基于無源RFID傳感標簽的農田土壤環境監測技術研究

鄧芳明 吳 翔 李 兵 汪 濤 劉 珺

(1.華東交通大學電氣與自動化工程學院， 南昌 330013； 2.合肥工業大學電氣與自動化工程學院， 合肥 230009)

0 引言

圖1 RFID標簽傳感器信息融合模式 Fig.1 Data mixing methods of RFID sensor tag

由于農田信息采集數據量大，針對農業地域分散、地形多變、環境條件不同等特點，多方位、網絡化、準確、快速、有效地采集作物生長環境變量信息的方法，是農業環境信息技術研究領域解決的首要問題之一[1]。無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取和處理技術，憑借其部署簡單、布置密集、低成本和無需現場維護等優點，自其出現便迅速取代傳統環境監測方法，被廣泛應用到農業各領域[2-3]。部署在區域農田內大量集成化傳感器協作地，實時感知和監測作物、土壤、氣象等信息，通過嵌入式系統對信息進行智能處理，并通過隨機自組織無線通信網絡將所感知的信息傳送到診斷決策中心，實現農業環境及作物信息的遠程集群化監測和管理。根據目前的研究成果，無線傳感器網絡(Wireless sensor network, WSN)在農業環境信息監測的應用研究包括無線地上傳感器網絡系統[4-7]和無線地下傳感器網絡系統[8-11]。無線地上傳感器網絡將傳感器埋入土壤中，在土壤表面設置無線傳輸節點。這種方法避免了土壤環境對無線信號傳輸的損耗，能有效提高WSN節點的壽命和信號傳輸的穩定性，但是暴露在土壤表面的WSN節點容易受外界環境的影響，且不利于農業機械的操作。無線地下傳感器網絡將WSN節點全部埋入土壤中，避免了外界環境對WSN信號傳輸的影響，但土壤環境中的無線信號傳輸損耗較大，而且現有的WSN節點均采用電池供電，一旦埋入土壤中后期更換電池不方便，不適合長期監測，廢棄電池也容易對土壤環境造成污染。

射頻識別(Radio frequency identification, RFID)技術作為一種先進的自動識別和數據采集技術，已經成功應用到生產制造、物流管理、公共安全等各個領域[12]。近年來基于無源RFID標簽與傳感器相融合的傳感標簽技術引起了國內外的廣泛關注。由于無源RFID傳感標簽采用反向散射工作機制，結構簡單，無需內置電源供電, 成本低，靈活性強，且自帶身份(ID)信息，能夠實現快速定位[13-15]。而且近年來，國內外已經開展了大量關于RFID技術與其他無線傳感器網絡技術融合的研究[16-18]，RFID傳感技術可以方便地和現有各種無線傳感技術一起構成監測網絡，因此RFID傳感標簽尤其適合應用于土壤環境精準監測中。

本文提出一種基于RFID傳感標簽的農田土壤環境實時監測方法，設計一種無源RFID溫濕度傳感標簽，并對所設計的傳感器標簽進行測試與分析。

1 無源RFID溫濕度傳感器設計

1.1 傳感標簽結構設計

RFID傳感標簽采集傳感器數據主要有兩種方法，一種是讀取存儲在標簽非易失性內存中的傳感器數據，另一種是直接將傳感器數據嵌入傳感器標簽標識符(Identification, ID)中。圖1a為傳感器數據存儲的第1種方法，先將傳感器數據存儲在標簽的非易失性存儲器中，然后進行讀取操作。該讀取操作與常規的RFID標簽數據的讀取類似，在閱讀器發出詢問(Query)指令后通過ISO18000-6C協議中定義的讀取指令來實現。由文獻[19]可知，從非易失性存儲器(Non-volatile memory，NVM)中讀取數據時功耗較高，且會有延時。圖1b所示為第2種方法，與第1種方法類似，傳感器也是在標簽激活后進行傳感器采樣，但傳感器數據被直接存入標簽易失性內存中，并在下一個Query指令后隨標簽ID信息一起被讀取。盡管嵌入標簽ID中的傳感器數據大小受到ID地址空間的約束，但這種方法避免了將傳感器數據寫入NVM所導致的高功耗以及時間延遲，因此與第1種方法相比，采用該方法的傳感器標簽具有更高的數據率和通信距離。

