0 引言

    土壤是人類賴以生存且不可或缺的自然資源。土壤環(huán)境狀況直接影響經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康^[1]。因而，對土壤環(huán)境進行監(jiān)測必不可少^[2]。采集土壤樣品進行調(diào)查監(jiān)測是監(jiān)督管理土壤環(huán)境資源的重要手段，樣品庫則是保存土壤樣品必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。樣品庫不僅能對土壤樣品進行規(guī)范保存，而且還匯集了各個土壤樣品的采集信息、制備信息及土壤質(zhì)量結(jié)果報告，對樣品的點位追蹤溯源有著重要意義^[3]。目前普遍使用的土壤樣品庫儲存效率不高，空間利用率低，土壤樣品信息易暴露且信息化管理較弱，運營效率有待提高。隨著我國經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，土壤樣品數(shù)量呈幾何級增加，傳統(tǒng)的存儲方式很難滿足發(fā)展需要。同時，國務(wù)院出臺《土壤污染防治行動計劃》明確提出建立數(shù)字化、信息化管理水平高的土壤樣品庫，發(fā)揮土壤環(huán)境大數(shù)據(jù)的作用^[4]。射頻識別技術(shù)是實現(xiàn)庫存管理現(xiàn)代化、信息化、自動化的一個重要手段。射頻識別技術(shù)具有讀取速度快、信息容量大、數(shù)據(jù)傳輸效率高等特性，同時具有很高的數(shù)據(jù)安全性^[5]，在現(xiàn)代庫存管理中應(yīng)用廣泛。但是將RFID技術(shù)引入土壤樣品管理仍屬首次。目前，在土壤樣品庫的建設(shè)中采用密集架設(shè)計實現(xiàn)土壤樣品的高效存儲，并對存放的土壤樣品貼附RFID標(biāo)簽，可以實現(xiàn)高效快速識別不同區(qū)域不同種類的土壤樣品，從而提高土壤樣品的盤點和查詢效率，增強土壤信息的安全性。

    RFID系統(tǒng)對于工作環(huán)境比較敏感，工作環(huán)境中相關(guān)物體會對RFID標(biāo)簽天線讀取造成干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。將RFID技術(shù)引入土壤樣品管理首先要解決土壤對于RFID系統(tǒng)性能的影響。目前針對特定環(huán)境下RFID系統(tǒng)性能的研究文獻還比較有限。何怡剛研究發(fā)現(xiàn)液體環(huán)境下RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽天線的阻抗以及增益等會發(fā)生明顯改變，進而降低RFID系統(tǒng)的讀取范圍和讀取率^[6]；GRIFFIN J D對金屬環(huán)境下RFID標(biāo)簽天線收發(fā)功率進行計算和測量，發(fā)現(xiàn)金屬環(huán)境導(dǎo)致反向鏈路上RFID標(biāo)簽天線的18 dB的損耗，并導(dǎo)致標(biāo)簽天線方向圖明顯失真^[7]。同時，標(biāo)簽天線貼附方式也會對整個系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。CLARKE R H通過大量實驗的測試結(jié)果表明標(biāo)簽天線在不同的貼附狀態(tài)下系統(tǒng)性能差別很大^[8]。

    本文通過Ansoft HFSS軟件對標(biāo)簽天線貼附方式和樣品瓶中土壤含量進行仿真分析，并通過實驗測試標(biāo)簽讀取距離和讀取率。結(jié)合仿真與實驗結(jié)果，采用合適的標(biāo)簽貼附方式以及樣品瓶中適當(dāng)土壤含量實現(xiàn)土壤環(huán)境下RFID系統(tǒng)的正常工作，并降低使用成本。 

1 RFID系統(tǒng)性能分析

    RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽天線與閱讀器天線通過電磁耦合實現(xiàn)能量與信息的交換，天線增益是衡量天線性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，也是影響RFID系統(tǒng)工作的重要性能參數(shù)。通過RFID系統(tǒng)前后鏈路方程量化天線性能對于RFID系統(tǒng)的影響。式(1)是Friis方程的變形，用于計算天線極化匹配以及阻抗匹配下RFID標(biāo)簽接收的用于驅(qū)動標(biāo)簽芯片的能量：

    反向鏈路中標(biāo)簽天線將經(jīng)過調(diào)制的能量以反向散射的方式傳遞至閱讀器天線。如圖1所示，雙向鏈路模型是對單站雷達模型的修正，其中標(biāo)簽天線的散射截面影響標(biāo)簽反向散射至閱讀器的能量，標(biāo)簽天線RCS^[9]如式(2)所示：

其中，P_reader-tx和P_reader-rx分別是閱讀器發(fā)射與接收的能量，40 lgd是自由空間內(nèi)的雙向路徑損失。通過式(3)可獲取標(biāo)簽天線增益，并計算材料對于RFID系統(tǒng)造成的能量損耗。

