0 引言

    土壤是人类赖以生存且不可或缺的自然资源。土壤环境状况直接影响经济发展、农产品安全和人体健康^[1]。因而，对土壤环境进行监测必不可少^[2]。采集土壤样品进行调查监测是监督管理土壤环境资源的重要手段，样品库则是保存土壤样品必不可少的基础设施。样品库不仅能对土壤样品进行规范保存，而且还汇集了各个土壤样品的采集信息、制备信息及土壤质量结果报告，对样品的点位追踪溯源有着重要意义^[3]。目前普遍使用的土壤样品库储存效率不高，空间利用率低，土壤样品信息易暴露且信息化管理较弱，运营效率有待提高。随着我国经济社会不断发展，土壤样品数量呈几何级增加，传统的存储方式很难满足发展需要。同时，国务院出台《土壤污染防治行动计划》明确提出建立数字化、信息化管理水平高的土壤样品库，发挥土壤环境大数据的作用^[4]。射频识别技术是实现库存管理现代化、信息化、自动化的一个重要手段。射频识别技术具有读取速度快、信息容量大、数据传输效率高等特性，同时具有很高的数据安全性^[5]，在现代库存管理中应用广泛。但是将RFID技术引入土壤样品管理仍属首次。目前，在土壤样品库的建设中采用密集架设计实现土壤样品的高效存储，并对存放的土壤样品贴附RFID标签，可以实现高效快速识别不同区域不同种类的土壤样品，从而提高土壤样品的盘点和查询效率，增强土壤信息的安全性。

    RFID系统对于工作环境比较敏感，工作环境中相关物体会对RFID标签天线读取造成干扰，导致系统无法正常工作。将RFID技术引入土壤样品管理首先要解决土壤对于RFID系统性能的影响。目前针对特定环境下RFID系统性能的研究文献还比较有限。何怡刚研究发现液体环境下RFID系统中标签天线的阻抗以及增益等会发生明显改变，进而降低RFID系统的读取范围和读取率^[6]；GRIFFIN J D对金属环境下RFID标签天线收发功率进行计算和测量，发现金属环境导致反向链路上RFID标签天线的18 dB的损耗，并导致标签天线方向图明显失真^[7]。同时，标签天线贴附方式也会对整个系统性能产生影响。CLARKE R H通过大量实验的测试结果表明标签天线在不同的贴附状态下系统性能差别很大^[8]。

    本文通过Ansoft HFSS软件对标签天线贴附方式和样品瓶中土壤含量进行仿真分析，并通过实验测试标签读取距离和读取率。结合仿真与实验结果，采用合适的标签贴附方式以及样品瓶中适当土壤含量实现土壤环境下RFID系统的正常工作，并降低使用成本。 

1 RFID系统性能分析

    RFID系统中标签天线与阅读器天线通过电磁耦合实现能量与信息的交换，天线增益是衡量天线性能优劣的重要指标，也是影响RFID系统工作的重要性能参数。通过RFID系统前后链路方程量化天线性能对于RFID系统的影响。式(1)是Friis方程的变形，用于计算天线极化匹配以及阻抗匹配下RFID标签接收的用于驱动标签芯片的能量：

    反向链路中标签天线将经过调制的能量以反向散射的方式传递至阅读器天线。如图1所示，双向链路模型是对单站雷达模型的修正，其中标签天线的散射截面影响标签反向散射至阅读器的能量，标签天线RCS^[9]如式(2)所示：

其中，P_reader-tx和P_reader-rx分别是阅读器发射与接收的能量，40 lgd是自由空间内的双向路径损失。通过式(3)可获取标签天线增益，并计算材料对于RFID系统造成的能量损耗。

2 标签天线性能分析

    通过电磁场仿真软件Ansoft HFSS，针对标签贴附方式以及样品瓶中不同的土壤含量进行仿真分析。研究对象为常用的半波偶极子标签天线ALIEN-9662，标签采用Higgs-3芯片，其尺寸为73 mm×23 mm。天线结构如图2所示。

