Application of Ultra-Wideband Technology to RFID and Wireless Sensors

Abstract

Aquesta Tesi Doctoral estudia l'ús de tecnologia de ràdio banda ultraampla (UWB) per sistemes de identificació per radiofreqüència (RFID) i sensors sense fils. Les xarxes de sensors sense fils (WSNs), ciutats i llars intel•ligents, i, en general, l'Internet de les coses (IoT) requereixen interfícies de ràdio simples i de baix consum i cost per un número molt ampli de sensors disseminats. UWB en el domini temporal es proposa aquí com una tecnologia de radio habilitant per aquestes aplicacions. Un model circuital s'estudia per RFID d'UWB codificat en el temps. Es proposen lectors basats en ràdars polsats comercials amb tècniques de processat de senyal. Tags RFID sense xip (chipless) codificats en el temps son dissenyats i caracterizats en termes de número d'identificacions possible, distància màxima de lectura, polarització, influència de materials adherits, comportament angular i corbatura del tag. Es proposen sensors chipless de temperatura i composició de ciment (mitjançant detecció de permitivitat). Dos plataformes semipassives codificades en temps (amb un enllaç paral•lel de banda estreta per despertar el sensor i estalviar energia) es proposen com solucions més complexes i robustes, amb una distància de lectura major. Es dissenya un sensor de temperatura (alimentat per energia solar) i un sensor de diòxid de nitrogen (mitjançant nanotubs de carboni i alimentat per una petita bateria), ambdòs semipassius amb circuiteria analògica. Es dissenya un multi-sensor semipassiu capaç de mesurar temperatura, humitat, pressió i acceleració, fent servir un microcontrolador de baix consum digital. Combinant els tags RFID UWB codificats en temps amb tecnologia de ràdar de penetració del terra (GPR), es deriva una aplicació per localització en interiors amb terra intel•ligent. Finalment, dos sistemes actius RFID UWB codificats en el temps s'estudien per aplicacions de localització de molt llarg abast.

Esta Tesis Doctoral estudia el uso de tecnología de radio de banda ultraancha (UWB) para sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) y sensores inalámbricos. Las redes de sensores inalámbricas (WSNs), ciudades y casas inteligentes, y, en general, el Internet de las cosas (IoT) requieren de interfaces de radio simples y de bajo consumo y coste para un número muy amplio de sensores diseminados. UWB en el dominio temporal se propone aquí como una tecnología de radio habilitante para dichas aplicaciones. Un modelo circuital se estudia para RFID de UWB codificado en tiempo. Configuraciones de lector, basadas en rádar pulsados comerciales, son propuestas, además de técnicas de procesado de señal. Tags RFID sin chip (chipless) codificados en tiempo son diseñados y caracterizados en términos de número de identificaciones posible, distancia máxima de lectura, polarización, influencia de materiales adheridos, comportamiento angular y curvatura del tag. Se proponen sensores chipless de temperatura y composición de cemento (mediante detección de permitividad). Dos plataformas semipasivas codificadas en tiempo (con un enlace paralelo de banda estrecha para despertar el sensor y ahorrar energía) se proponen como soluciones más complejas y robustas, con una distancia de lectura mayor. Se diseña un sensor de temperatura (alimentado por energía solar) y un sensor de dióxido de nitrógeno (mediante nanotubos de carbono y alimentado por una batería pequeña), ambos semipasivos con circuitería analógica. Se diseña un multi-sensor semipasivo capaz de medir temperatura, humedad, presión y aceleración, usando un microcontrolador digital de bajo consumo. Combinando los tags RFID UWB codificados en tiempo y tecnología de radar de penetración de suelo (GPR), se deriva una aplicación para localización en interiores con suelo inteligente. Finalmente, dos sistemas activos RFID UWB codificados en tiempo se estudian para aplicaciones de localización de muy largo alcance.

This Doctoral Thesis studies the use of ultra-wideband (UWB) radio technology for radio-frequency identification (RFID) and wireless sensors. Wireless sensor networks (WSNs) for smart cities, smart homes and, in general, Internet of Things (IoT) applications require low-power, low-cost and simple radio interfaces for an expected very large number of scattered sensors. UWB in time domain is proposed here as an enabling radio technology. A circuit model is studied for time-coded UWB RFID. Reader setups based on commercial impulse radars are proposed, in addition to signal processing techniques. Chipless time-coded RFID tags are designed and characterized in terms of number of possible IDs, maximum reading distance, polarization, influence of attached materials, angular behaviour and bending. Chipless wireless temperature sensors and chipless concrete composition sensors (enabled by permittivity sensing) are proposed. Two semi-passive time-coded RFID sensing platforms are proposed as more complex, more robust, and longer read-range solutions. A wake-up link is used to save energy when the sensor is not being read. A semi-passive wireless temperature sensor (powered by solar energy) and a wireless nitrogen dioxide sensor (enabled with carbon nanotubes and powered by a small battery) are developed, using analog circuitry. A semi-passive multi-sensor tag capable of measuring temperature, humidity, pressure and acceleration is proposed, using a digital low-power microcontroller. Combining time-coded UWB RFID tags and ground penetrating radar, a smart floor application for indoor localization is derived. Finally, as another approach, two active time-coded RFID systems are developed for very long-range applications.