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RFID檢測創(chuàng)新技術助力食品安全
發(fā)布時間：2019-09-26近日，美國麻省理工學院(MIT)媒體實驗室(MediaLab)的研究人員們開發(fā)出一種無線系統(tǒng)，采用在數以億計產品上廣泛使用的RFID標簽來檢測食品污染，而且無需任何硬件修改。研究人員希望通過這種簡單、可拓展的系統(tǒng)，向大眾普及食品安全檢測。
描述這一系統(tǒng)論文已成為國際計算機學會研討會的網絡熱門話題。論文合著者包括：媒體實驗室助理教授FadelAdib、第一作者博士后UnsooHa、博士后YunfeiMa、訪問研究員ZexuanZhong、電氣與計算機科學系研究生Tzu-MingHsu。
技術
研究人員開發(fā)的系統(tǒng)稱為“RFIQ”，內含一個閱讀器。當RFID標簽發(fā)出無線信號與食品進行交互時，感知信號每分鐘的變化。他們在這項研究中主要關注了嬰幼兒配方奶粉與酒。
這項技術是基于：RFID標簽發(fā)出的信號會根據產品中特定污染物的水平而產生特定的變化。機器學習模型“學習”這些相關性，如果有一種新材料，它就可以預測材料是純凈的還是受污染的，以及受污染的程度。在實驗中，系統(tǒng)檢測含三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉的精準度達96%，檢測甲醇稀釋的酒精的精準度達97%。
對于檢測食品中的化學物質或者腐敗來說，目前已經開發(fā)出一些其他的傳感器，但是那些都是高度專業(yè)化的系統(tǒng)，傳感器涂有化學物質，并被訓練去檢測特定的污染物。媒體實驗室的研究人員們的目標是致力于更廣泛的感知。FadelAdib表示：“我們將這種檢測完全轉移至計算側，你將可采用非常廉價的傳感器檢測各種產品，例如酒和嬰兒配方奶粉。”
RFID標簽是含有超高頻微型天線的貼紙。它們貼在食品和其他物品上，每個標簽大約花費三到五美分。傳統(tǒng)意義上說，稱為“閱讀器”的無線設備用于感知標簽，使標簽上電并發(fā)出一個獨特的信號，其中包含它所粘貼的產品的信息。
當RFID標簽上電時，它們發(fā)出的小型電磁波會傳輸到容器內的食品中，食品中的離子及分子使之產生失真。這個過程也稱為“弱耦合”。從根本上說，如果材料的特性發(fā)生改變，信號的特征也隨之改變。
一個關于特征失真的簡單例子，就是裝有空氣或者水的容器。如果容器是空的，那么RFID將總是響應950兆赫的電磁波。如果容器裝有水，那么水會吸收一些頻率，并且它主要的響應是720兆赫左右。特征失真對于不同材料和不同污染物的檢測是更加細粒度的。Ha表示：“此類信息可用于分類材料，在摻雜與純凈的材料之間顯示出不同的特征?！?/p>
在研究人員的系統(tǒng)中，閱讀器激發(fā)出的無線信號為食物容器中的RFID標簽上電。電磁波穿透容器內部的材料，并且給閱讀器返回失真的幅度(信號強度)與相位(角度)。
當閱讀器提取信號特征時，它將這些數據發(fā)送至一臺獨立電腦上的機器學習模型。在訓練中，研究人員告知模型，純凈或摻雜的材料會有什么樣相應的特征變化。這項研究中，他們采用純凈的酒和含有25%、50%、75%、100%甲醇的酒;他們采用的嬰兒配方奶粉摻有不同程度的三聚氰胺，從0到30%。
Adib表示：“那么，模型將自動學習哪個頻率最會受到這種百分比水平的污染的影響。當我們獲取到新樣本后，例如，20%的甲醇，模型會提取【特征】并為它們稱重，并告訴你們，‘我認為這是20%的甲醇的可能性很高?！?/p>
系統(tǒng)的設計理念源自一種稱為“射頻頻譜學”的技術，它用寬頻電磁波刺激材料，并測量各種形式的交互，從而判斷材料的組成。
但是，將這項技術用于系統(tǒng)存在一個主要挑戰(zhàn)：RFID標簽只能在950兆赫左右的非常窄的帶寬內上電。在這樣受限的帶寬中提取的信號無法采集到任何有用信息。
研究人員們早期開發(fā)了一項稱為“雙頻激發(fā)”的技術，他們的新技術是在這個上面構建起來的。“雙頻激發(fā)”技術發(fā)送兩個頻率來測量數百個頻率，一個頻率用于激活，一個頻率用于感知。閱讀器發(fā)送一個位于950兆赫左右的信號為RFID標簽上電。當標簽激活時，閱讀器再發(fā)送另外一個頻率掃過約從400兆赫至800兆赫的頻率范圍。它檢測到所有這些頻率帶來的特征變化，并將它們反饋至閱讀器。
Adib表示：“這種響應方式，就像我們將廉價的RFID轉化為成微型射頻攝譜儀。”
由于容器的形狀和其他環(huán)境因素會影響信號，研究人員目前正致力于保證系統(tǒng)能夠考慮到這些變量。他們也在想辦法拓展系統(tǒng)的容量，去檢測許多不同的材料中的許多不同的污染物。
Adib表示：“我們想要適應任何環(huán)境。這就需要我們變得非常健壯，因為你想要學習提取正確的信號，消除環(huán)境對于材料內部的影響?！?/p>
價值
FadelAdib表示：“近年來，如果我們擁有自己的工具去具有感知食品質量與安全，那么許多與食品以及飲品相關的危險都能避免。我們想要實現食品質量與安全的民主化，并使得每個人都能擁有它?！?/p>
未來，消費者們將擁有他們自己的閱讀器與軟件，在購買任何商品之前，都可以進行食品安全感知。研究人員稱，系統(tǒng)也將在超市庫房或者智能冰箱中實現，持續(xù)地感知RFID標簽，自動檢測食物變質。
