[论文解读] 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 22

一句话总结

本文提出了一种面向物联网的全新愿景：移动机器人与长距离、无电池的UHF RFID传感器标签交互，实现在真实环境中的直接、具身化传感。通过配备RFID读取器的自主地面机器人和多旋翼无人机，作者在土壤湿度监测、水质传感、基础设施检测和远程传感器部署等原型应用中进行了验证，成功实现了最远10米距离的标签读取。

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.

研究动机与目标

• 探索将移动机器人与长距离、无电池的UHF RFID传感器标签集成，以实现直接环境传感。
• 展示自主机器人在真实户外应用中读取RFID标签传感器数据的可行性。
• 展示UHF RFID传感器标签作为机器人与物联网应用中可扩展、低成本且耐用的传感解决方案的潜力。
• 评估使用机器人在难以到达或偏远区域部署并交互传感器化RFID标签的实际可行性。
• 比较UHF RFID传感器标签相较于蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy）等现有技术在直接传感机器人应用中的优势。

提出的方法

• 为地面机器人和四旋翼无人机配备商用UHF RFID读取器，以与传感器化RFID标签交互。
• 使用Farsens Hydro标签进行土壤湿度传感，该标签具备长距离通信能力、无电池供电，并可测量环境参数。
• 通过无人机搭载的机械臂将标签部署至墙面或树冠中，利用其背胶固定。
• 通过无人机在水体上空飞行，利用电阻感应型RFID标签测量水体电导率，开展远程传感实验。
• 通过无人机飞越建筑物支撑梁并读取其上固定标签的湿度信息，开展基础设施监测。
• 通过手动控制评估标签在最远10米距离下的可读性，并成功从全部三个标签获取数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 移动机器人能否在真实户外环境中可靠地读取长距离、无电池的UHF RFID传感器标签的数据？
• RQ2 自主机器人在部署传感器化RFID标签至难以到达区域（如建筑外墙或树冠）方面的效率如何？
• RQ3 在需要直接环境传感的机器人应用中，UHF RFID传感器标签相较于蓝牙低功耗传感器有何实际优势？
• RQ4 UHF RFID传感器标签能否实现对土壤湿度、水质和结构完整性等环境参数的可扩展、低成本且长期的监测？
• RQ5 在物联网与机器人应用中，将移动机器人与传感器化RFID标签集成所面临的系统级挑战与机遇是什么？

主要发现

• 作者成功在田间环境中通过搭载UHF RFID读取器的无人机和地面机器人实现了直接土壤湿度传感，成功读取了Farsens Hydro标签的数据。
• 所有三个相距10米的传感器化RFID标签均被地面机器人成功读取，证实了长距离通信与数据检索的可靠性。
• 无人机通过机械臂将背胶标签成功部署至墙面，并在后续重新读取，证明了在难以触及区域远程部署标签的可行性。
• 通过RC控制的无人机将电阻感应型RFID标签悬于水中，成功获取了电导率测量数据，展示了长期水质监测的潜力。
• 无人机成功读取了固定在树上的光照感应型RFID标签，表明其在农业中实现植物级监测的潜力。
• 研究证实，UHF RFID传感器标签为机器人应用提供了一种可行、低成本且无电池的传感技术替代方案，具备无限工作寿命和低于0.10美元的单位成本。