基于無線射頻技術的環境監測系統研究與應用綜述

劉耀輝 胡敬芳 宋鈺 李延生 高國偉,3

1. 北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192；2. 北京信息科技大學 傳感器重點實驗室，北京 100101；3. 北京信息科技大學 現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100101；4. 中國科學院上海微系統與信息技術研究所 傳感器聯合國家重點實驗室，上海 200050

0 前言

環境監測是當前生態環境保護的一項重要手段。監測對象包括空氣、水環境和土壤環境等，利用監測設備對監測對象進行物質含量周期性測定并與規定含量對比，可以有效地確定監測區域的環境質量，從而采取應對措施[1]。常用的環境監測方式通過監測儀器來實現，監測儀器利用生物、化學和物理原理對測定區域進行周期性檢測，由此獲取不同時刻監測指標的含量值。這種監測方式雖然可以獲得較為準確的污染物含量，但也存在監測實時性差的問題。例如：大多數水庫利用專業監測儀器進行站點監測，環境監測設備由于數據采集端通信方式的局限性，會導致監測數據傳回至監控室時產生數據延遲，從而影響數據庫更新和預測。此外，儀器維護成本較高、設備監管性不足也是一個問題[2]。環境監測設備需要定期進行維護，對設備的監管力度不足，可能導致監測數據準確度下降，且缺乏監測局部區域的功能。基于遙感技術的環境監測方式同樣應用廣泛。這種監測方式通過高分辨衛星來達到對目標區域環境指標的監測，常用來觀測海洋和大氣污染、城市綠化程度、林區火災、臺風天氣等的實時監測數據[3]，不過這種基于遙感技術的監測方式技術實現較為復雜，研發成本和對監測設備的圖像分辨率要求較高。

近年來，隨著相關環境保護條例的落實，我國對于環境監測的重視程度逐漸增加，物聯網技術和無線傳感技術的運用使得環境自動監測系統朝著低成本化、自動化、實時性等方向發展[4]。物聯網技術和無線傳感技術將眾多傳感器覆蓋到監測區域，通過傳感器網絡對具體區域的監測對象進行數據采集，并利用無線通信技術實現數據的遠程和快速傳輸，提高了環境監測系統的實時性。

射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術作為無線通信技術的重要組成部分，近年來在環境監測領域得到廣泛應用。RFID技術是20世紀90年代開始興起的一項常用的非接觸識別技術，近幾年在國內外得到快速發展，且廣泛應用在物流管理、醫療行業、交通管理、商品防偽、環境監測等諸多領域[5-7]，是實現物聯網技術的重要方式。它通過無線電波中的射頻信號達到對目標的自動識別，無需與識別對象進行接觸，便可快速有效地識別出目標對象，并讀取其儲存的信息。在偏遠、環境惡劣的無人環境下，RFID系統可以利用讀寫器發送信號，實現數據的自動回傳和監測系統的數據采集端信息的遠程自動傳輸，提高監測設備的自動化性能。

RFID技術在國外起步很早，從20世紀60年代便有學者開始研究此項技術并逐漸投入應用，尤其是以美國、德國、日本為主的發達國家，研究發展迅速，研究應用涉及工業、交通業、醫療業、零售業等多種行業。目前，國外對RFID技術的研究繼續朝著應用化和多領域方向發展。以環境監測的應用為例，MASRI E L等[8]針對室內環境的腐蝕現象提出了一種室內大氣腐蝕監測方法，暴露在室內的金屬會因為腐蝕作用而變厚，進而導致金屬阻值增加，因此他們利用 RFID 讀卡器從由RFID 芯片和敏感金屬層構成的設備中收集阻值信號的變化，實現了對金屬層腐蝕情況的監測功能。RANJANA P等[9]設計了一種智能垃圾處理箱，在垃圾箱內安裝超聲波傳感器、氣體傳感器并配置RFID系統，可穿戴RFID閱讀器和紅外閱讀器通過傳感器獲取垃圾箱內氣體成分及含量、堆積程度、濕度，判斷垃圾是否應該處理，并將信息實時反饋給垃圾處理中心，如圖1所示。

