基于超高頻RFID技術(shù)的無線水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 琦， 楊 蕊， 溫子恒， 俞鈺峰

（杭州電子科技大學(xué)a.電子信息學(xué)院；b.自動(dòng)化學(xué)院，杭州 310018）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things，IoT）是指將各種終端設(shè)備通過通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議連接進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、感知、定位、監(jiān)控等功能，被稱為信息科技產(chǎn)業(yè)的第3 次革命。作為物聯(lián)網(wǎng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非視距、全方位、穿透性、全天候自動(dòng)讀取等諸多優(yōu)點(diǎn)，并可通過電子產(chǎn)品代碼（Electronic Product Code，EPC）實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享，成為鏈接產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)的紐帶［1-2］。近年來，RFID在公共安全、生產(chǎn)管理與控制、現(xiàn)代物流與供應(yīng)鏈管理、交通管理、軍事、重大工程與活動(dòng)等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［3-4］。

由于RFID固有的識(shí)別功能和在通信過程中隱藏在相關(guān)物理信號(hào)中的感知擴(kuò)展功能，在無線傳感中顯示出巨大的潛力，可替代物聯(lián)網(wǎng)感知層中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集目標(biāo)信息，如溫度、濕度、拉力等［5-9］，將目標(biāo)信息無線傳輸?shù)椒?wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和應(yīng)用，并可基于RFID 技術(shù)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位［10-11］。

由于面臨電子產(chǎn)品不友好的液體環(huán)境問題，無線液位傳感器通常需要特殊工藝對(duì)內(nèi)部的無線模塊和電源模塊等電路進(jìn)行防水處理，并需定期對(duì)傳感器進(jìn)行更換電池或者充電操作，因此通常造價(jià)較高、使用不便。為此，本文設(shè)計(jì)了基于超高頻RFID 技術(shù)的無線水位監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析閱讀器天線接收到的標(biāo)簽反向散射功率，得出反向散射功率和容器內(nèi)水位的量化關(guān)系；進(jìn)而通過測試反向散射功率得出對(duì)應(yīng)的目標(biāo)水位。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解RFID技術(shù)原理和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用仿真等技術(shù)模擬復(fù)雜工程問題［12］，提高學(xué)生針對(duì)復(fù)雜工程問題的方案設(shè)計(jì)、實(shí)施以及分析能力［13］。

1 RFID工作原理

標(biāo)簽是RFID 系統(tǒng)電子數(shù)據(jù)承載裝置，使用時(shí)附著于作為RFID 系統(tǒng)追蹤檢測目標(biāo)的物體或者材料上，通常由一個(gè)耦合元件和電子微芯片構(gòu)成。電子數(shù)據(jù)位于芯片內(nèi)存之中。標(biāo)簽可以接收由閱讀器傳輸來的能量，同時(shí)可與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)標(biāo)簽接收到閱讀器傳輸?shù)男盘?hào)時(shí)，可以執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，包括讀內(nèi)存、寫內(nèi)存或以其他方式處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，如加密等。

本文中所涉及的超高頻RFID 標(biāo)簽工作在標(biāo)準(zhǔn)頻段（902-928 MHz），為無源標(biāo)簽。該類標(biāo)簽工作時(shí)激活RFID芯片所需的能量來自于閱讀器天線傳輸來的電磁能量，標(biāo)簽中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取過程都是依靠標(biāo)簽天線將接收到的電磁波進(jìn)行反向散射來完成［14］。如圖1 所示，由閱讀器傳到標(biāo)簽的部分到達(dá)功率被標(biāo)簽天線反射，反射功率受標(biāo)簽天線負(fù)載調(diào)制。反射功率經(jīng)自由空間傳播，重新被閱讀器天線接收。閱讀器天線接收到的信息經(jīng)由閱讀器內(nèi)部電路的一系列處理后獲得標(biāo)簽芯片內(nèi)的有效信息。

