基于无源RFID传感标签的农田土壤环境监测技术研究

邓芳明 吴 翔 李 兵 汪 涛 刘 珺

(1.华东交通大学电气与自动化工程学院， 南昌 330013； 2.合肥工业大学电气与自动化工程学院， 合肥 230009)

0 引言

图1 RFID标签传感器信息融合模式 Fig.1 Data mixing methods of RFID sensor tag

由于农田信息采集数据量大，针对农业地域分散、地形多变、环境条件不同等特点，多方位、网络化、准确、快速、有效地采集作物生长环境变量信息的方法，是农业环境信息技术研究领域解决的首要问题之一[1]。无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术，凭借其部署简单、布置密集、低成本和无需现场维护等优点，自其出现便迅速取代传统环境监测方法，被广泛应用到农业各领域[2-3]。部署在区域农田内大量集成化传感器协作地，实时感知和监测作物、土壤、气象等信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，并通过随机自组织无线通信网络将所感知的信息传送到诊断决策中心，实现农业环境及作物信息的远程集群化监测和管理。根据目前的研究成果，无线传感器网络(Wireless sensor network, WSN)在农业环境信息监测的应用研究包括无线地上传感器网络系统[4-7]和无线地下传感器网络系统[8-11]。无线地上传感器网络将传感器埋入土壤中，在土壤表面设置无线传输节点。这种方法避免了土壤环境对无线信号传输的损耗，能有效提高WSN节点的寿命和信号传输的稳定性，但是暴露在土壤表面的WSN节点容易受外界环境的影响，且不利于农业机械的操作。无线地下传感器网络将WSN节点全部埋入土壤中，避免了外界环境对WSN信号传输的影响，但土壤环境中的无线信号传输损耗较大，而且现有的WSN节点均采用电池供电，一旦埋入土壤中后期更换电池不方便，不适合长期监测，废弃电池也容易对土壤环境造成污染。

射频识别(Radio frequency identification, RFID)技术作为一种先进的自动识别和数据采集技术，已经成功应用到生产制造、物流管理、公共安全等各个领域[12]。近年来基于无源RFID标签与传感器相融合的传感标签技术引起了国内外的广泛关注。由于无源RFID传感标签采用反向散射工作机制，结构简单，无需内置电源供电, 成本低，灵活性强，且自带身份(ID)信息，能够实现快速定位[13-15]。而且近年来，国内外已经开展了大量关于RFID技术与其他无线传感器网络技术融合的研究[16-18]，RFID传感技术可以方便地和现有各种无线传感技术一起构成监测网络，因此RFID传感标签尤其适合应用于土壤环境精准监测中。

本文提出一种基于RFID传感标签的农田土壤环境实时监测方法，设计一种无源RFID温湿度传感标签，并对所设计的传感器标签进行测试与分析。

1 无源RFID温湿度传感器设计

1.1 传感标签结构设计

RFID传感标签采集传感器数据主要有两种方法，一种是读取存储在标签非易失性内存中的传感器数据，另一种是直接将传感器数据嵌入传感器标签标识符(Identification, ID)中。图1a为传感器数据存储的第1种方法，先将传感器数据存储在标签的非易失性存储器中，然后进行读取操作。该读取操作与常规的RFID标签数据的读取类似，在阅读器发出询问(Query)指令后通过ISO18000-6C协议中定义的读取指令来实现。由文献[19]可知，从非易失性存储器(Non-volatile memory，NVM)中读取数据时功耗较高，且会有延时。图1b所示为第2种方法，与第1种方法类似，传感器也是在标签激活后进行传感器采样，但传感器数据被直接存入标签易失性内存中，并在下一个Query指令后随标签ID信息一起被读取。尽管嵌入标签ID中的传感器数据大小受到ID地址空间的约束，但这种方法避免了将传感器数据写入NVM所导致的高功耗以及时间延迟，因此与第1种方法相比，采用该方法的传感器标签具有更高的数据率和通信距离。

据以上分析，本文采用图1b所示的传感器数据读取方式，重新定义的电子产品代码(Electronic product code, EPC)标签ID格式如图2所示。所定义的96 bits EPC在逻辑上分为3个区域，标签类型(8 bits)、传感器数据(64 bits)和标签ID (24 bits)。标签类型用于识别标签的类型和功能。传感器数据分段用于嵌入获得的传感器数据，每段数据为10 bits，也可以自定义数据位数。标签ID部分由硬件版本和标签序列号组成，RFID传感器标签可以使用此标签ID进行唯一标识。

