摘要: 針對無損檢測與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)，介紹了一種無源無線射頻識別(Radio frequency identification，RFID)監(jiān)測傳感器，并揭示了其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，特別是在航空航天領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。然后，從傳感機(jī)制、信號測量、特征分析與提取等多角度對RFID傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用和存在的問題進(jìn)行了全面闡述。最后，對RFID傳感技術(shù)的發(fā)展前景和研究方向做了展望。本文為RFID傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

Passive Wireless RFID Sensors and Their Applications in Structural Health Monitoring

Abstract: Aiming at the development trends, the problems, and challenges met for the current non-destructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) technologies, we introduce a kind of passive wireless radio frequency identification (RFID) sensor, and uncover its potential application in SHM, especially in the area of aerospace. We categorize the problems in the applications of RFID sensing technique for SHM from multiple perspectives: sensing mechanism, signal measurement, feature analysis and extraction. Moreover, the future directions for RFID sensing technique are pointed out as well. This paper can provide guidance for the application of RFID sensing technique in the area of SHM.

Key words:radio frequency identification(RFID)    passive wireless sensor    non-destructive testing(NDT)    structural health monitoring(SHM)    crack    

在軌道交通、石油天然氣管道、航空航天、核能和電力設(shè)備等重要領(lǐng)域，金屬構(gòu)件(鋼、鐵、鋁及鈦合金等)是重要組成部分。受極端環(huán)境影響及頻繁的應(yīng)力作用，腐蝕及裂紋具有極大危害性[1]。因此，對大規(guī)模設(shè)施生命周期內(nèi)的長期監(jiān)測是保證其安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。人們利用分辨率、靈敏度及可靠性高的無損檢測技術(shù)，如超聲波、脈沖渦流和渦流脈沖熱成像，來定期巡檢以防止?jié)撛诘慕Y(jié)構(gòu)問題。傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)由于設(shè)備笨重、檢測速度慢、可檢測范圍小及自動化程度低，在檢測大規(guī)模設(shè)施中的潛在損傷，特別是在復(fù)雜環(huán)境下的損傷時(shí)，往往可行性差且花費(fèi)巨大[2]。因此，大規(guī)模設(shè)施生命周期內(nèi)多缺陷的智能化檢測問題對無損檢測技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)：一方面促使無損檢測技術(shù)向高速、多物理場及多技術(shù)融合等方向發(fā)展；另一方面，也促使無損檢測技術(shù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)相融合[3]。

分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)將基于時(shí)間的維護(hù)變成節(jié)約成本的基于狀況的維護(hù)，是保障大規(guī)模設(shè)施結(jié)構(gòu)健康的有力選擇。傳感器節(jié)點(diǎn)的成本是限制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布于大規(guī)模設(shè)施、從而影響結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測大數(shù)據(jù)收集的關(guān)鍵因素[4]。當(dāng)前大多數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)使用電池供電，而處置數(shù)十億電池將對環(huán)境造成長期風(fēng)險(xiǎn)[5]。同時(shí)，有限的電池壽命限制了傳感節(jié)點(diǎn)部署的粒度并增加了維護(hù)成本。具有無線能量獲取(及存儲)裝置的傳感節(jié)點(diǎn)雖然以犧牲部分性能為代價(jià)，如通信速率，但由于成本及維護(hù)等方面的優(yōu)勢，適合大規(guī)模結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測[6]。

射頻識別(Radio frequency identification，RFID)傳感技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)新型傳感技術(shù)。該技術(shù)在RFID標(biāo)識和追蹤的基礎(chǔ)上被賦予感知功能[7]，可以利用傳感裝置檢測被標(biāo)識物體及其周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)信息，具有低成本、低功耗、智能化及無線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)；同時(shí)可以附著在被檢測對象表面或植入被檢測對象中，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測被檢測對象及環(huán)境的狀態(tài)變化[8]。RFID傳感技術(shù)在食品、藥品、環(huán)境、結(jié)構(gòu)和人員等健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。但是，目前帶獨(dú)立傳感裝置的RFID傳感器存在一定的技術(shù)不足及發(fā)展瓶頸，如功耗大以及通信距離短等問題[9-10]。

本文介紹了一種無源無線RFID監(jiān)測傳感器，并從傳感機(jī)制、信號測量、特征分析與提取等多角度對RFID傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用和存在的問題進(jìn)行了全面闡述。同時(shí)，對其發(fā)展前景和研究方向進(jìn)行了展望。