2 標(biāo)簽天線性能分析

    通過電磁場仿真軟件Ansoft HFSS，針對標(biāo)簽貼附方式以及樣品瓶中不同的土壤含量進行仿真分析。研究對象為常用的半波偶極子標(biāo)簽天線ALIEN-9662，標(biāo)簽采用Higgs-3芯片，其尺寸為73 mm×23 mm。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 標(biāo)簽貼附方式對天線性能影響

    標(biāo)簽貼附于土壤樣品瓶常用兩種方式：(1)標(biāo)簽彎曲貼附于標(biāo)簽樣品瓶，且標(biāo)簽位于樣品瓶中部，如圖3(a)所示；(2)標(biāo)簽豎直貼附標(biāo)簽樣品瓶，標(biāo)簽頂部與樣品瓶頸部平齊，如圖3(b)所示。土壤樣品瓶為Φ60×120（單位：mm）的棕色鈉鈣玻璃瓶。針對上述兩種標(biāo)簽貼附方式在HFSS中按照鈉鈣玻璃瓶與標(biāo)簽原始尺寸進行仿真建模，并將自由空間下橫向水平放置的標(biāo)簽作為對照，記為貼附方式C。通過比較不同貼附方式下輻射方向圖4(a)、圖4(b)與自由空間中標(biāo)簽輻射方向圖4(c)的差異，獲取不同標(biāo)簽貼附方式導(dǎo)致標(biāo)簽輻射性能的區(qū)別。

    圖4為不同標(biāo)簽貼附方式下標(biāo)簽天線輻射方向圖，其中極角表示標(biāo)簽天線的輻射方向，極徑表示標(biāo)簽天線的輻射強度，單位為dBi。通過比較圖4(a)與圖4(c)可知：標(biāo)簽平行貼附樣品瓶時天線E、H面最大增益均有所降低，但天線方向圖基本形狀不變。比較圖4(b)與圖4(c)可知：標(biāo)簽垂直貼附樣品瓶時，天線方向圖發(fā)生嚴(yán)重變形，且標(biāo)簽天線增益發(fā)生明顯下降。由標(biāo)簽橫向貼附至縱向貼附過程中，標(biāo)簽天線的極化方向發(fā)生改變，導(dǎo)致閱讀器天線發(fā)送至標(biāo)簽的能量無法實現(xiàn)最大功率傳輸。因此，土壤樣品瓶應(yīng)避免標(biāo)簽與樣品瓶的垂直放置，而是采用如圖3(a)所示彎曲貼附于樣品瓶中部實現(xiàn)RFID系統(tǒng)正常工作。

    自由空間下調(diào)節(jié)閱讀器的發(fā)射功率從20 dB～30 dB變化，測量閱讀器天線與樣品瓶距離，獲取兩種標(biāo)簽貼附方式不同閱讀器發(fā)射功率下的標(biāo)簽的最小讀取距離，實驗設(shè)置如圖5所示。根據(jù)圖6標(biāo)簽的最大讀取距離測試結(jié)果，貼附方式A在20 dB～30 dB下讀取距離均大于貼附方式B，且隨著閱讀器發(fā)射功率的增大，讀取距離的差值逐漸減少至1.1 m左右。

    通過上述的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，貼附方式A最大讀取距離明顯優(yōu)于貼附方式B，與HFSS的仿真結(jié)果相匹配。由于貼附方式的不同改變了標(biāo)簽天線的極化方向，致使無法實現(xiàn)標(biāo)簽與閱讀器天線間最大能量傳輸，進而改變了標(biāo)簽的最大讀取距離。

2.2 土壤環(huán)境對于天線性能影響

    土壤介電性能會影響RFID系統(tǒng)中微波信號的傳輸和反射。野外采集的新鮮土樣經(jīng)過風(fēng)干、磨細、過篩、混勻后裝盤，并挑選出非土壤部分，即為所需的土壤樣品^[10]。根據(jù)上文研究結(jié)果，貼附方式A標(biāo)簽最大讀取距離更遠。標(biāo)簽采用貼附方式A針對樣品瓶中土壤含量對標(biāo)簽天線性能的影響進行分析。在HFSS中按照原始尺寸建立如圖7所示裝有土壤的樣品瓶模型，RFID標(biāo)簽頂部與樣品瓶頸部下邊沿齊平，并通過HFSS改變樣品瓶中土壤高度為20 mm～80 mm。