图2 96 bits EPC标签ID结构 Fig.2 96 bits EPC tag ID format

图3为本文所设计的RFID温湿度传感标签结构图。该传感标签由通信模块、能量管理模块和数字模块组成；其中，能量管理模块应分为倍压整流电路、稳压器和储能电容，通信模块由天线以及RFID标签芯片构成，用于完成标签与阅读器之间通信所需的调制与解调功能。数字模块由微控制单元(Micro-controller unit, MCU)、内部集成电路(Inter-integrated circuit, I2C)总线以及传感器构成，用于控制传感器标签整体工作流程和获取传感器测量数据。

图3 RFID传感标签结构 Fig.3 Structure of RFID sensor tag

1.2 传感标签电路设计

在射频模块中，由于弯折偶极子天线具有体积小、制作成本低且通信性能良好等特点，因此本文选用弯折偶极子天线。RFID标签芯片采用Impinj X-2K，该芯片符合EPC二代标准，具有2 176 bits的非易失性存储器。此外，除了标准的空中接口，同时还可由I2C来对其存储器实现读/写操作，因此传感器的测量数据可以直接存储到RFID芯片中。

为了获得最大能量传输效率，采用高品质因数的可调射频电感和可调高频电容用以实现阻抗匹配。如图4所示，倍压整流部分采用四级升压整流电路方案，其输出电压经过稳压器处理后可以获得稳定的1.8 V直流电压输出。由于该电路工作在超高频交流电状态，本设计选用了在超高频率下具有较高灵敏度的SMS7630零偏压肖特基二极管。由于无线能量获取的不稳定性，倍压整流电路的输出电压也是不稳定的，因此本文采用了稳压器以获得稳定的直流电压输出，并将超级电容作为储能元件。

在数字模块中，MCU采用MSP430F5132型带有8 kB闪存、1 kB静态随机存储器以及8个10 bits模数转换接口。该MCU工作电压为1.8 V，工作电流与其运行频率相关，为180 μA/MHz，最大运行频率为12 MHz。本文设计的传感标签工作符合ISO-18000-6C协议，所有元件均工作在超低功耗模式下，整个标签能耗仅为115 μW。

图4 四级升压整流电路 Fig.4 Four stages boost rectifier circuit

2 测试与分析

2.1 通信性能测试

为了验证所设计的标签的通信性能，本文采用VISN-R1200型仪器对所设计的传感器标签进行通信流程的测试，图5a所示为相应的测试环境，图5b为本文所设计的温湿度传感器标签。由于本文选用温湿度传感器来验证本文设计方案的可行性，因此使用了VCL4003型温湿度箱对温湿度传感器进行标定。设计的RFID传感器标签采用分立元件搭建，其基底材料为FR4，尺寸为12 cm×8 cm。

图5 通信性能测试 Fig.5 Communication performances measurement 1、2.天线 3.温湿度箱 4.RFID测试仪 5.温度传感器 6.湿度传感器 7.超级电容 8.能量管理电路 9.MCU 10.天线

选取的测试参数如下：工作频率采用当前RFID主流频率915 MHz，发射功率为1 W，标签与2个天线间的距离均为0.5 m，2个天线中一个作为发射信号的天线，另一个作为接收信号的天线，增益均为2.15 dB。测试装置发送指令的过程为：首先发出选择指令(Select)，经过5～6 间隔(Tari)，再发出Query指令，传感器标签被激活并回应随机数指令(RN16)，随后测试装置为获取标签的ID信息(含有传感器数据)，发出确认指令(ACK)，最后发出随机数请求指令(Req_RN)来获取握手响应(Handle)。完整的标签通信数据基带波形如图6a所示。其次，本文对所设计的RFID振动传感标签天线进行测试，测量其实际最佳工作频率与设计最佳工作频率是否一致。选择915 MHz作为无线温湿度传感器的工作频率。天线的回波损耗特性(S11)参数是指当电磁波通过某一个输入后经由天线传输时所反射的电磁波强度，在本文的测试中该参数可通过矢量网络分析仪测得。对于天线来说，S11参数在工作频段上反射的电磁波强度越低越好，根据ISO 18000-6c协议中的规定，在实际工程应用中工作频段的S11值小于等于-10 dB就可以满足正常的工作需求，因此可以通过测试确定本文的天线反射强度最小值，最小值所对应的频率就是该天线的最佳工作频率，即其中心频率。测试结果如图6b所示，可看出，本文设计的通信天线最佳工作频率为915 MHz，与设计最佳工作频率一致，满足本文的使用需求。