1 RFID傳感器概述

根據(jù)工作原理，RFID傳感器可分為RFID電磁傳感器，RFID標(biāo)簽集成傳感器，RFID標(biāo)簽陣列和RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)4大類[11]。前兩種比較常用，后兩種是前者的功能擴(kuò)展。進(jìn)一步，根據(jù)有無芯片，RFID電磁傳感器又可以分為有芯片傳感器和無芯片傳感器[12]。本文中RFID傳感器表示使用天線(電磁)來“感知”事物的一種帶芯片傳感器。圖 1描述了基于RFID傳感技術(shù)的大規(guī)模無源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用范例。RFID傳感網(wǎng)絡(luò)也是未來低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(Low-power wide-area network, LPWAN)的重要組成部分，即可以通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow band-internet of things, NB-IoT)接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。未來的物聯(lián)網(wǎng)將包括異質(zhì)連接設(shè)備、物理實(shí)體和虛擬組件的使用，從而進(jìn)一步擴(kuò)展世界的邊界[13]。而中間件用于集成潛在的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過邊緣服務(wù)器與云計(jì)算系統(tǒng)無縫對接。

圖 1 無源RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)及在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用Figure 1 Passive RFID sensor network and its application in structural health monitoring

RFID傳感技術(shù)基本工作過程為標(biāo)簽天線接收閱讀器發(fā)送的連續(xù)電磁波，其在金屬表面感應(yīng)出渦流。當(dāng)天線邊界條件改變，如天線依附區(qū)域金屬表面發(fā)生缺陷或周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，天線電磁場分布、天線輸入阻抗和增益等近遠(yuǎn)場參量亦相應(yīng)發(fā)生變化，這一變化通過反向散射通信被閱讀器以反向散射功率及相位等模擬量形式接收，進(jìn)而可以根據(jù)接收到的信號提取特征信息并反演所標(biāo)識物體的缺陷。由于不需要額外的電子或傳感器件，該技術(shù)能進(jìn)一步降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗及成本，并提高系統(tǒng)的通信距離，是節(jié)點(diǎn)成本或壽命受限健康監(jiān)測的重要手段。相關(guān)研究已經(jīng)證明了在天線中植入氣敏、熱敏等材料對環(huán)境條件(例如氣體、溫度、水分等)敏感的RFID傳感器的可行性。同時(shí)，應(yīng)力、腐蝕和裂紋等缺陷也可以通過RFID傳感器監(jiān)測，從而能夠?qū)饘俳Y(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行評估與早期預(yù)警。

目前，標(biāo)簽天線傳感技術(shù)的研究主要集中在標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，試圖通過天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化達(dá)到傳感與通信的權(quán)衡[14]。對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用研究主要集中在裂紋的監(jiān)測與評估上。Mohammad等[15]提出了微帶貼片RFID傳感器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其對裂紋生長的監(jiān)測，靈敏度可達(dá)22 MHz/mm，證明了利用雙諧振(TM01和TM10模式)微帶貼片天線結(jié)構(gòu)能檢測出裂紋方向[16]，并給出了檢測靈敏度與天線有效介電常數(shù)近似線性相關(guān)的證明[17]。Yi等[18]對微帶天線裂紋傳感器的機(jī)理和電磁模型做了仿真與實(shí)測研究，并提出了一種折疊式微帶天線結(jié)構(gòu)，可以檢測0.13~0.53 mm寬度的裂紋。Caizzone等[19]采用相位測量，將裂紋分辨率深入到亞微米級。Kalansuriya等[20]采用返回信號強(qiáng)度(Received signal strength indicator, RSSI)監(jiān)測裂紋，并證明其在室內(nèi)1 m范圍內(nèi)可以有效工作。

在目前的航空領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等的使用可以極大地減輕飛行器重量并提高其燃料效率，是未來飛行器發(fā)展的方向[21]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是監(jiān)控這些新結(jié)構(gòu)部件完整性并實(shí)現(xiàn)按需維護(hù)的主要解決方案，而傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)(包括超聲、聲發(fā)射、紅外熱成像和微波檢測等)在新領(lǐng)域的應(yīng)用中受到挑戰(zhàn)[22]。無線傳感器的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取是無損檢測與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測融合的關(guān)鍵技術(shù)。RFID傳感器因其節(jié)點(diǎn)相對輕巧、系統(tǒng)簡單、方便安裝且易于組網(wǎng)等應(yīng)用方面的靈活性使其比傳統(tǒng)傳感技術(shù)具有更為廣闊的應(yīng)用前景。Gasco等[23]采用應(yīng)力計(jì)作為傳感裝置，設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)并具有能量采集功能的標(biāo)簽平臺。該平臺被分布在碳纖維復(fù)合材料表面來檢測應(yīng)力變化，而如何有效獲取能量是該類分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)需要考慮的實(shí)際問題[24]。由于較大的趨膚深度及較小的天線尺寸[22]，低頻和高頻RFID無線能量傳輸技術(shù)被用來給植入到復(fù)合材料內(nèi)部的Lamb波傳感器供能[25]，并證明了在大尺度范圍內(nèi)檢測分布式傳感器之間發(fā)生沖擊損傷的可能性[24, 26]。

