[論文レビュー] A New Vision for Smart Objects and the Internet of Things: Mobile Robots and Long-Range UHF RFID Sensor Tags

Jennifer Wang, Erik Schluntz+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2015

Modular Robots and Swarm IntelligenceEngineering参考文献 23被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、モバイルロボットが長距離・バッテリー不要のUHF RFIDセンサータグと相互作用することで、現実世界の環境において直接的で身体的（エンジンダブル）なセンシングを実現する、IoTの新しいビジョンを提唱する。自律走行型および垂直離着陸型のロボットにRFIDリーダーを搭載し、土壌水分モニタリング、水質センシング、インfra構造物点検、リモートセンサードロップなど、プロトタイプの応用を実証した。タグの読み取り距離は最大10メートルに達した。

ABSTRACT

We present a new vision for smart objects and the Internet of Things wherein mobile robots interact with wirelessly-powered, long-range, ultra-high frequency radio frequency identification (UHF RFID) tags outfitted with sensing capabilities. We explore the technology innovations driving this vision by examining recently-commercialized sensor tags that could be affixed-to or embedded-in objects or the environment to yield true embodied intelligence. Using a pair of autonomous mobile robots outfitted with UHF RFID readers, we explore several potential applications where mobile robots interact with sensor tags to perform tasks such as: soil moisture sensing, remote crop monitoring, infrastructure monitoring, water quality monitoring, and remote sensor deployment.

研究の動機と目的

• 長距離・バッテリー不要のUHF RFIDセンサータグとモバイルロボットを統合し、直接的な環境センシングを実現すること。
• 自律ロボットが実世界の屋外環境でRFIDタグからセンサデータを読み取る実現可能性を実証すること。
• UHF RFIDセンサータグがロボティクスおよびIoT応用分野において、スケーラブルで低コストかつ耐久性に優れたセンシングソリューションとしての可能性を示すこと。
• 到達困難な場所や遠隔地における、ロボットによるセンサータグの設置および相互作用の実用性を評価すること。
• 直接的センシングを要するロボティクス応用において、Bluetooth Low Energy（BLE）と比較した場合にUHF RFIDセンサータグが有する利点を比較すること。

提案手法

• 商用UHF RFIDリーダーを地上ロボットおよびクアッドコプタードローンに搭載し、センサータグと相互作用させた。
• 土壌水分センシングにFarsens Hydroタグを用い、長距離通信が可能でバッテリー不要であり、環境パラメータを測定可能である。
• ドローン搭載のボンアームを用いて、接着テープを備えたタグを壁面や木の上部に設置した。
• ドローンを水体上空で飛行させ、抵抗センシングRFIDタグを用いて水の電気伝導度を測定する遠隔センシング実験を実施した。
• 建物の補強部材に固定したタグから湿り気を測定するドローン飛行によるインfra構造物点検を実施した。
• 手動操作による距離10メートルまでのタグ読み取り評価を実施し、3つのタグすべてから正常なデータ取得を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モバイルロボットは、屋外の現実世界環境において、長距離・バッテリー不要のUHF RFIDセンサータグから安定してセンサデータを読み取ることができるか？
• RQ2 自律ロボットは、建物の外壁や木の葉の冠部など到達困難な場所にセンサータグを設置するのにどの程度有効であるか？
• RQ3 直接的環境センシングを要するロボティクス応用において、UHF RFIDセンサータグはBluetooth Low Energyセンサータグに比べて実用的な利点を有するか？
• RQ4 UHF RFIDセンサータグは、土壌水分、水質、構造的健全性といった環境パラメータのスケーラブルで低コストかつ長期的な監視を可能にするか？
• RQ5 IoTおよびロボティクス応用分野におけるモバイルロボットとセンサータグを統合するにあたり、システムレベルでの課題と機会は何か？

主な発見

• 地上ロボットおよびドローンにUHF RFIDリーダーを搭載した状態で、フィールド環境下でFarsens Hydroタグを用いた直接的な土壌水分センシングを成功裏に実証した。
• 10メートル離れた3つのセンサータグすべてが地上ロボットによって正常に読み取られ、長距離通信およびデータ取得の信頼性を確認した。
• ボンアームを搭載したドローンが、接着テープを備えたセンサータグを壁面に設置し、後続で再読み取りを実施した。これにより、到達困難な場所へのタグ設置の実現可能性を裏付けた。
• RC制御ドローンを用いて水に吊るされた抵抗センシングRFIDタグから電気伝導度を測定した。これにより、長期間にわたる水質監視の可能性を示した。
• ドローンが木に固定した光センシングRFIDタグからデータを正常に読み取った。これにより、農業分野における植物レベルのモニタリングの可能性を示した。
• 本研究では、UHF RFIDセンサータグが、ロボティクス応用分野において、代替可能な低コストでバッテリー不要のソリューションであることを確認した。無期限に稼働可能であり、単位コストは0.10ドル未満である。