劉耀輝 胡敬芳 宋鈺 李延生 高國(guó)偉,3

1. 北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192；2. 北京信息科技大學(xué) 傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 北京信息科技大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4. 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感器聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050

0 前言

環(huán)境監(jiān)測(cè)是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要手段。監(jiān)測(cè)對(duì)象包括空氣、水環(huán)境和土壤環(huán)境等，利用監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行物質(zhì)含量周期性測(cè)定并與規(guī)定含量對(duì)比，可以有效地確定監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量，從而采取應(yīng)對(duì)措施[1]。常用的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)儀器利用生物、化學(xué)和物理原理對(duì)測(cè)定區(qū)域進(jìn)行周期性檢測(cè)，由此獲取不同時(shí)刻監(jiān)測(cè)指標(biāo)的含量值。這種監(jiān)測(cè)方式雖然可以獲得較為準(zhǔn)確的污染物含量，但也存在監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。例如：大多數(shù)水庫(kù)利用專業(yè)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行站點(diǎn)監(jiān)測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備由于數(shù)據(jù)采集端通信方式的局限性，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回至監(jiān)控室時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)延遲，從而影響數(shù)據(jù)庫(kù)更新和預(yù)測(cè)。此外，儀器維護(hù)成本較高、設(shè)備監(jiān)管性不足也是一個(gè)問(wèn)題[2]。環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備需要定期進(jìn)行維護(hù)，對(duì)設(shè)備的監(jiān)管力度不足，可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度下降，且缺乏監(jiān)測(cè)局部區(qū)域的功能?；谶b感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式同樣應(yīng)用廣泛。這種監(jiān)測(cè)方式通過(guò)高分辨衛(wèi)星來(lái)達(dá)到對(duì)目標(biāo)區(qū)域環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，常用來(lái)觀測(cè)海洋和大氣污染、城市綠化程度、林區(qū)火災(zāi)、臺(tái)風(fēng)天氣等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[3]，不過(guò)這種基于遙感技術(shù)的監(jiān)測(cè)方式技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，研發(fā)成本和對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的圖像分辨率要求較高。

近年來(lái)，隨著相關(guān)環(huán)境保護(hù)條例的落實(shí)，我國(guó)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的重視程度逐漸增加，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳感技術(shù)的運(yùn)用使得環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)朝著低成本化、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性等方向發(fā)展[4]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳感技術(shù)將眾多傳感器覆蓋到監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)具體區(qū)域的監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程和快速傳輸，提高了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)作為無(wú)線通信技術(shù)的重要組成部分，近年來(lái)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。RFID技術(shù)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一項(xiàng)常用的非接觸識(shí)別技術(shù)，近幾年在國(guó)內(nèi)外得到快速發(fā)展，且廣泛應(yīng)用在物流管理、醫(yī)療行業(yè)、交通管理、商品防偽、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域[5-7]，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要方式。它通過(guò)無(wú)線電波中的射頻信號(hào)達(dá)到對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別，無(wú)需與識(shí)別對(duì)象進(jìn)行接觸，便可快速有效地識(shí)別出目標(biāo)對(duì)象，并讀取其儲(chǔ)存的信息。在偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的無(wú)人環(huán)境下，RFID系統(tǒng)可以利用讀寫器發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)回傳和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸，提高監(jiān)測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化性能。

RFID技術(shù)在國(guó)外起步很早，從20世紀(jì)60年代便有學(xué)者開(kāi)始研究此項(xiàng)技術(shù)并逐漸投入應(yīng)用，尤其是以美國(guó)、德國(guó)、日本為主的發(fā)達(dá)國(guó)家，研究發(fā)展迅速，研究應(yīng)用涉及工業(yè)、交通業(yè)、醫(yī)療業(yè)、零售業(yè)等多種行業(yè)。目前，國(guó)外對(duì)RFID技術(shù)的研究繼續(xù)朝著應(yīng)用化和多領(lǐng)域方向發(fā)展。以環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用為例，MASRI E L等[8]針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的腐蝕現(xiàn)象提出了一種室內(nèi)大氣腐蝕監(jiān)測(cè)方法，暴露在室內(nèi)的金屬會(huì)因?yàn)楦g作用而變厚，進(jìn)而導(dǎo)致金屬阻值增加，因此他們利用 RFID 讀卡器從由RFID 芯片和敏感金屬層構(gòu)成的設(shè)備中收集阻值信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬層腐蝕情況的監(jiān)測(cè)功能。RANJANA P等[9]設(shè)計(jì)了一種智能垃圾處理箱，在垃圾箱內(nèi)安裝超聲波傳感器、氣體傳感器并配置RFID系統(tǒng)，可穿戴RFID閱讀器和紅外閱讀器通過(guò)傳感器獲取垃圾箱內(nèi)氣體成分及含量、堆積程度、濕度，判斷垃圾是否應(yīng)該處理，并將信息實(shí)時(shí)反饋給垃圾處理中心，如圖1所示。