國內對RFID技術的研究比西方各國較晚，在一些關鍵技術設備上還依賴國外進口。不過，這些年國家對RFID技術的應用逐漸重視，例如我國第二代身份證采用內置RFID芯片的設計方案，方便居民信息的儲存和讀取，企業對RFID技術投資力度加大，關于RFID系統的完整產業鏈已初具雛形。目前，各大研究所和高校將RFID技術和其他學科技術融合，擴展了RFID技術的應用前景。陳曉寧等[10]設計了一種基于GPRS和RFID技術的蔬菜大棚環境管理系統，擴展了RFID技術在農業生產方面的應用。郝唯文等[11]設計了一款應用于變電站監測的無源無線傳感器，利用無線射頻技術實現了對變電站無人區域環境溫度的遠程監測。基于RFID無線通信技術的自動監測系統，在改善傳統監測系統設備存在的實時性差、自動化性能不足的同時，可以有效降低設備的成本。因此，本文就RFID技術在環境監測領域的應用展開研究，旨在了解RFID技術應用在環境監測的新思路。

1 無線射頻識別技術的構成與原理

1.1 RFID系統的構成

（1）閱讀器：發送射頻信號以識別電子標簽，識別成功之后，接收電子標簽傳輸的信息并傳遞給計算機系統以進行數據分析；

（2）電子標簽：儲存待識別目標的相關數據信息，根據電子標簽的能量來源，可分為有源標簽、無源標簽和半有源標簽[12]；

（3）天線：包括發射天線和接收天線，用于閱讀器和電子標簽之間進行能量和信息的傳遞，是RFID系統的重要組成部分，天線性能的好壞直接影響著能量的傳遞效率；

（4）計算機系統：對閱讀器接收的信息進行數據整合、處理和分析。

1.2 RFID系統原理

RFID系統原理如圖2所示。首先對一段詢問指令進行編碼，并對信號進行調制，經發射天線發送出射頻信號至電子標簽，最終由接收天線接收標簽儲存的信息，這一過程可以實現能量的轉移，同時對接收到的信號進行解碼、解調和整流。無源電子標簽受到能量激勵，將自身攜帶的信息經過編碼和調制，重新發送到閱讀器，閱讀器接收到信息，交由計算機系統進行后臺處理，從而完成自動識別工作[13-14]，調制和解調制均在RF調制解調器中完成。

RFID系統中閱讀器和電子標簽之間信號的傳輸采取兩種類型。

（1）電感耦合模型：適用于中、低頻段的射頻信號。同變壓器模型類似，電子標簽的磁感應回路會受到閱讀器線圈磁場變化的影響，產生感應電動勢，并為電子標簽供能，如圖3所示，其中，虛線框表示磁場；

（2）電磁反向散射模型：適用于高頻、微波頻段的射頻信號。閱讀器發送的射頻信號由于波長短，輻射到電子標簽之后，一部分會攜帶標簽信息重新反射回閱讀器，這與雷達模型類似，如圖4所示。

2 無線射頻識別技術的特點

無線射頻識別技術相較傳統的自動識別技術有著廣闊的發展前景。如傳統的磁卡識別技術，在發卡前需要對卡片添加磁條，并通過接觸式的方式才能夠進行自動識別，然而，磁條可能會隨著卡片的使用時間和次數的增加以及外界環境變化的影響出現消磁現象，增大數據丟失的風險。集成電路卡（integrated circuit card，IC）識別技術是在磁卡識別技術的基礎上發展而來的，IC卡中不再使用磁條，而是內置集成電路芯片，并儲存識別對象的信息，因此排除了出現消磁現象的風險。

目前的IC卡擴展了非接觸識別的功能，即非接觸式IC卡，也稱射頻卡，它結合了RFID技術和IC卡集成電路技術，使得IC卡在一定距離內便可完成非接觸式識別[15]，例如宿舍門禁系統、高速公路收費管理系統[16]和倉庫物流管理系統。這種識別技術具有短時間同時識別多個對象的能力，且無需考慮卡片消磁等因素，在一定范圍內便可以進行目標識別。目前，我國第二代居民身份證也使用了這種射頻識別技術，射頻卡具有取代過去普遍磁卡的趨勢。

3 無線射頻技術在環境監測領域的應用

3.1 建筑環境中甲醛氣體的監測

壁紙、油漆、涂料是常見的室內裝修材料，然而這些產品大都存在甲醛、苯等有害氣體，它們會對人體呼吸道黏膜產生破壞，進而造成呼吸道疾病。長期待在含有這些物質的室內環境，會對人體器官造成嚴重的損傷[17]，并可能提高相關病癥的患病風險，甲醛和苯等有害氣體現已被納入致癌物清單。目前，專業檢測甲醛的方法主要分為化學試劑檢測法和實驗儀器檢測法。化學試劑檢測雖然可以檢測到目標物的存在，但是無法得到其具體的含量，檢測結果不精確，檢測成本過高；實驗儀器檢測同樣需要不少的檢驗成本，雖然可以得到確切的檢測含量，但是檢測時間過長，程序繁瑣。

