用于土壤湿度监测的无芯片RFID传感器设计
电子技术应用
邰正一，马润波
山西大学 物理电子工程学院
摘要： 为提高土壤湿度传感器的灵活性和可靠性，设计了一种低成本的无芯片RFID传感器，用于无线监测土壤湿度。该传感器由3个互补开口环谐振器（CSRR）以及2个正交放置的宽带圆形微带贴片天线构成。其中两个相同尺寸的CSRR间距较近，容易产生谐振器间耦合，使得高湿度土壤下的谐振频率变化更加明显，另外作为参考谐振器的CSRR则用以消除环境条件的影响，提高测量的可靠性。两个微带贴片天线用于收发信号，实现无线传感功能。分别研究了采用单、双CSRR结构下该传感器的雷达散射截面（RCS），确定了土壤湿度与谐振频率差值之间的线性关系，通过实测进一步证实了这种关系。实验结果表明，该传感器在0%~12%的土壤湿度下具有18.2 MHz/%θ的灵敏度。
中图分类号：TP212.9 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244893
中文引用格式： 邰正一，马润波. 用于土壤湿度监测的无芯片RFID传感器设计[J]. 电子技术应用，2024，50(5)：84-89.
英文引用格式： Tai Zhengyi，Ma Runbo. Design of a chipless RFID sensor for soil moisture monitoring[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(5)：84-89.
中文引用格式： 邰正一，马润波. 用于土壤湿度监测的无芯片RFID传感器设计[J]. 电子技术应用，2024，50(5)：84-89.
英文引用格式： Tai Zhengyi，Ma Runbo. Design of a chipless RFID sensor for soil moisture monitoring[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(5)：84-89.
Design of a chipless RFID sensor for soil moisture monitoring
Tai Zhengyi，Ma Runbo
School of Physics and Electronic Engineering， Shanxi University
Abstract： To improve the flexibility and reliability of soil moisture sensors, a low-cost chipless RFID sensor is designed for wireless monitoring of soil moisture. The sensor consists of three Complementary Split Ring Resonators (CSRR) and two orthogonal broadband circular microstrip patch antennas. Two CSRRs of the same size are closely spaced, which can easily cause coupling between resonators, resulting in more significant changes in resonant frequency in high moisture soil. In addition, the CSRR as a reference resonator is used to eliminate the influence of environmental conditions and improve the reliability of measurement. Two microstrip patch antennas are used for transmitting and receiving signals, achieving wireless sensing function. The Radar Cross Section (RCS) of the sensor with single and double CSRR structures is studied, establishing a linear relationship between soil moisture and the difference in resonance frequency. This relationship has been further confirmed through actual measurements. The experimental results show that the sensor has a sensitivity of 18.2 MHz/%θ at soil moisture ranging from 0% to 12%.
Key words : chipless RFID sensor；soil moisture；CSRR；microstrip patch antenna
引言
土壤湿度是决定农作物生长好坏的重要因素之一。通过合理灌溉可以提高农作物产量，并且减少水资源浪费，实时了解土壤湿度对农业生产具有重要意义。
由于土壤的介电特性受土壤湿度影响显著，介电方法得到了广泛发展。文献[1]和文献[2]利用时域反射仪(TDR)技术，通过测量反射信号的传播时间可以得到土壤湿度的变化。频域反射仪(FDR)技术则根据输出波和反射回波之间的差异来确定土壤湿度[3-4]。上述两种介电方法虽然精确可靠，但也需要复杂的电子设备，这限制了它们在大规模部署情况下的使用。因此，结构简单、制作方便的谐振器更适合用于监测土壤湿度。开口环谐振器(Split Ring Resonator, SRR)及其互补结构CSRR对介电常数变化敏感，被广泛用于环境监测中。文献[5]和文献[6]通过SRR来监测土壤湿度，湿度变化使得介电常数变化，进而使谐振器的谐振频率发生改变。文献[7]、文献[8]和文献[9]利用CSRR对土壤湿度进行监测，结果表明CSRR结构具有相当高的灵敏度，但是在高土壤湿度下谐振峰值过低，实测时难以确定其谐振频率。文献[10]通过在基板顶部采用微带线耦合三角形螺旋谐振器，以及底部蚀刻矩形螺旋谐振器的方法，实现差分传感，可去除土壤成分、温度等环境因素产生的影响，提高传感器的准确度，然而这种结构将参考谐振器放置在土壤之下，导致参考谐振频率仍受土壤湿度的影响。
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作者信息：
邰正一，马润波
（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）
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