图6 传感标签通信性能测试 Fig.6 Communication performances measurement of sensor tag

通过实际测量了2种数据传输方式下传输同样的数据所需要的时间以及标签功耗，结果如表1所示。由表1可知，将数据直接嵌入标签ID中进行传输所需要的时间与功耗均只有传统方式的1/3，显著地改善了标签的数据传输性能。

表1 数据存储方式性能比较 Tab.1 Performances comparison of both data storage methods

2.2 数据无线传输测试

2.2.1传感器埋入深度

无线温湿度传感器的通信性能依赖于所处土壤的深度，因此有效埋入深度对于后期无线传感器的布置起着决定性作用。将本文所设计的无线温湿度传感器埋入待监测土壤中，在10～100 cm的深度范围内以10 cm为间隔，共布置10个无线温湿度传感器，工作频率均设为915 MHz。在地表布置符合RFID协议的RFID测试仪，用于测试不同深度下无线温湿度传感器所发出的信号强度与误码率，图7为现场土壤环境测试图，测试土壤质量含水率为5%。

图7 测试现场图 Fig.7 Testing environment scene

由文献[18]可知，电磁波在土壤介质中传播一定路径后，接收端设备接收到的信号强度为

Pr=Pt+Gt+Gr-Lp

(1)

其中

Lp=L0+Ls

(2)

L0=32.4+20lgd+20lgf

(3)

式中Pr——接收信号强度

Pt——发射信号强度

Gr——接收节点天线增益

Gt——发射节点天线增益

L0——电磁波在自由空间传输的损耗

Ls——电磁波在土壤中传播时由土壤导致的额外损耗

d——发射点与接收点间直线距离

f——设备工作频率

误码率为传输过程中误码占总传输码数的比率。本文每隔1 s发送50 byte的数据包，每次实验发送100条信息，共1 000数据包，计算不同埋入深度下的误码率，实验结果如图8所示。由图8可知，接收信号强度随着埋入深度的增加而减少，在埋入深度小于60 cm时，接收的信号强度均大于-70 dBm。而当埋入深度小于60 cm时，误码率始终为0，当埋入深度进一步增加时，误码率随着深度的增加而增加。因此本文设计的无线温湿度传感器在质量含水率5%的土壤中可埋入的最大深度为60 cm。

图8 传感器埋入深度对通信的影响 Fig.8 Influence of sensor embedding depth on received signal intensity

2.2.2土壤湿度

为进一步确定土壤湿度对于本文所设计无线温湿度传感器通信性能的影响，从所监测土壤中取出土壤样本6份，每份体积约为30 L。每份土壤先用干燥箱干燥至恒质量，然后将水与之混合并搅拌均匀。本文选择无线传感器埋入深度为60 cm，工作在915 MHz，土壤湿度设定在5%～30%之间，以5%的间隔共设置6个测试单位，对地面测试仪接收的信号强度和误码率进行研究，测试结果如图9所示。由图9可知，接收信号强度随着土壤湿度的增加而显著降低，变化范围为-80～-61 dBm。而当土壤湿度小于10%时，误码率为0；当土壤湿度在10%～15%之间时，误码率开始增加，随后误码率增加速度趋于平缓。综合考虑上述实验，在埋入深度为60 cm时，最大土壤湿度应不超过20%。

图9 土壤湿度对通信的影响 Fig.9 Influence of soil moisture on received signal intensity

从图9可得，土壤的湿度对无源RFID传感标签传输性能的影响较大，这主要是因为电磁波传输路径损耗受土壤湿度影响较大。为进一步增加本文所设计的无源RFID传感器标签的使用范围，在不改变本文传感标签设计方案的前提下，可以采用多标签设置方案，利用标签天线的极化方向性，达到接收信号的最大利用。在土壤湿度超过20%的环境中，本文在同一测量点布置2个无源RFID传感器标签，呈“T”型分布，其测试结果如图10所示。由图10可知，在改进了无源RFID传感器标签的布置方法之后，同样的环境下，接收信号强度明显上升，且在土壤湿度超过20%的情况下，其误码率显著降低，最大误码率不超过0.045。另外，在高湿度环境下也可以通过改变RFID传感标签的设计来改善标签的工作性能，如采用高增益高性能的RFID天线来增强标签的接收信号强度[20-21]，但会增加标签的设计和制造成本。

图10 改进传感器布置方法后土壤湿度对通信的影响 Fig.10 Influence of soil moisture on received signal intensity after improved sensor placement

