关键词:
无芯片标签
变极化
射频识别
土壤湿度传感
摘要:
近年,随着传感网络在智能农业、智能制造、智慧城市等物联网场景的广泛应用,无芯片RFID(Radio Frequency Identification)传感器标签作为传感网络的关键组成部分,已成为科研工作者的关注焦点。在智能农业领域,无芯片RFID传感器能够对土壤湿度进行实时监测,减少因湿度异常带来的病害,提高作物产能。无芯片RFID传感器具有成本低廉、无线通信、非视距传输、ID识别的优势,能够很好地解决传统土壤湿度传感器存在的多个传感器信息无法区分、电线裸露会带来危险以及大面积应用成本高昂等问题。然而土壤环境中的环境噪声较空气中更多,无芯片RFID标签的信号易被噪声干扰。为了更准确地识别数据,可以通过变极化特性提高标签的抗干扰能力。因此,研究应用于土壤湿度检测的变极化无芯片RFID传感器标签有着重要意义。
本文主要研究了三款应用于土壤湿度检测的变极化无芯片RFID传感器标签,工作内容如下:
(1)小型变极化无芯片RFID土壤湿度传感器标签。利用偶极子的谐振频率受到环境介电常数影响的原理,对于土壤湿度进行传感。为了更好地实现传感与编码功能的区分,该传感器由三组加载矩形贴片的L形谐振器组成,整体尺寸为75×75×1.6 mm3,使用FR-4板材作为介质基板,并在标签外侧覆盖RS-2000材料作为保护层,通过L形谐振器实现变极化特性。该传感器标签实现εr=5–20的土壤湿度检测范围,对应土壤湿度约5%–35%,编码容量为2 bits。最终,对标签进行实物加工并在实际环境中进行了测量。实际测量中该传感器标签的湿度检测范围为4.52%–35.22%,编码容量为2 bits,验证了该传感器标签的湿度传感功能以及编码功能的可行性。
针对上一款土壤传感器在实测中表现出土壤湿度检测范围较窄,仅适用在低湿度的问题,提出一款用于中高湿度的,检测范围更宽的无芯片RFID土壤湿度传感器标签。
(2)基于Z形谐振器的变极化无芯片RFID土壤湿度传感器标签。该传感器由两组Z形谐振器组成,整体尺寸为100×95×1.6 mm3,使用FR-4板材作为介质基板,并在标签外侧覆盖RS-2000材料作为保护层,利用Z形谐振器实现变极化特性。该传感器的湿度检测范围为εr=20–45,对应土壤湿度约35%–70%,编码容量为2 bits。最终,对标签进行实物加工并在实际环境中进行了测量。实际测量中该传感器标签的湿度检测范围为35.22%–70.38%,编码容量为2 bits,验证了该传感器标签湿度传感功能以及编码功能的可行性。
由于前两款土壤传感器在仿真和实测中都只能得到2 bits的编码容量,为了实现更高的编码容量,提出一款加载马刺缝隙的变极化无芯片RFID土壤湿度传感器标签。
(3)加载马刺缝隙的变极化无芯片RFID土壤湿度传感器标签。通过在I形谐振器中加载马刺缝隙,得到变极化特性,同时马刺缝隙可等效为一个LC并联谐振回路,通过调节马刺缝隙的长度对谐振频率进行改变,从而实现频移编码,在限制频段内提高编码容量。该传感器由四个加载马刺缝隙的I形谐振器组成,整体尺寸为85×85×1.6 mm3,使用FR-4板材作为介质基板,并在标签外侧覆盖RS-2000材料作为保护层。该传感器的湿度检测范围为εr=20–45,对应土壤湿度约35%–70%,编码容量为5 bits。最终,对标签进行实物加工并在实际环境中进行了测量。实际测量中该传感器标签的湿度检测范围为35.22%–70.38%,编码容量为5 bits,验证了该传感器标签湿度传感功能以及编码功能的可行性。
本文将变极化技术与马刺缝隙应用于无芯片RFID土壤湿度传感器标签设计中,并给出了相应的设计指导,为应用于土壤湿度检测的无芯片RFID传感器的实现提供了参考。