國(guó)內(nèi)對(duì)RFID技術(shù)的研究比西方各國(guó)較晚，在一些關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備上還依賴國(guó)外進(jìn)口。不過(guò)，這些年國(guó)家對(duì)RFID技術(shù)的應(yīng)用逐漸重視，例如我國(guó)第二代身份證采用內(nèi)置RFID芯片的設(shè)計(jì)方案，方便居民信息的儲(chǔ)存和讀取，企業(yè)對(duì)RFID技術(shù)投資力度加大，關(guān)于RFID系統(tǒng)的完整產(chǎn)業(yè)鏈已初具雛形。目前，各大研究所和高校將RFID技術(shù)和其他學(xué)科技術(shù)融合，擴(kuò)展了RFID技術(shù)的應(yīng)用前景。陳曉寧等[10]設(shè)計(jì)了一種基于GPRS和RFID技術(shù)的蔬菜大棚環(huán)境管理系統(tǒng)，擴(kuò)展了RFID技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用。郝唯文等[11]設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于變電站監(jiān)測(cè)的無(wú)源無(wú)線傳感器，利用無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站無(wú)人區(qū)域環(huán)境溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)?；赗FID無(wú)線通信技術(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在改善傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備存在的實(shí)時(shí)性差、自動(dòng)化性能不足的同時(shí)，可以有效降低設(shè)備的成本。因此，本文就RFID技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)研究，旨在了解RFID技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)的新思路。

1 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的構(gòu)成與原理

1.1 RFID系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）閱讀器：發(fā)送射頻信號(hào)以識(shí)別電子標(biāo)簽，識(shí)別成功之后，接收電子標(biāo)簽傳輸?shù)男畔⒉鬟f給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

（2）電子標(biāo)簽：儲(chǔ)存待識(shí)別目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)電子標(biāo)簽的能量來(lái)源，可分為有源標(biāo)簽、無(wú)源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽[12]；

（3）天線：包括發(fā)射天線和接收天線，用于閱讀器和電子標(biāo)簽之間進(jìn)行能量和信息的傳遞，是RFID系統(tǒng)的重要組成部分，天線性能的好壞直接影響著能量的傳遞效率；

（4）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：對(duì)閱讀器接收的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、處理和分析。

1.2 RFID系統(tǒng)原理

RFID系統(tǒng)原理如圖2所示。首先對(duì)一段詢問(wèn)指令進(jìn)行編碼，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)送出射頻信號(hào)至電子標(biāo)簽，最終由接收天線接收標(biāo)簽儲(chǔ)存的信息，這一過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，同時(shí)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼、解調(diào)和整流。無(wú)源電子標(biāo)簽受到能量激勵(lì)，將自身攜帶的信息經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制，重新發(fā)送到閱讀器，閱讀器接收到信息，交由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)處理，從而完成自動(dòng)識(shí)別工作[13-14]，調(diào)制和解調(diào)制均在RF調(diào)制解調(diào)器中完成。

RFID系統(tǒng)中閱讀器和電子標(biāo)簽之間信號(hào)的傳輸采取兩種類型。

（1）電感耦合模型：適用于中、低頻段的射頻信號(hào)。同變壓器模型類似，電子標(biāo)簽的磁感應(yīng)回路會(huì)受到閱讀器線圈磁場(chǎng)變化的影響，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并為電子標(biāo)簽供能，如圖3所示，其中，虛線框表示磁場(chǎng)；

（2）電磁反向散射模型：適用于高頻、微波頻段的射頻信號(hào)。閱讀器發(fā)送的射頻信號(hào)由于波長(zhǎng)短，輻射到電子標(biāo)簽之后，一部分會(huì)攜帶標(biāo)簽信息重新反射回閱讀器，這與雷達(dá)模型類似，如圖4所示。