2.2.3通信距离

最大有效通信距离是无线温湿度传感器的重要性能参数之一。采用RFID测试仪对无线温湿度传感器的最大有效通信距离进行测试，该测试仪距离地表高度为1 m。考虑到正常农田耕作深度在10～50 cm，本文将无线传感器布置于深度为60 cm，湿度为20%(质量含水率)的土壤中，测试场景示意图见图11。测试仪与温湿度传感器标签之间的距离以0.5 m为间隔依次增加，在每个测量点测试仪执行1 000次读取指令从温湿度传感器标签获取数据，并计算每个测量点的通信成功率(成功通信次数与总通信次数之比)，测试结果如图12所示。由文献[22]可知，通信成功率在80%及以上时，可认为该测量点距离为有效通信距离。由图12可知，当通信距离小于8 m时，通信成功率维持在接近100%，当距离进一步增加到8.7 m时，成功率下降到80%。因此在本文设计的无线温湿度传感器的最大通信距离为8.7 m。

图11 最大通信距离测试场景示意图 Fig.11 Measurement setup sketch of maximum communication distance

图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精确度测量

从农田中取耕种层土壤5份，每份20 L，在每份土壤样品中加入不同质量的水并搅拌均匀，获得湿度不同的5份土壤样品，并置于密闭容器中存放24 h备用。将5份湿度不同的土壤样本分别编号为1～5，用本文所设计的无线温湿度传感器对每个样品每隔1 min检测一次其温度与湿度，共20次，计算其平均值。用标定后的温度器测得每个土壤样品的温度，并用烘干法测得其湿度作为标准值，以计算本文所设计的无线温湿度传感器的误差，表2为温度测量结果，表3为湿度测量结果。由表2可看出，本文设计的无线温湿度传感器测量得到的温度与标准值之间的误差在1.5%之内，考虑到温度传感器自身的测量误差以及无线通信过程中的干扰，本文设计的无线温湿度传感器的温度测量性能满足使用要求。由表3可以看出，本文设计的无线温湿度传感器测得的湿度与标准值之间的误差小于1.0%，属于可接受的误差范围。

表2 土壤温度测量结果 Tab.2 Measurement results of soil temperature

表3 土壤湿度测量结果 Tab.3 Measurement results of soil humidity %

2.2.5技术手段对比

表4为常用的土壤温度以及湿度测量的手段，并对比了它们的工作性能。就温度测量而言，采用温度计测量土壤温度需要耗费大量的人力资源。采用有线温湿度传感器测量土壤温度以及湿度前期需要大量的布局布线，便利性差，维护成本高，不适合大规模的推广应用。目前测量土壤湿度的方法主要有两大类：变动位置取样测定(烘干法等)以及原位测定(中子法、传感器法等)。烘干法原理简单，精度高，但不能在线实现实时连续监测；中子法能够实现在田间实时连续监测，但是存在放射性物质危害人体健康；基于传感器的方法需要大量的前期布局布线，维护成本高；基于WSN节点的无线测量方法虽然相比于传统方法精度有所降低，但得益于前期安装周期短，维护成本低，适合大规模应用，但是需要采用电池进行供电，增加了使用成本。本文提出基于无线温湿度传感器的方法不仅综合了WSN方法的优点，且无需内置电池供电，成本更低，工作寿命长。

表4 不同温湿度测量技术手段对比 Tab.4 Comparison of different measurement methods of temperature and humidity

3 结束语

提出了一种基于无源RFID传感标签的农田土壤环境监测方法。由于农田土壤成分复杂，通过实验测量了所设计传感标签埋入深度以及土壤含水率对电磁波传输损耗以及误码率的影响，确定了该标签可正常工作的基本条件，并对所设计的温湿度传感器标签进行了通信性能及温湿度测量性能的测试。结果表明，该传感器标签具有良好的温湿度测量性能，可在RFID系统中完成正常通信过程，在埋入深度为60 cm、湿度为20%的土壤中最大通信距离为8.7 m。将该传感器标签与热电偶同时放置于农田土壤中进行温度测试实验，实验结果表明，两种不同测温方式下的最大误差不超过1.5%。使用烘干法测量土壤湿度，并与本文所设计的温湿度传感器标签的测量值进行比较，结果表明，不同方式测得的土壤湿度误差最大不超过1%。与现有农田土壤环境无线监测方法相比，具有成本低、寿命长、无污染、适合农田土壤环境长期监测和追踪等显著优点。