圖1 RFID反向散射工作示意圖

RFID 標(biāo)簽接收到的電磁波功率受到閱讀器的輸出功率、閱讀器天線增益、標(biāo)簽天線增益方位角、閱讀環(huán)境等的影響。在不考慮傳輸、極化失配和方位角等損耗的前提下，可以簡單地通過Friis自由空間公式計(jì)算［15］標(biāo)簽的接收功率：

式中：λ為對(duì)應(yīng)頻率的波長；Pt為閱讀器的輸出功率；Gt為閱讀器天線的增益；Gr為RFID 標(biāo)簽天線的增益；R為閱讀器天線與標(biāo)簽天線之間的距離。

閱讀器天線接收到的標(biāo)簽的反向散射功率Pb可以通過把標(biāo)簽作為輻射源、再次利用Friis 公式進(jìn)行計(jì)算［16］：

式中：τ為RFID標(biāo)簽天線的功率傳輸系數(shù)［17］，反映了信號(hào)源和負(fù)載之間的傳輸情況，其定義為：

式中，ZL、ZS分別為負(fù)載與信號(hào)源的阻抗?？梢?，閱讀器接收到的反向散射功率Pb與閱讀器的輸出功率Pt、閱讀器天線的增益Gt、RFID標(biāo)簽天線的增益Gr、標(biāo)簽天線的功率傳輸系數(shù)τ 正相關(guān)，閱讀器天線與標(biāo)簽之間的距離R負(fù)相關(guān)。在已知的測試條件下，即閱讀器的輸出功率Pt、閱讀器天線的增益Gt、距離R固定的前提下，反向散射功率Pb由RFID標(biāo)簽天線的增益Gr、標(biāo)簽天線的功率傳輸系數(shù)τ決定。該結(jié)論為基于超高頻RFID技術(shù)的無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析奠定了理論基礎(chǔ)。

2 超高頻RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)和分析

2.1 標(biāo)簽設(shè)計(jì)

無線水位監(jiān)測系統(tǒng)中的標(biāo)簽部分如圖2 所示，主要由彎折曲線型偶極子天線及加載在天線中間位置的RFID芯片構(gòu)成。

圖2 無線水位監(jiān)測RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖

由于RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝成熟，成本遠(yuǎn)低于其他無線傳感器；無需供電模塊，可以直接整體封裝后安裝在容器內(nèi)壁，有良好的耐水性；工作過程中RFID標(biāo)簽無需從容器中取出進(jìn)行開關(guān)操作或者更換電池，使用方便且工作壽命遠(yuǎn)超其他類型的無線傳感器。

當(dāng)安裝有上述RFID 標(biāo)簽的目標(biāo)容器空置時(shí)，RFID標(biāo)簽天線與RFID芯片阻抗共軛匹配，使標(biāo)簽可以在超高頻頻段內(nèi)正常工作。隨著容器中水位升高，天線阻抗隨之發(fā)生變化，與RFID 芯片阻抗逐漸失配，天線的功率傳輸系數(shù)和增益下降。由式（2）中可以得出，該過程中RFID 讀寫器所接收到的反向散射功率也會(huì)同步單調(diào)下降。通過對(duì)RFID 閱讀器讀取到的反向散射功率數(shù)值進(jìn)行分析，即可以判斷出目標(biāo)容器內(nèi)的水位情況。

2.2 仿真分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，采用商用軟件ANSYSHFSS對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析。如圖2 所示，待監(jiān)測的容器設(shè)定為200 mm 高的圓柱形塑料量杯。RFID標(biāo)簽垂直粘貼于容器內(nèi)壁，標(biāo)簽的中軸線與杯身中間高度平齊。通過對(duì)量杯高度進(jìn)行均分，劃分出不同的標(biāo)準(zhǔn)水位線，其中1/8 水位線對(duì)應(yīng)高度25 mm，

2/8 水位線對(duì)應(yīng)高度50 mm，依次類推。分別仿真出杯中水位在不同水位線對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽天線的功率傳輸系數(shù)τ，結(jié)果如圖3 所示。可見，在902 ～928 MHz 頻段（FCC標(biāo)準(zhǔn)RFID 頻段）的中心頻率915 MHz，功率傳輸系數(shù)隨著水位的上升單調(diào)下降的。

