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RFID檢測創新技術助力食品安全

發布時間:2019-09-25 點擊數:1582

近日,美國麻省理工學院(MIT)媒體實驗室(MediaLab)的研究人員們開發出一種無線系統,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,向大眾普及食品安全檢測。

 

 

 

(圖片來源:MIT)

 

描述這一系統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

 

研究人員開發的系統稱為“RFIQ”,內含一個閱讀器。當RFID標簽發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,目前已經開發出一些其他的傳感器,但是那些都是高度專業化的系統,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。”

 

在研究人員的系統中,閱讀器激發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。’”

 

系統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存在一個主要挑戰: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了一項稱為“雙頻激發”的技術,他們的新技術是在這個上面構建起來的。“雙頻激發”技術發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境因素會影響信號,研究人員目前正致力于保證系統能夠考慮到這些變量。他們也在想辦法拓展系統的容量,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,消除環境對于材料內部的影響。”

 

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。”

 

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,系統也將在超市庫房或者智能冰箱中實現,持續地感知RFID標簽,自動檢測食物變質。

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