    由圖8不同土壤含量下標(biāo)簽天線回波損耗曲線可知樣品瓶中土壤對標(biāo)簽天線的諧振頻率產(chǎn)生影響。當(dāng)樣品瓶中土壤高度位于標(biāo)簽下方(20 mm～60 mm)，隨著土壤高度的增加，標(biāo)簽天線回波損耗從-4.2 dB減小至-5.4 dB，標(biāo)簽諧振頻率從932 MHz增長至938 MHz。但是當(dāng)樣品瓶中土壤高度在標(biāo)簽寬度范圍(60 mm～80 mm)增長，標(biāo)簽天線諧振頻率出現(xiàn)反向下降。此時閱讀器天線發(fā)射的電磁波不僅會在前向鏈路中被標(biāo)簽后方的土壤吸收，同時在反向鏈路中標(biāo)簽天線調(diào)制后的部分能量也會被土壤吸收。而當(dāng)樣品瓶中土壤位于RFID標(biāo)簽下方時，標(biāo)簽天線僅受到來自標(biāo)簽下方的土壤樣品干擾。

    根據(jù)圖9樣品瓶中土壤含量的不同導(dǎo)致標(biāo)簽天線阻抗實部（re(Z(2,2))）以及天線阻抗虛部（im(Z(2,2))）發(fā)生改變。樣品瓶中土壤高度位于RFID標(biāo)簽下方時，隨著樣品瓶中土壤高度的增加，在920 MHz～940 MHz的工作頻段區(qū)間內(nèi)標(biāo)簽天線阻抗的實部和虛部也隨之增加；當(dāng)樣品瓶中土壤高度處于標(biāo)簽天線的寬度范圍(60 mm～80 mm)，隨著土壤高度的增加，工作頻段的標(biāo)簽天線阻抗出現(xiàn)反向降低。標(biāo)簽天線與閱讀器天線極化、阻抗匹配下標(biāo)簽天線識別性能取決于功率反射系數(shù)以及標(biāo)簽天線增益^[10]。其中功率反射系數(shù)與標(biāo)簽天線輸入阻抗有關(guān)，而標(biāo)簽天線增益與標(biāo)簽天線輻射性能有關(guān)，因此樣品瓶中土壤含量的改變使得標(biāo)簽天線的讀取距離發(fā)生改變。

    改變樣品瓶中土壤樣品高度從20 mm增長至80 mm。實驗設(shè)置標(biāo)簽與閱讀器天線的間距為20 cm，閱讀器讀取次數(shù)為50次，記錄不同閱讀器功率20 dB～30 dB接收到標(biāo)簽返回信號的次數(shù)，實驗設(shè)置如圖5所示。根據(jù)圖10標(biāo)簽讀取測試結(jié)果可知：當(dāng)樣品瓶中土壤位于標(biāo)簽天線下方(土壤高度20 mm～60 mm)，隨著土壤高度增加，標(biāo)簽讀取次數(shù)下降不明顯；當(dāng)樣品瓶中土壤位于標(biāo)簽天線范圍（土壤高度60 mm～80 mm），隨著土壤高度增加，標(biāo)簽讀取次數(shù)顯著下降。

    樣品瓶中不同土壤含量導(dǎo)致標(biāo)簽天線讀取次數(shù)發(fā)生改變。通過實驗測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品瓶中土壤位于標(biāo)簽寬度范圍時，標(biāo)簽讀取效果略差于樣品瓶中土壤位于標(biāo)簽下方。仿真結(jié)果也表明，樣品瓶中土壤含量的不同導(dǎo)致標(biāo)簽天線阻抗與諧振頻率發(fā)生偏移，無法實現(xiàn)標(biāo)簽的最佳工作頻段以及最佳阻抗匹配，對標(biāo)簽性能產(chǎn)生影響，進而改變了RFID系統(tǒng)讀取性能。

3 結(jié)論

    本文利用Ansoft HFSS和RFID標(biāo)簽讀取試驗針對標(biāo)簽貼附方式以及樣品瓶中土壤含量對RFID標(biāo)簽天線ALIEN-9662讀取性能影響進行分析和測試。標(biāo)簽貼附方式的不同影響標(biāo)簽天線的極化方向，進而改變標(biāo)簽天線最大功率傳輸方向，導(dǎo)致不同標(biāo)簽貼附方式下標(biāo)簽最大讀取距離變化；土壤影響標(biāo)簽天線的諧振頻率，使得標(biāo)簽天線最佳工作的頻段發(fā)生改變；同時樣品瓶中土壤含量的不同導(dǎo)致標(biāo)簽天線輸入阻抗發(fā)生改變，使得標(biāo)簽讀取率改變；土壤與標(biāo)簽天線相對位置不同對于標(biāo)簽天線讀取性能影響也不同。上述結(jié)論對于土壤樣品庫中標(biāo)簽天線的使用以及樣品瓶中土壤含量的選取具有實際意義，有助于實現(xiàn)RFID技術(shù)在土壤樣品庫中的高效使用。同時對于研究RFID標(biāo)簽貼附于不同介質(zhì)的和維護具有借鑒意義。

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作者信息:

李  達，韓冬桂，沈程硯丹，李紅軍，燕  怒

(武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢430000)