基于超高頻RFID技術的無線水位監測系統設計

2022-08-06 07:10:58溫子恒俞鈺峰

實驗室研究與探索 2022年4期

劉琦，楊蕊，溫子恒，俞鈺峰

（杭州電子科技大學a.電子信息學院；b.自動化學院，杭州 310018）

0 引言

物聯網技術（Internet of Things，IoT）是指將各種終端設備通過通信網絡和協議連接進行信息交換和通信，以實現智能化識別、感知、定位、監控等功能，被稱為信息科技產業的第3 次革命。作為物聯網中的一項關鍵技術，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術可以實現非視距、全方位、穿透性、全天候自動讀取等諸多優點，并可通過電子產品代碼（Electronic Product Code，EPC）實現全球物品信息實時共享，成為鏈接產品與互聯網的紐帶［1-2］。近年來，RFID在公共安全、生產管理與控制、現代物流與供應鏈管理、交通管理、軍事、重大工程與活動等諸多領域獲得了廣泛應用［3-4］。

由于RFID固有的識別功能和在通信過程中隱藏在相關物理信號中的感知擴展功能，在無線傳感中顯示出巨大的潛力，可替代物聯網感知層中的無線傳感器節點采集目標信息，如溫度、濕度、拉力等［5-9］，將目標信息無線傳輸到服務器中進行數據處理、分析和應用，并可基于RFID 技術對傳感器節點進行準確定位［10-11］。

由于面臨電子產品不友好的液體環境問題，無線液位傳感器通常需要特殊工藝對內部的無線模塊和電源模塊等電路進行防水處理，并需定期對傳感器進行更換電池或者充電操作，因此通常造價較高、使用不便。為此，本文設計了基于超高頻RFID 技術的無線水位監測系統，通過分析閱讀器天線接收到的標簽反向散射功率，得出反向散射功率和容器內水位的量化關系；進而通過測試反向散射功率得出對應的目標水位。該系統的設計有助于學生深入學習和理解RFID技術原理和應用，培養學生運用仿真等技術模擬復雜工程問題［12］，提高學生針對復雜工程問題的方案設計、實施以及分析能力［13］。

1 RFID工作原理

標簽是RFID 系統電子數據承載裝置，使用時附著于作為RFID 系統追蹤檢測目標的物體或者材料上，通常由一個耦合元件和電子微芯片構成。電子數據位于芯片內存之中。標簽可以接收由閱讀器傳輸來的能量，同時可與閱讀器進行數據交換。當標簽接收到閱讀器傳輸的信號時，可以執行相應的任務，包括讀內存、寫內存或以其他方式處理內存中的數據，如加密等。

本文中所涉及的超高頻RFID 標簽工作在標準頻段（902-928 MHz），為無源標簽。該類標簽工作時激活RFID芯片所需的能量來自于閱讀器天線傳輸來的電磁能量，標簽中存儲數據的讀取過程都是依靠標簽天線將接收到的電磁波進行反向散射來完成［14］。如圖1 所示，由閱讀器傳到標簽的部分到達功率被標簽天線反射，反射功率受標簽天線負載調制。反射功率經自由空間傳播，重新被閱讀器天線接收。閱讀器天線接收到的信息經由閱讀器內部電路的一系列處理后獲得標簽芯片內的有效信息。

圖1 RFID反向散射工作示意圖

RFID 標簽接收到的電磁波功率受到閱讀器的輸出功率、閱讀器天線增益、標簽天線增益方位角、閱讀環境等的影響。在不考慮傳輸、極化失配和方位角等損耗的前提下，可以簡單地通過Friis自由空間公式計算［15］標簽的接收功率：

式中：λ為對應頻率的波長；Pt為閱讀器的輸出功率；Gt為閱讀器天線的增益；Gr為RFID 標簽天線的增益；R為閱讀器天線與標簽天線之間的距離。

閱讀器天線接收到的標簽的反向散射功率Pb可以通過把標簽作為輻射源、再次利用Friis 公式進行計算［16］：

式中：τ為RFID標簽天線的功率傳輸系數［17］，反映了信號源和負載之間的傳輸情況，其定義為：

式中，ZL、ZS分別為負載與信號源的阻抗。可見，閱讀器接收到的反向散射功率Pb與閱讀器的輸出功率Pt、閱讀器天線的增益Gt、RFID標簽天線的增益Gr、標簽天線的功率傳輸系數τ 正相關，閱讀器天線與標簽之間的距離R負相關。在已知的測試條件下，即閱讀器的輸出功率Pt、閱讀器天線的增益Gt、距離R固定的前提下，反向散射功率Pb由RFID標簽天線的增益Gr、標簽天線的功率傳輸系數τ決定。該結論為基于超高頻RFID技術的無線水位監測系統的設計和分析奠定了理論基礎。