圖3 不同水位線對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽天線的功率傳輸系數(shù)

圖4為不同水位下的標(biāo)簽在915 MHz的歸一化輻射方向圖。由圖中可見，在915 MHz 時(shí)，垂直于標(biāo)簽天線指向容器外的方向（即圖中0°方向）上，標(biāo)簽天線增益是隨著水位的上升呈下降趨勢。也就是當(dāng)量杯內(nèi)無水時(shí)，增益最大；隨著量杯內(nèi)水位的逐漸上升，標(biāo)簽天線在915 MHz的增益基本呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢。

根據(jù)以上仿真結(jié)果和式（2）可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的反向散射功率Pb。計(jì)算采用商業(yè)數(shù)學(xué)軟件Matlab，計(jì)算中預(yù)設(shè)頻率f=915 MHz，閱讀器的輸出功率Pt=27 dBm，閱讀器天線的增益Gt=9 dBi，距離R=1 m，系統(tǒng)損耗、傳輸損耗等損耗預(yù)計(jì)15 dB，式（2）計(jì)算結(jié)果如圖5 所示?？梢?，反向散射功率隨著水位的上升單調(diào)下降。故而可通過測試RFID 閱讀器讀取到的反向散射功率，并根據(jù)反向散射功率-水位校準(zhǔn)曲線比較所測得的功率數(shù)值，即可得到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)水位。

圖4 不同水位線對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽天線歸一化輻射方向

圖5 仿真反向散射功率-水位校準(zhǔn)曲線

3 無線水位監(jiān)測系統(tǒng)搭建與驗(yàn)證

在仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過搭建測試系統(tǒng)驗(yàn)證本文中提出的超高頻RFID 無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的效果。測試系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 基于超高頻RFID技術(shù)的無線水位監(jiān)測系統(tǒng)裝置示意圖

測試所用閱讀器為ImpinjR420，閱讀器的輸出功率Pt=27 dBm，閱讀器天線增益Gt=9 dBi，閱讀器天線與標(biāo)簽之間的距離R=1 m，和Matlab計(jì)算中的預(yù)設(shè)數(shù)值保持一致。通過測試8 個(gè)水位線對(duì)應(yīng)的反向散射功率，可得出圖7 中的測試反向散射功率-水位校準(zhǔn)曲線?？梢?，該測試校準(zhǔn)曲線和圖5 中的仿真校準(zhǔn)曲線保持了高度一致性，除因損耗估算造成的輕微誤差，基本符合仿真的預(yù)期。因此可以通過圖7 中的校準(zhǔn)曲線獲取待測容器中的水位信息。

圖7 測試反向散射功率-水位校準(zhǔn)曲線

基于超高頻RFID技術(shù)的無線水位監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際使用過程如下：通過RFID 閱讀器讀取反向散射功率Pb，在圖7 的校準(zhǔn)曲線的縱坐標(biāo)上查找該功率值，即可確定該功率值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)，得出當(dāng)前水位處于某2條標(biāo)準(zhǔn)水位線之間。例如，當(dāng)測得反向散射功率為-

35 dBm時(shí)，通過查閱圖7 中的校準(zhǔn)曲線，可以得出結(jié)論，當(dāng)前水位在100 ～125 mm之間。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于超高頻RFID 技術(shù)的無線水位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過對(duì)反向散射功率的測試得到待測容器的水位情況。該系統(tǒng)采用RFID 標(biāo)簽作為無線傳感節(jié)點(diǎn)，有著結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、無需電池、耐水性好、成本低廉、傳感距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)后處理簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)。仿真分析和測試結(jié)果表明，基于超高頻RFID

技術(shù)的無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的理論和測試性能良好吻合。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測試過程涵蓋了射頻通信、信號(hào)檢測及后處理等內(nèi)容，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解RFID 技術(shù)原理和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用仿真等技術(shù)模擬復(fù)雜工程問題，提高學(xué)生針對(duì)復(fù)雜工程問題的方案設(shè)計(jì)、實(shí)施以及分析能力。