvez simplement brancher et jouer avec ces électrodes disponibles dans le commerce, ce qui rend toute cette idée évolutive. Ensuite, vous pouvez en déployer des centaines ou des milliers, dans votre maison ou dans une installation où vous pouvez surveiller des chaudières, des réservoirs de gaz ou des tuyaux. "

Cette recherche a été soutenue, en partie, par l'organisation GS1.

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