基于超高频RFID技术的无线水位监测系统设计

2022-08-06温子恒俞钰峰

实验室研究与探索 2022年4期

刘琦，杨蕊，温子恒，俞钰峰

（杭州电子科技大学a.电子信息学院；b.自动化学院，杭州 310018）

0 引言

物联网技术（Internet of Things，IoT）是指将各种终端设备通过通信网络和协议连接进行信息交换和通信，以实现智能化识别、感知、定位、监控等功能，被称为信息科技产业的第3 次革命。作为物联网中的一项关键技术，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术可以实现非视距、全方位、穿透性、全天候自动读取等诸多优点，并可通过电子产品代码（Electronic Product Code，EPC）实现全球物品信息实时共享，成为链接产品与互联网的纽带［1-2］。近年来，RFID在公共安全、生产管理与控制、现代物流与供应链管理、交通管理、军事、重大工程与活动等诸多领域获得了广泛应用［3-4］。

由于RFID固有的识别功能和在通信过程中隐藏在相关物理信号中的感知扩展功能，在无线传感中显示出巨大的潜力，可替代物联网感知层中的无线传感器节点采集目标信息，如温度、湿度、拉力等［5-9］，将目标信息无线传输到服务器中进行数据处理、分析和应用，并可基于RFID 技术对传感器节点进行准确定位［10-11］。

由于面临电子产品不友好的液体环境问题，无线液位传感器通常需要特殊工艺对内部的无线模块和电源模块等电路进行防水处理，并需定期对传感器进行更换电池或者充电操作，因此通常造价较高、使用不便。为此，本文设计了基于超高频RFID 技术的无线水位监测系统，通过分析阅读器天线接收到的标签反向散射功率，得出反向散射功率和容器内水位的量化关系；进而通过测试反向散射功率得出对应的目标水位。该系统的设计有助于学生深入学习和理解RFID技术原理和应用，培养学生运用仿真等技术模拟复杂工程问题［12］，提高学生针对复杂工程问题的方案设计、实施以及分析能力［13］。

1 RFID工作原理

标签是RFID 系统电子数据承载装置，使用时附着于作为RFID 系统追踪检测目标的物体或者材料上，通常由一个耦合元件和电子微芯片构成。电子数据位于芯片内存之中。标签可以接收由阅读器传输来的能量，同时可与阅读器进行数据交换。当标签接收到阅读器传输的信号时，可以执行相应的任务，包括读内存、写内存或以其他方式处理内存中的数据，如加密等。

本文中所涉及的超高频RFID 标签工作在标准频段（902-928 MHz），为无源标签。该类标签工作时激活RFID芯片所需的能量来自于阅读器天线传输来的电磁能量，标签中存储数据的读取过程都是依靠标签天线将接收到的电磁波进行反向散射来完成［14］。如图1 所示，由阅读器传到标签的部分到达功率被标签天线反射，反射功率受标签天线负载调制。反射功率经自由空间传播，重新被阅读器天线接收。阅读器天线接收到的信息经由阅读器内部电路的一系列处理后获得标签芯片内的有效信息。

图1 RFID反向散射工作示意图

RFID 标签接收到的电磁波功率受到阅读器的输出功率、阅读器天线增益、标签天线增益方位角、阅读环境等的影响。在不考虑传输、极化失配和方位角等损耗的前提下，可以简单地通过Friis自由空间公式计算［15］标签的接收功率：

式中：λ为对应频率的波长；Pt为阅读器的输出功率；Gt为阅读器天线的增益；Gr为RFID 标签天线的增益；R为阅读器天线与标签天线之间的距离。

阅读器天线接收到的标签的反向散射功率Pb可以通过把标签作为辐射源、再次利用Friis 公式进行计算［16］：

式中：τ为RFID标签天线的功率传输系数［17］，反映了信号源和负载之间的传输情况，其定义为：

式中，ZL、ZS分别为负载与信号源的阻抗。可见，阅读器接收到的反向散射功率Pb与阅读器的输出功率Pt、阅读器天线的增益Gt、RFID标签天线的增益Gr、标签天线的功率传输系数τ 正相关，阅读器天线与标签之间的距离R负相关。在已知的测试条件下，即阅读器的输出功率Pt、阅读器天线的增益Gt、距离R固定的前提下，反向散射功率Pb由RFID标签天线的增益Gr、标签天线的功率传输系数τ决定。该结论为基于超高频RFID技术的无线水位监测系统的设计和分析奠定了理论基础。