據以上分析，本文采用圖1b所示的傳感器數據讀取方式，重新定義的電子產品代碼(Electronic product code, EPC)標簽ID格式如圖2所示。所定義的96 bits EPC在邏輯上分為3個區域，標簽類型(8 bits)、傳感器數據(64 bits)和標簽ID (24 bits)。標簽類型用于識別標簽的類型和功能。傳感器數據分段用于嵌入獲得的傳感器數據，每段數據為10 bits，也可以自定義數據位數。標簽ID部分由硬件版本和標簽序列號組成，RFID傳感器標簽可以使用此標簽ID進行唯一標識。

圖2 96 bits EPC標簽ID結構 Fig.2 96 bits EPC tag ID format

圖3為本文所設計的RFID溫濕度傳感標簽結構圖。該傳感標簽由通信模塊、能量管理模塊和數字模塊組成；其中，能量管理模塊應分為倍壓整流電路、穩壓器和儲能電容，通信模塊由天線以及RFID標簽芯片構成，用于完成標簽與閱讀器之間通信所需的調制與解調功能。數字模塊由微控制單元(Micro-controller unit, MCU)、內部集成電路(Inter-integrated circuit, I2C)總線以及傳感器構成，用于控制傳感器標簽整體工作流程和獲取傳感器測量數據。

圖3 RFID傳感標簽結構 Fig.3 Structure of RFID sensor tag

1.2 傳感標簽電路設計

在射頻模塊中，由于彎折偶極子天線具有體積小、制作成本低且通信性能良好等特點，因此本文選用彎折偶極子天線。RFID標簽芯片采用Impinj X-2K，該芯片符合EPC二代標準，具有2 176 bits的非易失性存儲器。此外，除了標準的空中接口，同時還可由I2C來對其存儲器實現讀/寫操作，因此傳感器的測量數據可以直接存儲到RFID芯片中。

為了獲得最大能量傳輸效率，采用高品質因數的可調射頻電感和可調高頻電容用以實現阻抗匹配。如圖4所示，倍壓整流部分采用四級升壓整流電路方案，其輸出電壓經過穩壓器處理后可以獲得穩定的1.8 V直流電壓輸出。由于該電路工作在超高頻交流電狀態，本設計選用了在超高頻率下具有較高靈敏度的SMS7630零偏壓肖特基二極管。由于無線能量獲取的不穩定性，倍壓整流電路的輸出電壓也是不穩定的，因此本文采用了穩壓器以獲得穩定的直流電壓輸出，并將超級電容作為儲能元件。

在數字模塊中，MCU采用MSP430F5132型帶有8 kB閃存、1 kB靜態隨機存儲器以及8個10 bits模數轉換接口。該MCU工作電壓為1.8 V，工作電流與其運行頻率相關，為180 μA/MHz，最大運行頻率為12 MHz。本文設計的傳感標簽工作符合ISO-18000-6C協議，所有元件均工作在超低功耗模式下，整個標簽能耗僅為115 μW。

圖4 四級升壓整流電路 Fig.4 Four stages boost rectifier circuit

2 測試與分析

2.1 通信性能測試

為了驗證所設計的標簽的通信性能，本文采用VISN-R1200型儀器對所設計的傳感器標簽進行通信流程的測試，圖5a所示為相應的測試環境，圖5b為本文所設計的溫濕度傳感器標簽。由于本文選用溫濕度傳感器來驗證本文設計方案的可行性，因此使用了VCL4003型溫濕度箱對溫濕度傳感器進行標定。設計的RFID傳感器標簽采用分立元件搭建，其基底材料為FR4，尺寸為12 cm×8 cm。