2.1 标签贴附方式对天线性能影响

    标签贴附于土壤样品瓶常用两种方式：(1)标签弯曲贴附于标签样品瓶，且标签位于样品瓶中部，如图3(a)所示；(2)标签竖直贴附标签样品瓶，标签顶部与样品瓶颈部平齐，如图3(b)所示。土壤样品瓶为Φ60×120（单位：mm）的棕色钠钙玻璃瓶。针对上述两种标签贴附方式在HFSS中按照钠钙玻璃瓶与标签原始尺寸进行仿真建模，并将自由空间下横向水平放置的标签作为对照，记为贴附方式C。通过比较不同贴附方式下辐射方向图4(a)、图4(b)与自由空间中标签辐射方向图4(c)的差异，获取不同标签贴附方式导致标签辐射性能的区别。

    图4为不同标签贴附方式下标签天线辐射方向图，其中极角表示标签天线的辐射方向，极径表示标签天线的辐射强度，单位为dBi。通过比较图4(a)与图4(c)可知：标签平行贴附样品瓶时天线E、H面最大增益均有所降低，但天线方向图基本形状不变。比较图4(b)与图4(c)可知：标签垂直贴附样品瓶时，天线方向图发生严重变形，且标签天线增益发生明显下降。由标签横向贴附至纵向贴附过程中，标签天线的极化方向发生改变，导致阅读器天线发送至标签的能量无法实现最大功率传输。因此，土壤样品瓶应避免标签与样品瓶的垂直放置，而是采用如图3(a)所示弯曲贴附于样品瓶中部实现RFID系统正常工作。

    自由空间下调节阅读器的发射功率从20 dB～30 dB变化，测量阅读器天线与样品瓶距离，获取两种标签贴附方式不同阅读器发射功率下的标签的最小读取距离，实验设置如图5所示。根据图6标签的最大读取距离测试结果，贴附方式A在20 dB～30 dB下读取距离均大于贴附方式B，且随着阅读器发射功率的增大，读取距离的差值逐渐减少至1.1 m左右。

    通过上述的实验结果可以发现，贴附方式A最大读取距离明显优于贴附方式B，与HFSS的仿真结果相匹配。由于贴附方式的不同改变了标签天线的极化方向，致使无法实现标签与阅读器天线间最大能量传输，进而改变了标签的最大读取距离。

2.2 土壤环境对于天线性能影响

    土壤介电性能会影响RFID系统中微波信号的传输和反射。野外采集的新鲜土样经过风干、磨细、过筛、混匀后装盘，并挑选出非土壤部分，即为所需的土壤样品^[10]。根据上文研究结果，贴附方式A标签最大读取距离更远。标签采用贴附方式A针对样品瓶中土壤含量对标签天线性能的影响进行分析。在HFSS中按照原始尺寸建立如图7所示装有土壤的样品瓶模型，RFID标签顶部与样品瓶颈部下边沿齐平，并通过HFSS改变样品瓶中土壤高度为20 mm～80 mm。

    由图8不同土壤含量下标签天线回波损耗曲线可知样品瓶中土壤对标签天线的谐振频率产生影响。当样品瓶中土壤高度位于标签下方(20 mm～60 mm)，随着土壤高度的增加，标签天线回波损耗从-4.2 dB减小至-5.4 dB，标签谐振频率从932 MHz增长至938 MHz。但是当样品瓶中土壤高度在标签宽度范围(60 mm～80 mm)增长，标签天线谐振频率出现反向下降。此时阅读器天线发射的电磁波不仅会在前向链路中被标签后方的土壤吸收，同时在反向链路中标签天线调制后的部分能量也会被土壤吸收。而当样品瓶中土壤位于RFID标签下方时，标签天线仅受到来自标签下方的土壤样品干扰。