2 超高频RFID标签的设计和分析

2.1 标签设计

无线水位监测系统中的标签部分如图2 所示，主要由弯折曲线型偶极子天线及加载在天线中间位置的RFID芯片构成。

图2 无线水位监测RFID标签结构图

由于RFID标签结构简单，加工工艺成熟，成本远低于其他无线传感器；无需供电模块，可以直接整体封装后安装在容器内壁，有良好的耐水性；工作过程中RFID标签无需从容器中取出进行开关操作或者更换电池，使用方便且工作寿命远超其他类型的无线传感器。

当安装有上述RFID 标签的目标容器空置时，RFID标签天线与RFID芯片阻抗共轭匹配，使标签可以在超高频频段内正常工作。随着容器中水位升高，天线阻抗随之发生变化，与RFID 芯片阻抗逐渐失配，天线的功率传输系数和增益下降。由式（2）中可以得出，该过程中RFID 读写器所接收到的反向散射功率也会同步单调下降。通过对RFID 阅读器读取到的反向散射功率数值进行分析，即可以判断出目标容器内的水位情况。

2.2 仿真分析

为了验证设计的正确性，采用商用软件ANSYSHFSS对以上设计进行仿真分析。如图2 所示，待监测的容器设定为200 mm 高的圆柱形塑料量杯。RFID标签垂直粘贴于容器内壁，标签的中轴线与杯身中间高度平齐。通过对量杯高度进行均分，划分出不同的标准水位线，其中1/8 水位线对应高度25 mm，

2/8 水位线对应高度50 mm，依次类推。分别仿真出杯中水位在不同水位线对应的标签天线的功率传输系数τ，结果如图3 所示。可见，在902 ～928 MHz 频段（FCC标准RFID 频段）的中心频率915 MHz，功率传输系数随着水位的上升单调下降的。

图3 不同水位线对应的标签天线的功率传输系数

图4为不同水位下的标签在915 MHz的归一化辐射方向图。由图中可见，在915 MHz 时，垂直于标签天线指向容器外的方向（即图中0°方向）上，标签天线增益是随着水位的上升呈下降趋势。也就是当量杯内无水时，增益最大；随着量杯内水位的逐渐上升，标签天线在915 MHz的增益基本呈现单调下降趋势。

根据以上仿真结果和式（2）可以计算出对应的反向散射功率Pb。计算采用商业数学软件Matlab，计算中预设频率f=915 MHz，阅读器的输出功率Pt=27 dBm，阅读器天线的增益Gt=9 dBi，距离R=1 m，系统损耗、传输损耗等损耗预计15 dB，式（2）计算结果如图5 所示。可见，反向散射功率随着水位的上升单调下降。故而可通过测试RFID 阅读器读取到的反向散射功率，并根据反向散射功率-水位校准曲线比较所测得的功率数值，即可得到对应的目标水位。

图4 不同水位线对应的标签天线归一化辐射方向

图5 仿真反向散射功率-水位校准曲线

3 无线水位监测系统搭建与验证

在仿真的基础上，进一步通过搭建测试系统验证本文中提出的超高频RFID 无线水位监测系统的效果。测试系统如图6 所示。

图6 基于超高频RFID技术的无线水位监测系统装置示意图

测试所用阅读器为ImpinjR420，阅读器的输出功率Pt=27 dBm，阅读器天线增益Gt=9 dBi，阅读器天线与标签之间的距离R=1 m，和Matlab计算中的预设数值保持一致。通过测试8 个水位线对应的反向散射功率，可得出图7 中的测试反向散射功率-水位校准曲线。可见，该测试校准曲线和图5 中的仿真校准曲线保持了高度一致性，除因损耗估算造成的轻微误差，基本符合仿真的预期。因此可以通过图7 中的校准曲线获取待测容器中的水位信息。