2 RFID傳感技術(shù)的系統(tǒng)組成

RFID傳感技術(shù)實(shí)為模擬感知，其傳感依賴于天線模式擾動及由此引起的阻抗失配，因此研究天線模式分布是提高傳感精度及實(shí)現(xiàn)對不同類型、形態(tài)和尺寸缺陷可靠檢測的關(guān)鍵。RFID傳感技術(shù)在通信過程中傳輸感知信息，通信與傳感會相互影響。實(shí)際環(huán)境中對信噪比產(chǎn)生影響的因素，如非視距傳播[27]、收發(fā)器結(jié)構(gòu)[28]等，會引起傳感系統(tǒng)性能的降低。由于信道隨環(huán)境變化，簡單地測量幅度或相位信息來量化缺陷，而不對系統(tǒng)進(jìn)行建模并將特征提取方法與天線的模式擾動在物理層面上統(tǒng)一起來，將很難提高系統(tǒng)的靈敏度及可靠性。本節(jié)從標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)、參數(shù)測量與特征提取技術(shù)等角度闡述了RFID傳感技術(shù)的系統(tǒng)組成及提高系統(tǒng)靈敏度和可靠性的難點(diǎn)和解決方法。

2.1 RFID傳感器檢測原理與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

根據(jù)RFID標(biāo)簽識別方法不同，RFID傳感技術(shù)原理分為基于磁感應(yīng)耦合傳感和使用天線駐波或消逝模式傳感兩種。圖 2(a)描述了復(fù)鏡像理論[29], 圖 2(b)描述了基于磁感應(yīng)耦合的傳感機(jī)制。由圖 2(b)可以看出，由RFID傳感器天線產(chǎn)生的磁場在金屬表面附近引出渦流，其又產(chǎn)生與初始磁場相反的次級磁場[30]，結(jié)果在傳感器天線和目標(biāo)之間出現(xiàn)磁耦合(由互感M表示)[31]，耦合強(qiáng)度隨金屬趨膚深度及缺陷的產(chǎn)生及傳播變化。

圖 2 RFID傳感技術(shù)工作原理Figure 2 Operation mechanism for RFID sensing technique

與磁感應(yīng)耦合傳感類似，超高頻RFID傳感器使用天線駐波或消逝模式(近場)進(jìn)行檢測。天線輸入阻抗的電抗部分對應(yīng)于存儲的非輻射凈能量并受其下方金屬缺陷的影響。與磁感應(yīng)耦合不同的是，超高頻RFID的傳感信息通過傳播模式(遠(yuǎn)場)以正向開啟功率和RSSI等形式傳送到閱讀器，但會受到附近物體的影響。為了提高RFID傳感器的靈敏度，標(biāo)簽天線接收的功率應(yīng)當(dāng)被限制在小區(qū)域中并且被重新分布，以適當(dāng)?shù)嘏c待檢測樣件上可能發(fā)生的缺陷相互作用。設(shè)計(jì)RFID傳感器主要涉及的問題有[32-33]：

(1) 可安裝在金屬表面。用于金屬安裝的RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)受到一些限制，如低成本、小輪廓和共形結(jié)構(gòu)等。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮該傳感器可以在各種尺寸和形狀的導(dǎo)體表面良好工作。

(2) 傳感導(dǎo)向。天線作為傳感器，應(yīng)能正確可靠地檢測和表征金屬表面缺陷，至少在大多數(shù)重要范圍內(nèi)保持單調(diào)和足夠敏感。設(shè)計(jì)RFID傳感器時(shí)需對多尺度、多物理的缺陷及其傳播/演變行為進(jìn)行合理建模，指導(dǎo)天線工作模式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇。

