無源RFID傳感標(biāo)簽在農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

郎少博 穆巖

（1.河北工院云環(huán)境檢測技術(shù)有限公司 河北 石家莊 050000；2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心 河北 石家莊 050000）

引言

在農(nóng)田信息采集的過程中，由于數(shù)據(jù)量龐大，因此針對于農(nóng)田實(shí)際情況，提出了一種無源RFID傳感標(biāo)簽檢測技術(shù)。這一技術(shù)作為一種全新的信息獲取和信息處理技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1 無源RFID傳感標(biāo)簽溫濕度傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無源RFID傳感標(biāo)簽傳感器的數(shù)據(jù)一般來說主要有兩種方式。首先是將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在非易失性內(nèi)存當(dāng)中，另一種方式則是將傳感器數(shù)據(jù)嵌入傳感器標(biāo)簽當(dāng)中。這兩種方式的采樣方式和采樣時(shí)間都比較相似，但是區(qū)別在于第二種方式避免了傳感器數(shù)據(jù)寫入NVM中所消耗的功率和時(shí)間，因此效率更高，并且有著更遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)通信距離[1]。

1.2 傳感標(biāo)簽電路設(shè)計(jì)

在射頻模塊運(yùn)行的過程中，由于使用的彎折偶極子天線體積較小，制作成本較低，并且通信性能較好，因此本文將選擇其作為通信電線。無源RFID傳感標(biāo)簽一般來說芯片需要選擇ImpimjX-2K，這一芯片符合要求，擁有非易失性存儲(chǔ)器。除此之外，這一芯片還有著標(biāo)準(zhǔn)的空中接口，因此可以使用傳感標(biāo)簽來進(jìn)行讀寫，測量數(shù)據(jù)可以直接儲(chǔ)存進(jìn)芯片當(dāng)中。

2 測試與分析

2.1 通信水平測試

測試的過程中需要檢測主流頻率、發(fā)射頻率、天線距離、天線增益等等。測試過程中器材的指令為首先發(fā)出指令，隨后經(jīng)過了5-6間隔之后再次發(fā)出指令，傳感器此時(shí)將會(huì)被激活，并且產(chǎn)生相應(yīng)的回應(yīng)。隨后，在測試的過程中需要注意收集ID信息，發(fā)出指令之后收集回應(yīng)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)無線傳輸測試

2.2.1 傳感器深度測試

傳感器的埋入深度往往也會(huì)對通信水平產(chǎn)生影響，這依賴于土壤的深度，因此需要針對于這方面水平進(jìn)行測試。本文在第一部分中提出的結(jié)構(gòu)納入之后，還需要將之埋入待測試土壤當(dāng)中，在10-100cm土壤之間，以10cm作為間隔，布置十個(gè)無線溫濕度傳感器，分別測量通信水平。經(jīng)過測試之后發(fā)現(xiàn)，傳感器埋入土壤當(dāng)中處于60cm時(shí)，能夠始終保證誤碼率為0，因此本文提出的無源RFID傳感標(biāo)簽埋入最佳深度為60cm。

2.2.2 土壤濕度

為了進(jìn)一步的確定土壤濕度對于本文提出的無源RFID傳感標(biāo)簽通信性能產(chǎn)生的影響，本文將在土壤樣本中選出六種，設(shè)定為不同的濕度。在上文中提出最佳的埋入深度為60cm，假設(shè)未來使用的過程中需要將之埋入60cm，那么本文的濕度測試需要在60cm的深度進(jìn)行測試。經(jīng)過測試之后發(fā)現(xiàn)，濕度小于10%時(shí)，誤碼率為0，當(dāng)土壤濕度處于10%-15%之間時(shí)，誤碼率隨之提升。而濕度逐漸提升后，誤碼率已經(jīng)達(dá)到最大，不再進(jìn)行變化。因此本文提出的無源RFID傳感標(biāo)簽最佳土壤濕度不應(yīng)該超過10%[3]。