    根据图9样品瓶中土壤含量的不同导致标签天线阻抗实部（re(Z(2,2))）以及天线阻抗虚部（im(Z(2,2))）发生改变。样品瓶中土壤高度位于RFID标签下方时，随着样品瓶中土壤高度的增加，在920 MHz～940 MHz的工作频段区间内标签天线阻抗的实部和虚部也随之增加；当样品瓶中土壤高度处于标签天线的宽度范围(60 mm～80 mm)，随着土壤高度的增加，工作频段的标签天线阻抗出现反向降低。标签天线与阅读器天线极化、阻抗匹配下标签天线识别性能取决于功率反射系数以及标签天线增益^[10]。其中功率反射系数与标签天线输入阻抗有关，而标签天线增益与标签天线辐射性能有关，因此样品瓶中土壤含量的改变使得标签天线的读取距离发生改变。

    改变样品瓶中土壤样品高度从20 mm增长至80 mm。实验设置标签与阅读器天线的间距为20 cm，阅读器读取次数为50次，记录不同阅读器功率20 dB～30 dB接收到标签返回信号的次数，实验设置如图5所示。根据图10标签读取测试结果可知：当样品瓶中土壤位于标签天线下方(土壤高度20 mm～60 mm)，随着土壤高度增加，标签读取次数下降不明显；当样品瓶中土壤位于标签天线范围（土壤高度60 mm～80 mm），随着土壤高度增加，标签读取次数显著下降。

    样品瓶中不同土壤含量导致标签天线读取次数发生改变。通过实验测试结果发现，当样品瓶中土壤位于标签宽度范围时，标签读取效果略差于样品瓶中土壤位于标签下方。仿真结果也表明，样品瓶中土壤含量的不同导致标签天线阻抗与谐振频率发生偏移，无法实现标签的最佳工作频段以及最佳阻抗匹配，对标签性能产生影响，进而改变了RFID系统读取性能。

3 结论

    本文利用Ansoft HFSS和RFID标签读取试验针对标签贴附方式以及样品瓶中土壤含量对RFID标签天线ALIEN-9662读取性能影响进行分析和测试。标签贴附方式的不同影响标签天线的极化方向，进而改变标签天线最大功率传输方向，导致不同标签贴附方式下标签最大读取距离变化；土壤影响标签天线的谐振频率，使得标签天线最佳工作的频段发生改变；同时样品瓶中土壤含量的不同导致标签天线输入阻抗发生改变，使得标签读取率改变；土壤与标签天线相对位置不同对于标签天线读取性能影响也不同。上述结论对于土壤样品库中标签天线的使用以及样品瓶中土壤含量的选取具有实际意义，有助于实现RFID技术在土壤样品库中的高效使用。同时对于研究RFID标签贴附于不同介质的和维护具有借鉴意义。

参考文献

[1] 李敏，李琴，赵丽娜.我国土壤环境保护标准体系优化研究与建议[J].环境科学研究，2016，29(12)：1799-1810.

[2] 胡冠九，陈素兰.中国土壤环境监测方法现状、问题及建议[J].中国环境监测，2018，34(2)：10-19.

[3] 邱坤艳，付燕利，成永霞.土壤样品库的建设与规范化管理研究[J].安徽农业科学，2015(11)：62-63.

[4] 申桂英.国务院颁布《土壤污染防治行动计划》[J].精细与专用化学品，2016(6)：12.

[5] 宫玉龙，王金海，徐书芳.基于RFID的冷链运输远程监测系统研究与设计[J].电子技术应用，2013，39(5)：69-72.

[6] 柳权，何怡刚.液体对超高频RFID标签性能影响研究[J].微电子学与计算机，2011，28(9)：47-50.

[7] GRIFFIN J D，DURGIN G D，HALDI A.Radio link budgets for 915 MHz RFID antennas placed on various objects[C].Proceedings of Texas Wireless Symposium，2005：22-26.

[8] CLARKE R H，TWEDE D，TAZELAAR J R.Radio frequency identification(RFID) performance: the effect of tag orientation and package contents[J].Packaging Technology & Science，2010，19(1)：45-54.

[9] NIKITIN P V，RAO K V S，MARTINEZ R D.Differential RCS of RFID tag[J].Electronics Letters，2007，43(8)：431-432.

[10] 王娟，孙爱平，王开营.土壤样品采集的原则与方法[J].现代农业科技，2011(21)：300-301.

作者信息:

李  达，韩冬桂，沈程砚丹，李红军，燕  怒

(武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉430000)