(3) 性能平衡或折衷。RFID傳感器兼具通信與傳感能力，而通信和傳感能力可能具有相反的需求：標(biāo)簽的天線通常設(shè)計(jì)為在健康狀態(tài)下與標(biāo)簽芯片共軛匹配，而缺陷的產(chǎn)生及傳播會引起標(biāo)簽天線與芯片的阻抗失配，這將導(dǎo)致通信距離的減小。也就是說，靈敏度或動態(tài)范圍是受限的，因此設(shè)計(jì)RFID傳感器時(shí)需考慮性能的平衡或折衷。

(4) RFID傳感器的穩(wěn)定性。傳感器的安裝必然對樣件的機(jī)械特性和缺陷的產(chǎn)生及傳播產(chǎn)生影響，同時(shí)傳感器長期處于惡劣環(huán)境下的可靠性也是該類傳感器永久安裝及在線監(jiān)測面臨的挑戰(zhàn)。

2.2 射頻收發(fā)機(jī)及無線測量原理

反向散射的目的是改變標(biāo)簽天線的雷達(dá)散射截面(Radar cross section, RCS), 從而在閱讀器端解調(diào)返回信號以獲取標(biāo)簽的唯一識別碼(Unique identification, UID)等信息[34]。從散射理論出發(fā)，標(biāo)簽天線的反射場可以分解為結(jié)構(gòu)散射項(xiàng)和天線散射項(xiàng)。其中，天線散射項(xiàng)表征的標(biāo)簽天線反射入射信號的能力受天線的負(fù)載控制[35]。由于閱讀器到標(biāo)簽的距離通常先驗(yàn)未知，大多數(shù)閱讀器采用同相/正交(In-phase/quadrature, I/Q)解調(diào)并旋轉(zhuǎn)接收的星座圖，直到它在解調(diào)之前落在實(shí)軸上，而不論標(biāo)簽芯片采用的是幅移鍵控(Amplitude shift keying, ASK)或相移鍵控(Phase shift keying, PSK)[36]。

在靜態(tài)信道條件下，閱讀器端反向散射調(diào)制載波經(jīng)過下變頻所得的基帶信號可以分解為直流信號和包含來自標(biāo)簽UID等信息的時(shí)變信號[37]，其中直流部分又包含閱讀器發(fā)射-接收泄漏、靜態(tài)環(huán)境雜波和來自標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)的反向散射[38]。RFID傳感系統(tǒng)閱讀器射頻收發(fā)機(jī)及輸出信號所受影響如圖 3所示。為了減少環(huán)境和收發(fā)機(jī)本振泄露等因素的影響，接收基帶信號的直流部分將被濾除[39]。去除直流信號后，I路和Q路差分信號I/Q受標(biāo)簽和閱讀器天線之間的距離、增益、有效高度和極化方式等影響。缺陷信息也一起在I/Q信號中以模擬形式給出[40]。此外，I/Q信號還受信道慢衰落、快衰落及噪聲等因素影響。

圖 3 正交解調(diào)收發(fā)機(jī)架構(gòu)及正交解調(diào)信號受到的影響Figure 3 Architecture of transceiver for quadrature demodulation and interference for in-phase and quadrature signals (I/Q)

對于雙射線傳播模型，接收機(jī)的信噪比按閱讀器到標(biāo)簽距離的四次方比例遞減[41]。為了解決在真實(shí)環(huán)境下的魯棒測量問題，Marrocco等[42]提出了多芯片阻抗測量技術(shù)，還利用正向開啟功率與RSSI相結(jié)合的方法抵消天線距離和姿態(tài)引起的傳播損耗[43]，從而得到只與標(biāo)簽阻抗相關(guān)的量綱為一的量AID(Analog identifier)[44]。Saarinen等[45]研究了帶芯片標(biāo)簽綁定后的失效模型，證明了空氣濕度變化及在使用過程中(化學(xué)或物理)引入的在各向異性導(dǎo)電膠綁定點(diǎn)附近的表面微裂紋是導(dǎo)致阻抗失配的關(guān)鍵因素。Vera等[46]分析了標(biāo)簽芯片由整流二極管引入的輸入阻抗非線性特征，并指出其可用來提高傳感靈敏度[47]。Hasani等[48]利用文獻(xiàn)[46]中的特征進(jìn)行了進(jìn)一步研究，通過測量差分雷達(dá)散射截面提取阻抗信息以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