綜上所述，專業檢測機構雖然可以檢測出甲醛的含量，但也存在著檢測成本過高，檢測時間長，無法動態地獲取監測數據等缺點。隨著半導體技術和傳感器技術幾十年來的發展，氣體傳感器由此出現并廣泛應用在工業廢氣監測、環境污染報警等方面。研究熱度較高的電子鼻系統便是依靠氣體傳感器對氣體進行檢測，以達到模仿人類嗅覺對氣體目標物進行識別和含量測定的功能[18]。

近些年來，人們對傳感器的研究更加注重技術融合，如利用RFID技術和傳感器技術的融合，使傳感器和監控終端通過射頻信號進行信息的傳輸交互，做到對室內有害氣體濃度的實時監測和預警，可以有效地識別出甲醛等有毒有害氣體一段時間內的濃度變化。

何旭連等[19]設計了一款基于射頻識別技術的家居甲醛含量監測系統，系統分為甲醛濃度監測終端和后臺監控終端。監測終端利用甲醛濃度傳感器對空氣中甲醛含量進行實時監測，并通過后臺監控終端將監測數據顯示出來。如圖5所示，甲醛濃度傳感器和溫度傳感器獲取的模擬信號經模數轉換之后，將監測數據儲存在微控制器模塊，射頻識別模塊利用射頻信號發送詢問指令，微控制器模塊對詢問指令進行執行，經過編碼和調制工作將監測數據傳回至監控終端，從而完成監測信息的獲取。此外，設計中的氣體傳感器使用金屬氧化物半導體作為敏感材料，現已廣泛應用于甲醛、苯、氮氧化物等氣體的檢測[20]。

廖小林等[21]設計的基于射頻識別電路的室內甲醛濃度檢測系統，利用氣體和溫度傳感器作為系統的監測終端，并通過微控制器模塊計算出甲醛的濃度，所設計的射頻識別模塊用于實時獲取微控制器傳輸的監測數據。設計中的氣體傳感器可以同時獲取8種氣體包含的信息，結合射頻識別技術，可以實現信息實時上傳至監控終端和數據庫，并通過數據庫進行信息對比來檢測氣體的產生，提高了傳感器的檢驗準確性。

目前，電化學傳感器也可作為監測終端，利用電化學傳感器和RFID技術設計的監測系統，可以降低傳感器的工作溫度以及提高監測靈敏度，同時，應用RFID技術的自動識別功能可以使傳感器具有實時獲取監測數據的功能，為實現數據在監測終端的實時顯示，以及利用后臺數據庫進行監測預警提供便利。如黃麗巧等[22]設計的氧氣監測儀，設計中的中央控制器根據電化學傳感器反應電極由氧化還原反應產生的電流大小獲取氣體濃度，儀器反應靈敏，且能夠降低因傳感器工作溫度升高產生的能耗，并可以將采集的數據儲存在射頻識別模塊標簽中，從而可以使用閱讀器將采集的數據實時上傳至上位機，實現氣體濃度遠程實時監控。不過，電化學傳感器需要依靠電解質環境進行氣體監測，其使用壽命是目前最大的問題[23]。

3.2 大氣污染指數的監測

大氣污染指數是衡量一個區域環境污染程度的重要指標。對環境中的污染物進行實時監測，對于氣象出行預警以及居民身體健康具有重要意義。大氣污染物包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、顆粒物及其他有毒氣體。

氨氣是一種危害人體健康的無色刺激性氣體，在一些容易產生氨氣的區域，如肥料廠、垃圾填埋場、化學實驗室，對氨氣濃度的實時監測十分重要。王建業等[24]設計了一種檢測NH3的超高頻RFID標簽傳感器天線，通過對標簽天線附加一層氨氣敏感材料，使標簽既可以儲存目標對象的信息，又同時兼具傳感器特性，實現了射頻識別技術和傳感器技術的結合。當敏感材料接觸到氨氣時，其介電常數發生變化，進而影響天線輸入端與RFID閱讀器輸出端的阻抗匹配，使得天線最佳工作頻率發生偏移，通過后臺處理器測定偏移程度，便可以得到氨氣濃度，做到氨氣濃度的實時監測。傳統的空氣污染物監測系統常采用無線傳感器網絡（wireless sensor net，WSN）對監測區域配置氣敏傳感器，不過這種監測方案的傳感器需要電源模塊供能，由此帶來的問題便是傳感器使用時間不長，電池更換成本高。采用RFID標簽作為傳感器，不僅能夠利用感應耦合原理傳遞能量為標簽供能，還擴展了電子標簽的傳感特性。電子標簽利用介電常數改變電容特性，并引發諧振頻率的偏移來反映氣體濃度的方法，同樣也可用于監測溫度、濕度、光照、裂縫、食品質量等信息。