在使用的過程中，如果土壤的濕度始終處于20%以上，那么需要改善天線的極化方向性，達(dá)到接收信號(hào)的最大水平。但是經(jīng)過分析之后方向，改善天線的極化方向性，往往會(huì)增加標(biāo)簽的最大制造成本，因此需要經(jīng)過考慮之后再使用。

2.2.3 通信距離

無源RFID傳感標(biāo)簽在使用的過程中，最大通信距離對于無源RFID傳感標(biāo)簽是最為重要的性能參數(shù)。使用無源RFID傳感標(biāo)簽對無線溫濕度進(jìn)行測量之后的發(fā)現(xiàn)：在地表高度為1m處設(shè)置測試儀，將傳感器埋入60cm深度中、20%濕度中，經(jīng)過測試之后得出以下結(jié)論。

在通信距離小于八米時(shí)，通信成功率約為100%左右。在通信距離增加到8.7m之后，通信成功率下降到了80%。因此經(jīng)過本文的研究之后發(fā)現(xiàn)，無源RFID傳感標(biāo)簽的最大通信距離不能夠超過8.7m。

2.2.4 精確度測量

在農(nóng)田使用無源RFID傳感標(biāo)簽的過程中，還需要測量精確度。本文選擇的測量方法是將無源RFID傳感標(biāo)簽放置在不同條件的土壤當(dāng)中。經(jīng)過測量之后發(fā)現(xiàn)，在不同條件的土壤當(dāng)中，本文選擇的無源RFID傳感標(biāo)簽依舊有著較高的準(zhǔn)確性，能夠跟隨土壤條件變化而變化，并且符合本文上文計(jì)算中得出的數(shù)據(jù)結(jié)論。實(shí)際計(jì)算的過程中，本文設(shè)計(jì)的無源RFID傳感標(biāo)簽誤差能夠保持在1%，屬于可接受的誤差范圍。

2.2.5 技術(shù)手段對比

針對于溫度測量來說，使用溫度計(jì)測量土壤溫度有著非常大的人力資源消耗，而使用有線溫度計(jì)測量溫度需要進(jìn)行大量的布局，這種布置方式便利性較差。因此這種不適合推廣的測溫方式非常不合適，維護(hù)成本較高，因此需要選擇全新的測試方法。測試的過程中可以使用烘干法、中子法、傳感器法等等，這幾種方式有著不同的優(yōu)勢和弱勢。烘干法的優(yōu)勢在于較為簡單，精確度較高，但是主要的缺點(diǎn)在于無法進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。中子法在使用的過程中主要的優(yōu)勢在于能夠進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，缺點(diǎn)在于存在放射性物質(zhì)危害。而傳感器方法缺點(diǎn)在于需要大量的布局布線，維護(hù)成本較高。而在WSN節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上的無線車輛方法，相比較于傳統(tǒng)方法來說精讀較低，但是優(yōu)點(diǎn)在于安裝周期短、維護(hù)成本低、適合大規(guī)模的應(yīng)用。經(jīng)過本文的分析之后發(fā)現(xiàn)，本文中提出的無源RFID傳感標(biāo)簽比較適合使用無線溫濕度傳感器方法。

3 結(jié)束語

本文提出了無源RFID傳感標(biāo)簽的土壤環(huán)境檢測方法，由于在種植的過程中土壤環(huán)境較為復(fù)雜，因此在實(shí)際測量過的過程中需要注意土壤的深度以及含水率，這些都會(huì)導(dǎo)致無源RFID傳感標(biāo)簽的通信性能下降。經(jīng)過結(jié)果分析之后顯示，這一傳感器標(biāo)簽的好處在于能夠有著非常良好的溫濕度測量性能，能夠在RFID系統(tǒng)中進(jìn)行正常通信，條件是深度60cm、濕度20%、距離8.7m。與現(xiàn)有的環(huán)境無線監(jiān)測方式相比較之后發(fā)現(xiàn)，這種方法成本低、壽命長、無污染、長期監(jiān)測等等優(yōu)點(diǎn)。