在RFID系統(tǒng)長期運(yùn)行過程中，由于環(huán)境條件(水分、溫度和電磁干擾等)的不斷變化，模擬傳感信息的重復(fù)性差，因而通常導(dǎo)致測量的不一致[23]。通過特定實(shí)驗(yàn)平臺，RSSI表現(xiàn)出0.5~2 dB的不確定度，而這個不確定度依賴于測量儀器，這意味著只有具有大動態(tài)范圍的傳感器可用于實(shí)際場合[49]。在沒有校準(zhǔn)時(shí)，AID有1 dB的不確定度[50]。在最壞情況下，正向開啟功率的不確定度達(dá)到3 dB, 而RSSI的不確定度達(dá)到6 dB[51]。因此，與正向開啟功率和RSSI等功率參量相比，AID在重復(fù)性和可靠性方面更優(yōu)。

2.3 特征提取與反演

減輕或分離由信道、接收機(jī)等因素引起的多種干擾以從RFID傳感系統(tǒng)獲得魯棒的傳感信息是至關(guān)重要的。對于窄帶超高頻RFID系統(tǒng)，由缺陷導(dǎo)致的諧振頻率偏移(Resonant frequency shift, RFS)不受信道衰落的影響，因而具備簡單性和魯棒性，所以被廣泛提取成為特征以表征缺陷[17]。對比于易受環(huán)境影響的RSSI和相位測量[49]，通過測量標(biāo)簽正向開啟功率并利用諧振偏移作為特征具有較好的抗干擾能力，但窄帶系統(tǒng)中較小的可用帶寬對天線的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。為了提高靈敏度，需要較高品質(zhì)因數(shù)的天線，這將加劇傳感與通信的折衷[14]并使安裝復(fù)雜化。同時(shí)，RFS僅利用整個頻段內(nèi)傳感數(shù)據(jù)的局部結(jié)構(gòu)，因而可能失去存在于給定數(shù)據(jù)全局結(jié)構(gòu)中的重要信息[52]。為了可靠評估缺陷，一方面，需要選擇魯棒性能高的傳感數(shù)據(jù)，如AID；另一方面，也可利用特征提取方法來改善上述問題。

特征模式分析是在天線設(shè)計(jì)中廣泛使用的方法。該方法通過發(fā)現(xiàn)和檢查結(jié)構(gòu)的固有模式來了解結(jié)構(gòu)的潛在諧振特性[53]。這也是用來建立阻抗擾動和特征提取之間物理聯(lián)系的橋梁。模式識別方法可以用于特征提取并分離干擾。特別地，作為典型的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，主成分分析和獨(dú)立分量分析被廣泛地用作特征提取器，因?yàn)樗鼈兡軌蛘业阶畲蠓讲畈⑶以诮y(tǒng)計(jì)意義上從期望信號分離干擾信號。進(jìn)一步，不確定性和可實(shí)現(xiàn)的分辨率方面的實(shí)際限制表明，低成本RFID傳感器能用于損傷的分類。也就是說，模擬RFID傳感可以被視為分類問題。因此良好評估的分類算法也可以提高系統(tǒng)靈敏度或魯棒性[51]。

3 總結(jié)與展望

在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時(shí)代，將無損檢測技術(shù)衍生到泛在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是新興的研究方向。無源、無線及低成本RFID傳感技術(shù)有著巨大的研究和應(yīng)用價(jià)值。受標(biāo)簽天線增益、無線信道傳播損耗及障礙物引起的大尺度和小尺度衰落影響，基于反向散射通信的超高頻RFID傳感器技術(shù)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于系統(tǒng)靈敏度和魯棒性等關(guān)鍵性能的提高。針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用需求，本文對RFID傳感技術(shù)在金屬材料裂紋檢測及復(fù)合材料的潛在應(yīng)用作了綜述分析。針對現(xiàn)有窄帶模擬超高頻RFID傳感系統(tǒng)魯棒性差等問題，從多學(xué)科交叉角度系統(tǒng)地闡述了RFID傳感技術(shù)的傳感機(jī)制、測量原理及特征提取，為RFID傳感器及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)依據(jù)。然而，在RFID傳感技術(shù)研究過程中新方向和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，依然有一些突出問題亟待解決：