圖5 通信性能測試 Fig.5 Communication performances measurement 1、2.天線 3.溫濕度箱 4.RFID測試儀 5.溫度傳感器 6.濕度傳感器 7.超級電容 8.能量管理電路 9.MCU 10.天線

選取的測試參數如下：工作頻率采用當前RFID主流頻率915 MHz，發射功率為1 W，標簽與2個天線間的距離均為0.5 m，2個天線中一個作為發射信號的天線，另一個作為接收信號的天線，增益均為2.15 dB。測試裝置發送指令的過程為：首先發出選擇指令(Select)，經過5～6 間隔(Tari)，再發出Query指令，傳感器標簽被激活并回應隨機數指令(RN16)，隨后測試裝置為獲取標簽的ID信息(含有傳感器數據)，發出確認指令(ACK)，最后發出隨機數請求指令(Req_RN)來獲取握手響應(Handle)。完整的標簽通信數據基帶波形如圖6a所示。其次，本文對所設計的RFID振動傳感標簽天線進行測試，測量其實際最佳工作頻率與設計最佳工作頻率是否一致。選擇915 MHz作為無線溫濕度傳感器的工作頻率。天線的回波損耗特性(S11)參數是指當電磁波通過某一個輸入后經由天線傳輸時所反射的電磁波強度，在本文的測試中該參數可通過矢量網絡分析儀測得。對于天線來說，S11參數在工作頻段上反射的電磁波強度越低越好，根據ISO 18000-6c協議中的規定，在實際工程應用中工作頻段的S11值小于等于-10 dB就可以滿足正常的工作需求，因此可以通過測試確定本文的天線反射強度最小值，最小值所對應的頻率就是該天線的最佳工作頻率，即其中心頻率。測試結果如圖6b所示，可看出，本文設計的通信天線最佳工作頻率為915 MHz，與設計最佳工作頻率一致，滿足本文的使用需求。

圖6 傳感標簽通信性能測試 Fig.6 Communication performances measurement of sensor tag

通過實際測量了2種數據傳輸方式下傳輸同樣的數據所需要的時間以及標簽功耗，結果如表1所示。由表1可知，將數據直接嵌入標簽ID中進行傳輸所需要的時間與功耗均只有傳統方式的1/3，顯著地改善了標簽的數據傳輸性能。

表1 數據存儲方式性能比較 Tab.1 Performances comparison of both data storage methods

2.2 數據無線傳輸測試

2.2.1傳感器埋入深度

無線溫濕度傳感器的通信性能依賴于所處土壤的深度，因此有效埋入深度對于后期無線傳感器的布置起著決定性作用。將本文所設計的無線溫濕度傳感器埋入待監測土壤中，在10～100 cm的深度范圍內以10 cm為間隔，共布置10個無線溫濕度傳感器，工作頻率均設為915 MHz。在地表布置符合RFID協議的RFID測試儀，用于測試不同深度下無線溫濕度傳感器所發出的信號強度與誤碼率，圖7為現場土壤環境測試圖，測試土壤質量含水率為5%。

圖7 測試現場圖 Fig.7 Testing environment scene

由文獻[18]可知，電磁波在土壤介質中傳播一定路徑后，接收端設備接收到的信號強度為

Pr=Pt+Gt+Gr-Lp

(1)

其中

Lp=L0+Ls

(2)

L0=32.4+20lgd+20lgf

(3)