2 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)相較傳統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。如傳統(tǒng)的磁卡識(shí)別技術(shù)，在發(fā)卡前需要對(duì)卡片添加磁條，并通過(guò)接觸式的方式才能夠進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，然而，磁條可能會(huì)隨著卡片的使用時(shí)間和次數(shù)的增加以及外界環(huán)境變化的影響出現(xiàn)消磁現(xiàn)象，增大數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。集成電路卡（integrated circuit card，IC）識(shí)別技術(shù)是在磁卡識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，IC卡中不再使用磁條，而是內(nèi)置集成電路芯片，并儲(chǔ)存識(shí)別對(duì)象的信息，因此排除了出現(xiàn)消磁現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)。

目前的IC卡擴(kuò)展了非接觸識(shí)別的功能，即非接觸式IC卡，也稱射頻卡，它結(jié)合了RFID技術(shù)和IC卡集成電路技術(shù)，使得IC卡在一定距離內(nèi)便可完成非接觸式識(shí)別[15]，例如宿舍門禁系統(tǒng)、高速公路收費(fèi)管理系統(tǒng)[16]和倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)。這種識(shí)別技術(shù)具有短時(shí)間同時(shí)識(shí)別多個(gè)對(duì)象的能力，且無(wú)需考慮卡片消磁等因素，在一定范圍內(nèi)便可以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。目前，我國(guó)第二代居民身份證也使用了這種射頻識(shí)別技術(shù)，射頻卡具有取代過(guò)去普遍磁卡的趨勢(shì)。

3 無(wú)線射頻技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 建筑環(huán)境中甲醛氣體的監(jiān)測(cè)

壁紙、油漆、涂料是常見(jiàn)的室內(nèi)裝修材料，然而這些產(chǎn)品大都存在甲醛、苯等有害氣體，它們會(huì)對(duì)人體呼吸道黏膜產(chǎn)生破壞，進(jìn)而造成呼吸道疾病。長(zhǎng)期待在含有這些物質(zhì)的室內(nèi)環(huán)境，會(huì)對(duì)人體器官造成嚴(yán)重的損傷[17]，并可能提高相關(guān)病癥的患病風(fēng)險(xiǎn)，甲醛和苯等有害氣體現(xiàn)已被納入致癌物清單。目前，專業(yè)檢測(cè)甲醛的方法主要分為化學(xué)試劑檢測(cè)法和實(shí)驗(yàn)儀器檢測(cè)法?；瘜W(xué)試劑檢測(cè)雖然可以檢測(cè)到目標(biāo)物的存在，但是無(wú)法得到其具體的含量，檢測(cè)結(jié)果不精確，檢測(cè)成本過(guò)高；實(shí)驗(yàn)儀器檢測(cè)同樣需要不少的檢驗(yàn)成本，雖然可以得到確切的檢測(cè)含量，但是檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，程序繁瑣。

綜上所述，專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)雖然可以檢測(cè)出甲醛的含量，但也存在著檢測(cè)成本過(guò)高，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法動(dòng)態(tài)地獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和傳感器技術(shù)幾十年來(lái)的發(fā)展，氣體傳感器由此出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用在工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染報(bào)警等方面。研究熱度較高的電子鼻系統(tǒng)便是依靠氣體傳感器對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)，以達(dá)到模仿人類嗅覺(jué)對(duì)氣體目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別和含量測(cè)定的功能[18]。

近些年來(lái)，人們對(duì)傳感器的研究更加注重技術(shù)融合，如利用RFID技術(shù)和傳感器技術(shù)的融合，使傳感器和監(jiān)控終端通過(guò)射頻信號(hào)進(jìn)行信息的傳輸交互，做到對(duì)室內(nèi)有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，可以有效地識(shí)別出甲醛等有毒有害氣體一段時(shí)間內(nèi)的濃度變化。

何旭連等[19]設(shè)計(jì)了一款基于射頻識(shí)別技術(shù)的家居甲醛含量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)分為甲醛濃度監(jiān)測(cè)終端和后臺(tái)監(jiān)控終端。監(jiān)測(cè)終端利用甲醛濃度傳感器對(duì)空氣中甲醛含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控終端將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。如圖5所示，甲醛濃度傳感器和溫度傳感器獲取的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在微控制器模塊，射頻識(shí)別模塊利用射頻信號(hào)發(fā)送詢問(wèn)指令，微控制器模塊對(duì)詢問(wèn)指令進(jìn)行執(zhí)行，經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制工作將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回至監(jiān)控終端，從而完成監(jiān)測(cè)信息的獲取。此外，設(shè)計(jì)中的氣體傳感器使用金屬氧化物半導(dǎo)體作為敏感材料，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于甲醛、苯、氮氧化物等氣體的檢測(cè)[20]。