2 超高頻RFID標簽的設計和分析

2.1 標簽設計

無線水位監測系統中的標簽部分如圖2 所示，主要由彎折曲線型偶極子天線及加載在天線中間位置的RFID芯片構成。

圖2 無線水位監測RFID標簽結構圖

由于RFID標簽結構簡單，加工工藝成熟，成本遠低于其他無線傳感器；無需供電模塊，可以直接整體封裝后安裝在容器內壁，有良好的耐水性；工作過程中RFID標簽無需從容器中取出進行開關操作或者更換電池，使用方便且工作壽命遠超其他類型的無線傳感器。

當安裝有上述RFID 標簽的目標容器空置時，RFID標簽天線與RFID芯片阻抗共軛匹配，使標簽可以在超高頻頻段內正常工作。隨著容器中水位升高，天線阻抗隨之發生變化，與RFID 芯片阻抗逐漸失配，天線的功率傳輸系數和增益下降。由式（2）中可以得出，該過程中RFID 讀寫器所接收到的反向散射功率也會同步單調下降。通過對RFID 閱讀器讀取到的反向散射功率數值進行分析，即可以判斷出目標容器內的水位情況。

2.2 仿真分析

為了驗證設計的正確性，采用商用軟件ANSYSHFSS對以上設計進行仿真分析。如圖2 所示，待監測的容器設定為200 mm 高的圓柱形塑料量杯。RFID標簽垂直粘貼于容器內壁，標簽的中軸線與杯身中間高度平齊。通過對量杯高度進行均分，劃分出不同的標準水位線，其中1/8 水位線對應高度25 mm，

2/8 水位線對應高度50 mm，依次類推。分別仿真出杯中水位在不同水位線對應的標簽天線的功率傳輸系數τ，結果如圖3 所示。可見，在902 ～928 MHz 頻段（FCC標準RFID 頻段）的中心頻率915 MHz，功率傳輸系數隨著水位的上升單調下降的。

圖3 不同水位線對應的標簽天線的功率傳輸系數

圖4為不同水位下的標簽在915 MHz的歸一化輻射方向圖。由圖中可見，在915 MHz 時，垂直于標簽天線指向容器外的方向（即圖中0°方向）上，標簽天線增益是隨著水位的上升呈下降趨勢。也就是當量杯內無水時，增益最大；隨著量杯內水位的逐漸上升，標簽天線在915 MHz的增益基本呈現單調下降趨勢。

根據以上仿真結果和式（2）可以計算出對應的反向散射功率Pb。計算采用商業數學軟件Matlab，計算中預設頻率f=915 MHz，閱讀器的輸出功率Pt=27 dBm，閱讀器天線的增益Gt=9 dBi，距離R=1 m，系統損耗、傳輸損耗等損耗預計15 dB，式（2）計算結果如圖5 所示。可見，反向散射功率隨著水位的上升單調下降。故而可通過測試RFID 閱讀器讀取到的反向散射功率，并根據反向散射功率-水位校準曲線比較所測得的功率數值，即可得到對應的目標水位。

圖4 不同水位線對應的標簽天線歸一化輻射方向

圖5 仿真反向散射功率-水位校準曲線

3 無線水位監測系統搭建與驗證

在仿真的基礎上，進一步通過搭建測試系統驗證本文中提出的超高頻RFID 無線水位監測系統的效果。測試系統如圖6 所示。

圖6 基于超高頻RFID技術的無線水位監測系統裝置示意圖

測試所用閱讀器為ImpinjR420，閱讀器的輸出功率Pt=27 dBm，閱讀器天線增益Gt=9 dBi，閱讀器天線與標簽之間的距離R=1 m，和Matlab計算中的預設數值保持一致。通過測試8 個水位線對應的反向散射功率，可得出圖7 中的測試反向散射功率-水位校準曲線。可見，該測試校準曲線和圖5 中的仿真校準曲線保持了高度一致性，除因損耗估算造成的輕微誤差，基本符合仿真的預期。因此可以通過圖7 中的校準曲線獲取待測容器中的水位信息。