式中Pr——接收信號強度

Pt——發射信號強度

Gr——接收節點天線增益

Gt——發射節點天線增益

L0——電磁波在自由空間傳輸的損耗

Ls——電磁波在土壤中傳播時由土壤導致的額外損耗

d——發射點與接收點間直線距離

f——設備工作頻率

誤碼率為傳輸過程中誤碼占總傳輸碼數的比率。本文每隔1 s發送50 byte的數據包，每次實驗發送100條信息，共1 000數據包，計算不同埋入深度下的誤碼率，實驗結果如圖8所示。由圖8可知，接收信號強度隨著埋入深度的增加而減少，在埋入深度小于60 cm時，接收的信號強度均大于-70 dBm。而當埋入深度小于60 cm時，誤碼率始終為0，當埋入深度進一步增加時，誤碼率隨著深度的增加而增加。因此本文設計的無線溫濕度傳感器在質量含水率5%的土壤中可埋入的最大深度為60 cm。

圖8 傳感器埋入深度對通信的影響 Fig.8 Influence of sensor embedding depth on received signal intensity

2.2.2土壤濕度

為進一步確定土壤濕度對于本文所設計無線溫濕度傳感器通信性能的影響，從所監測土壤中取出土壤樣本6份，每份體積約為30 L。每份土壤先用干燥箱干燥至恒質量，然后將水與之混合并攪拌均勻。本文選擇無線傳感器埋入深度為60 cm，工作在915 MHz，土壤濕度設定在5%～30%之間，以5%的間隔共設置6個測試單位，對地面測試儀接收的信號強度和誤碼率進行研究，測試結果如圖9所示。由圖9可知，接收信號強度隨著土壤濕度的增加而顯著降低，變化范圍為-80～-61 dBm。而當土壤濕度小于10%時，誤碼率為0；當土壤濕度在10%～15%之間時，誤碼率開始增加，隨后誤碼率增加速度趨于平緩。綜合考慮上述實驗，在埋入深度為60 cm時，最大土壤濕度應不超過20%。

圖9 土壤濕度對通信的影響 Fig.9 Influence of soil moisture on received signal intensity

從圖9可得，土壤的濕度對無源RFID傳感標簽傳輸性能的影響較大，這主要是因為電磁波傳輸路徑損耗受土壤濕度影響較大。為進一步增加本文所設計的無源RFID傳感器標簽的使用范圍，在不改變本文傳感標簽設計方案的前提下，可以采用多標簽設置方案，利用標簽天線的極化方向性，達到接收信號的最大利用。在土壤濕度超過20%的環境中，本文在同一測量點布置2個無源RFID傳感器標簽，呈“T”型分布，其測試結果如圖10所示。由圖10可知，在改進了無源RFID傳感器標簽的布置方法之后，同樣的環境下，接收信號強度明顯上升，且在土壤濕度超過20%的情況下，其誤碼率顯著降低，最大誤碼率不超過0.045。另外，在高濕度環境下也可以通過改變RFID傳感標簽的設計來改善標簽的工作性能，如采用高增益高性能的RFID天線來增強標簽的接收信號強度[20-21]，但會增加標簽的設計和制造成本。

圖10 改進傳感器布置方法后土壤濕度對通信的影響 Fig.10 Influence of soil moisture on received signal intensity after improved sensor placement

2.2.3通信距離

最大有效通信距離是無線溫濕度傳感器的重要性能參數之一。采用RFID測試儀對無線溫濕度傳感器的最大有效通信距離進行測試，該測試儀距離地表高度為1 m。考慮到正常農田耕作深度在10～50 cm，本文將無線傳感器布置于深度為60 cm，濕度為20%(質量含水率)的土壤中，測試場景示意圖見圖11。測試儀與溫濕度傳感器標簽之間的距離以0.5 m為間隔依次增加，在每個測量點測試儀執行1 000次讀取指令從溫濕度傳感器標簽獲取數據，并計算每個測量點的通信成功率(成功通信次數與總通信次數之比)，測試結果如圖12所示。由文獻[22]可知，通信成功率在80%及以上時，可認為該測量點距離為有效通信距離。由圖12可知，當通信距離小于8 m時，通信成功率維持在接近100%，當距離進一步增加到8.7 m時，成功率下降到80%。因此在本文設計的無線溫濕度傳感器的最大通信距離為8.7 m。