(1) 大規(guī)模標(biāo)簽的防碰撞問題。已經(jīng)有幾個標(biāo)準(zhǔn)組織，如ISO和EPC Global，允許在各種環(huán)境和標(biāo)簽配置下以較低數(shù)據(jù)率同時(shí)讀取多個標(biāo)簽[54]。泛在RFID傳感網(wǎng)絡(luò)具有更高的通信速率，因而RFID傳感網(wǎng)絡(luò)可能是上行鏈路受限。壓縮感應(yīng)(Compressive sensing，CS)可用于減少ID搜索空間，在更短的時(shí)間內(nèi)讀取更多的標(biāo)簽[55]。這項(xiàng)技術(shù)還可以降低標(biāo)簽端無處不在的計(jì)算所帶來的數(shù)據(jù)速率要求[56]。隨著越來越多的標(biāo)簽加入到RFID傳感網(wǎng)絡(luò)中，為了提高識別率和系統(tǒng)魯棒性，需要在給定區(qū)域中部署更多的閱讀器(或多天線)，這意味著對于給定的頻帶或通道數(shù)，閱讀器之間發(fā)生沖突的可能性將增加[57]。與此同時(shí)，功耗受限的RFID標(biāo)簽芯片只有有限的計(jì)算能力，RFID傳感網(wǎng)絡(luò)的安全問題和隱私保護(hù)也需要解決[58]。

(2) 窄帶模擬通信與特征提取在復(fù)雜環(huán)境下的限制及突破。兼容超高頻RFID協(xié)議使得RFID傳感系統(tǒng)的可用帶寬非常窄，同時(shí)傳感信號模擬特征的提取也加大了閱讀器設(shè)計(jì)的難度或者相應(yīng)地降低了RFID傳感器的靈敏度。自動阻抗匹配能夠部分補(bǔ)償標(biāo)簽天線依附對象變化造成的影響，從而實(shí)現(xiàn)恒定的高讀取性能[59]。將其應(yīng)用于提高標(biāo)簽天線的匹配性能，則可以有效解決傳感和通信之間的折衷問題。例如，由RFMicron提供的可在-40~+ 85 ℃范圍內(nèi)工作的Magnus S傳感器芯片，內(nèi)置片上傳感器及數(shù)字化RSSI存儲器[60]。數(shù)字化信息可以在閱讀器端重建標(biāo)簽天線的RSSI或輸入阻抗，從而消除傳播損耗或信道衰落在反向散射通信中的影響[61]。從模擬到數(shù)字特征的轉(zhuǎn)變，可極大地降低測量的不確定性并提高RFID傳感器和系統(tǒng)的精度和可靠性。

(3) 無芯片RFID標(biāo)簽和系統(tǒng)也是未來的發(fā)展方向[62]。無芯片RFID標(biāo)簽可以通過使用導(dǎo)電油墨印刷技術(shù)在多種基板上制造。由于它不包括任何芯片而僅利用金屬圖案作為天線，標(biāo)簽制造成本將進(jìn)一步降低[63]。標(biāo)簽天線也可打印在可拉伸襯底上并共形于復(fù)雜表面[64]。無芯片陣列結(jié)構(gòu)可以作為智能表皮安裝或植入到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中。無芯片標(biāo)簽的主要挑戰(zhàn)在于UID的生成和測量。可以使用頻分、時(shí)分、空分甚至相位分割來生成UID，每種方法具有各自優(yōu)缺點(diǎn)?；诖耍€可以開發(fā)2D結(jié)構(gòu)圖案，例如，元表面(Meta-surface)[65]、頻率選擇性表面(Frequency selective surface, FSS)，甚至基于吸收體(Absorber)編碼的標(biāo)簽。雖然UID的部分比特用來傳遞感測參量[66]，但無芯片標(biāo)簽RCS測量性能取決于多個因素，例如環(huán)境、極化[67]及校準(zhǔn)等，這限制了系統(tǒng)的讀取距離和可靠性[68]。此外，金屬安裝和多標(biāo)簽防碰撞也面臨挑戰(zhàn)。由于其超低成本和在極端環(huán)境中工作的能力，這類傳感器特別適合短距離多模感知和監(jiān)測應(yīng)用。

(4) 新材料：如石墨烯、功能材料及柔性基板等；新工藝：如3D打印、噴墨印刷等；新應(yīng)用：如智能包裝、可穿戴設(shè)計(jì)和智能醫(yī)療等；微型化：如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)工藝器件片上集成等，也是RFID傳感技術(shù)未來的發(fā)展方向和突破點(diǎn)。大面積電子印刷技術(shù)的快速發(fā)展增加了RFID傳感技術(shù)在大規(guī)模結(jié)構(gòu)中高密度部署的可能性。

(5) 標(biāo)簽之間的通信[69]或標(biāo)簽網(wǎng)格[70-71]，例如空間粒度和串?dāng)_，也可以用來提高標(biāo)簽之間缺陷檢測的分辨力和覆蓋范圍。

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