廖小林等[21]設(shè)計(jì)的基于射頻識(shí)別電路的室內(nèi)甲醛濃度檢測(cè)系統(tǒng)，利用氣體和溫度傳感器作為系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)終端，并通過(guò)微控制器模塊計(jì)算出甲醛的濃度，所設(shè)計(jì)的射頻識(shí)別模塊用于實(shí)時(shí)獲取微控制器傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中的氣體傳感器可以同時(shí)獲取8種氣體包含的信息，結(jié)合射頻識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控終端和數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息對(duì)比來(lái)檢測(cè)氣體的產(chǎn)生，提高了傳感器的檢驗(yàn)準(zhǔn)確性。

目前，電化學(xué)傳感器也可作為監(jiān)測(cè)終端，利用電化學(xué)傳感器和RFID技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以降低傳感器的工作溫度以及提高監(jiān)測(cè)靈敏度，同時(shí)，應(yīng)用RFID技術(shù)的自動(dòng)識(shí)別功能可以使傳感器具有實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)終端的實(shí)時(shí)顯示，以及利用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警提供便利。如黃麗巧等[22]設(shè)計(jì)的氧氣監(jiān)測(cè)儀，設(shè)計(jì)中的中央控制器根據(jù)電化學(xué)傳感器反應(yīng)電極由氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流大小獲取氣體濃度，儀器反應(yīng)靈敏，且能夠降低因傳感器工作溫度升高產(chǎn)生的能耗，并可以將采集的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在射頻識(shí)別模塊標(biāo)簽中，從而可以使用閱讀器將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。不過(guò)，電化學(xué)傳感器需要依靠電解質(zhì)環(huán)境進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)，其使用壽命是目前最大的問(wèn)題[23]。

3.2 大氣污染指數(shù)的監(jiān)測(cè)

大氣污染指數(shù)是衡量一個(gè)區(qū)域環(huán)境污染程度的重要指標(biāo)。對(duì)環(huán)境中的污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于氣象出行預(yù)警以及居民身體健康具有重要意義。大氣污染物包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、顆粒物及其他有毒氣體。

氨氣是一種危害人體健康的無(wú)色刺激性氣體，在一些容易產(chǎn)生氨氣的區(qū)域，如肥料廠、垃圾填埋場(chǎng)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)氨氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分重要。王建業(yè)等[24]設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)NH3的超高頻RFID標(biāo)簽傳感器天線，通過(guò)對(duì)標(biāo)簽天線附加一層氨氣敏感材料，使標(biāo)簽既可以儲(chǔ)存目標(biāo)對(duì)象的信息，又同時(shí)兼具傳感器特性，實(shí)現(xiàn)了射頻識(shí)別技術(shù)和傳感器技術(shù)的結(jié)合。當(dāng)敏感材料接觸到氨氣時(shí)，其介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響天線輸入端與RFID閱讀器輸出端的阻抗匹配，使得天線最佳工作頻率發(fā)生偏移，通過(guò)后臺(tái)處理器測(cè)定偏移程度，便可以得到氨氣濃度，做到氨氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的空氣污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor net，WSN）對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域配置氣敏傳感器，不過(guò)這種監(jiān)測(cè)方案的傳感器需要電源模塊供能，由此帶來(lái)的問(wèn)題便是傳感器使用時(shí)間不長(zhǎng)，電池更換成本高。采用RFID標(biāo)簽作為傳感器，不僅能夠利用感應(yīng)耦合原理傳遞能量為標(biāo)簽供能，還擴(kuò)展了電子標(biāo)簽的傳感特性。電子標(biāo)簽利用介電常數(shù)改變電容特性，并引發(fā)諧振頻率的偏移來(lái)反映氣體濃度的方法，同樣也可用于監(jiān)測(cè)溫度、濕度、光照、裂縫、食品質(zhì)量等信息。

3.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)及土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)

利用RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能農(nóng)場(chǎng)從概念變成了現(xiàn)實(shí)。通過(guò)RFID技術(shù)對(duì)配置在農(nóng)場(chǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別，后臺(tái)系統(tǒng)便可以實(shí)時(shí)收集到農(nóng)場(chǎng)溫濕度、光照、含氧量、二氧化碳濃度等信息，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)整便可以獲得農(nóng)作物最適環(huán)境[25]。