圖11 最大通信距離測試場景示意圖 Fig.11 Measurement setup sketch of maximum communication distance

圖12 不同深度下的RFID通信成功率 Fig.12 RFID reading success rate under different embedding depths

2.2.4精確度測量

從農田中取耕種層土壤5份，每份20 L，在每份土壤樣品中加入不同質量的水并攪拌均勻，獲得濕度不同的5份土壤樣品，并置于密閉容器中存放24 h備用。將5份濕度不同的土壤樣本分別編號為1～5，用本文所設計的無線溫濕度傳感器對每個樣品每隔1 min檢測一次其溫度與濕度，共20次，計算其平均值。用標定后的溫度器測得每個土壤樣品的溫度，并用烘干法測得其濕度作為標準值，以計算本文所設計的無線溫濕度傳感器的誤差，表2為溫度測量結果，表3為濕度測量結果。由表2可看出，本文設計的無線溫濕度傳感器測量得到的溫度與標準值之間的誤差在1.5%之內，考慮到溫度傳感器自身的測量誤差以及無線通信過程中的干擾，本文設計的無線溫濕度傳感器的溫度測量性能滿足使用要求。由表3可以看出，本文設計的無線溫濕度傳感器測得的濕度與標準值之間的誤差小于1.0%，屬于可接受的誤差范圍。

表2 土壤溫度測量結果 Tab.2 Measurement results of soil temperature

表3 土壤濕度測量結果 Tab.3 Measurement results of soil humidity %

2.2.5技術手段對比

表4為常用的土壤溫度以及濕度測量的手段，并對比了它們的工作性能。就溫度測量而言，采用溫度計測量土壤溫度需要耗費大量的人力資源。采用有線溫濕度傳感器測量土壤溫度以及濕度前期需要大量的布局布線，便利性差，維護成本高，不適合大規模的推廣應用。目前測量土壤濕度的方法主要有兩大類：變動位置取樣測定(烘干法等)以及原位測定(中子法、傳感器法等)。烘干法原理簡單，精度高，但不能在線實現實時連續監測；中子法能夠實現在田間實時連續監測，但是存在放射性物質危害人體健康；基于傳感器的方法需要大量的前期布局布線，維護成本高；基于WSN節點的無線測量方法雖然相比于傳統方法精度有所降低，但得益于前期安裝周期短，維護成本低，適合大規模應用，但是需要采用電池進行供電，增加了使用成本。本文提出基于無線溫濕度傳感器的方法不僅綜合了WSN方法的優點，且無需內置電池供電，成本更低，工作壽命長。

表4 不同溫濕度測量技術手段對比 Tab.4 Comparison of different measurement methods of temperature and humidity

3 結束語

提出了一種基于無源RFID傳感標簽的農田土壤環境監測方法。由于農田土壤成分復雜，通過實驗測量了所設計傳感標簽埋入深度以及土壤含水率對電磁波傳輸損耗以及誤碼率的影響，確定了該標簽可正常工作的基本條件，并對所設計的溫濕度傳感器標簽進行了通信性能及溫濕度測量性能的測試。結果表明，該傳感器標簽具有良好的溫濕度測量性能，可在RFID系統中完成正常通信過程，在埋入深度為60 cm、濕度為20%的土壤中最大通信距離為8.7 m。將該傳感器標簽與熱電偶同時放置于農田土壤中進行溫度測試實驗，實驗結果表明，兩種不同測溫方式下的最大誤差不超過1.5%。使用烘干法測量土壤濕度，并與本文所設計的溫濕度傳感器標簽的測量值進行比較，結果表明，不同方式測得的土壤濕度誤差最大不超過1%。與現有農田土壤環境無線監測方法相比，具有成本低、壽命長、無污染、適合農田土壤環境長期監測和追蹤等顯著優點。