3.3 農業生態及土壤環境監測

利用RFID技術和物聯網技術，智能農場從概念變成了現實。通過RFID技術對配置在農場的傳感器網絡進行識別，后臺系統便可以實時收集到農場溫濕度、光照、含氧量、二氧化碳濃度等信息，通過對控制系統的調整便可以獲得農作物最適環境[25]。

DENG F等[26]基于RFID技術設計了一種結合傳感器使用的無源標簽，通過將電子標簽埋于土壤深處，實現了對農田土壤溫濕度的實時監測。為了實現對無源標簽的能量供給，閱讀器采用了反向散射原理對標簽供電，從而開啟傳感器的采樣通道，將傳感器數據保存在標簽內存中，并在發送Query（詢問）信號之后將標簽ID和傳感器數據一同傳回至閱讀器，這種數據傳輸方式比傳統的RFID系統收發方式更加節能，數據的傳輸效率也有所提高，土壤溫濕度數據傳輸框圖如圖6所示。設計實驗獲得了標簽傳感器的最大埋放深度、最大土壤濕度和最大通信距離；在精確度實驗中，標簽傳感器的監測誤差滿足使用要求，證明了設計的可行性。

這種無源RFID標簽在保證穩定獲取傳感器數據的同時，解決了電池污染和使用WSN技術在土壤深處信號傳遞受阻的問題，為土壤環境監測提供了新思路。提高通信距離和數據精確性將是研究人員下一步需要重點解決的問題。

3.4 水環境監測

水環境問題是影響我國民生的重要問題。水質的好壞直接影響到人民的健康狀況，對水質環境進行實時監測是保證水體質量的重要手段。此外，隨著南水北調戰略工程的持續部署，各流域水庫相繼建成，對水利基礎設施進行環境監測，不僅關系到水利設施的安全以及能否進行正常工作，還關系到流域附近居民的生命安全。

顏波等[27]設計了基于RFID技術和WSN技術的水質監測預警系統，利用傳感器組件實現水體pH值、重金屬含量、溫度、含氧量等信息的測定，并通過射頻識別模塊將水質監測節點編號和位置傳輸到RFID閱讀器，傳感器監測的信息和閱讀器接收的信息經過核心處理器和射頻模塊的處理被發送至無線傳感器網絡的匯聚節點，進一步地，數據經互聯網傳輸至控制中心，進而實現水質信息的實時監測和監測對象的預警功能。

ZHANG L等[28]設計了一種融合RFID技術和無線傳感器網絡的水庫監測系統，通過對水庫各區域建立傳感器網絡，并配置溫濕度傳感器、瓦斯傳感器、水位傳感器、壓力傳感器、水庫滲流和表面變形傳感器等對水庫環境進行數據采集，處理器模塊通過A/D轉換對數據進行處理和存儲，無線通信模塊上集成有無線射頻電路，用來傳輸存儲的數據，如圖7所示。

采集的數據會匯聚到數據采集終端，同RFID系統采集到的人員巡檢信息一起通過以太網打包至現場數據管理平臺，并對數據庫進行更新，在后臺進行水庫綜合環境的監測顯示，如圖8所示。監測系統在后臺運用模糊推理理論，從傳感器獲取的數據經模糊化、添加隸屬度函數、模糊推理、反模糊化的處理，從而可以獲取水庫環境的安全指數。

4 結語

傳統的環境監測系統制造和維護成本較高，常置于固定區域，獲取的全局監測數據較為片面。此外，系統采用布線方式與監測節點連接，線路復雜且鋪設工作量大。無線射頻技術可以做到短距離數據自動傳輸，與傳感器技術結合應用在環境監測領域，可以做到傳感器數據的快捷傳輸，而無需考慮線路布置問題，并最終能在后臺處理器進行環境監測預警，為目前的環境監測系統提供新架構。

無線射頻技術正加大與物聯網技術和無線傳感器網絡的融合應用，以環境監測為基礎，無線射頻技術作為物聯網感知層的重要實現形式，最終可以實現在應用層對環境因素的處理和控制。無線射頻技術中采用無線傳感器網絡，能夠實現眾多傳感器節點的協同數據采集，并發揮無線傳感器網絡的自組織特性，保證監測終端數據的精確性和穩定上傳，最終通過無線射頻技術將數據接收并傳輸到后臺處理器。相信在不久的將來，隨著大數據分析和智能控制算法研究的不斷深入，無線射頻技術將繼續在環境監測領域發揮優勢。