DENG F等[26]基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一種結(jié)合傳感器使用的無(wú)源標(biāo)簽，通過(guò)將電子標(biāo)簽埋于土壤深處，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田土壤溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)源標(biāo)簽的能量供給，閱讀器采用了反向散射原理對(duì)標(biāo)簽供電，從而開(kāi)啟傳感器的采樣通道，將傳感器數(shù)據(jù)保存在標(biāo)簽內(nèi)存中，并在發(fā)送Query（詢問(wèn)）信號(hào)之后將標(biāo)簽ID和傳感器數(shù)據(jù)一同傳回至閱讀器，這種數(shù)據(jù)傳輸方式比傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)收發(fā)方式更加節(jié)能，數(shù)據(jù)的傳輸效率也有所提高，土壤溫濕度數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖6所示。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)獲得了標(biāo)簽傳感器的最大埋放深度、最大土壤濕度和最大通信距離；在精確度實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)簽傳感器的監(jiān)測(cè)誤差滿足使用要求，證明了設(shè)計(jì)的可行性。

這種無(wú)源RFID標(biāo)簽在保證穩(wěn)定獲取傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，解決了電池污染和使用WSN技術(shù)在土壤深處信號(hào)傳遞受阻的問(wèn)題，為土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新思路。提高通信距離和數(shù)據(jù)精確性將是研究人員下一步需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

3.4 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

水環(huán)境問(wèn)題是影響我國(guó)民生的重要問(wèn)題。水質(zhì)的好壞直接影響到人民的健康狀況，對(duì)水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保證水體質(zhì)量的重要手段。此外，隨著南水北調(diào)戰(zhàn)略工程的持續(xù)部署，各流域水庫(kù)相繼建成，對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，不僅關(guān)系到水利設(shè)施的安全以及能否進(jìn)行正常工作，還關(guān)系到流域附近居民的生命安全。

顏波等[27]設(shè)計(jì)了基于RFID技術(shù)和WSN技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，利用傳感器組件實(shí)現(xiàn)水體pH值、重金屬含量、溫度、含氧量等信息的測(cè)定，并通過(guò)射頻識(shí)別模塊將水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和位置傳輸?shù)絉FID閱讀器，傳感器監(jiān)測(cè)的信息和閱讀器接收的信息經(jīng)過(guò)核心處理器和射頻模塊的處理被發(fā)送至無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸至控制中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)對(duì)象的預(yù)警功能。

ZHANG L等[28]設(shè)計(jì)了一種融合RFID技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)水庫(kù)各區(qū)域建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，并配置溫濕度傳感器、瓦斯傳感器、水位傳感器、壓力傳感器、水庫(kù)滲流和表面變形傳感器等對(duì)水庫(kù)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理器模塊通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，無(wú)線通信模塊上集成有無(wú)線射頻電路，用來(lái)傳輸存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，如圖7所示。

采集的數(shù)據(jù)會(huì)匯聚到數(shù)據(jù)采集終端，同RFID系統(tǒng)采集到的人員巡檢信息一起通過(guò)以太網(wǎng)打包至現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，在后臺(tái)進(jìn)行水庫(kù)綜合環(huán)境的監(jiān)測(cè)顯示，如圖8所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在后臺(tái)運(yùn)用模糊推理理論，從傳感器獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)模糊化、添加隸屬度函數(shù)、模糊推理、反模糊化的處理，從而可以獲取水庫(kù)環(huán)境的安全指數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)制造和維護(hù)成本較高，常置于固定區(qū)域，獲取的全局監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為片面。此外，系統(tǒng)采用布線方式與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接，線路復(fù)雜且鋪設(shè)工作量大。無(wú)線射頻技術(shù)可以做到短距離數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸，與傳感器技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可以做到傳感器數(shù)據(jù)的快捷傳輸，而無(wú)需考慮線路布置問(wèn)題，并最終能在后臺(tái)處理器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警，為目前的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供新架構(gòu)。

無(wú)線射頻技術(shù)正加大與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，以環(huán)境監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，無(wú)線射頻技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要實(shí)現(xiàn)形式，最終可以實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用層對(duì)環(huán)境因素的處理和控制。無(wú)線射頻技術(shù)中采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)眾多傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同數(shù)據(jù)采集，并發(fā)揮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性，保證監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)的精確性和穩(wěn)定上傳，最終通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)將數(shù)據(jù)接收并傳輸?shù)胶笈_(tái)處理器。相信在不久的將來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)分析和智能控制算法研究的不斷深入，無(wú)線射頻技術(shù)將繼續(xù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。