一種基于 RFID 傳感器和 LoRa 技術的新型土壤環境監測系統

現代農業面臨著在全球人口持續增長的背景下提高生產力的巨大挑戰，然而，現有的農業技術在效率方面仍然存在不足，難以滿足這一需求。實時監測土壤環境被認為是提升農業生產力的關鍵因素，但目前廣泛應用的無線傳感器網絡（WSN）在農業領域存在許多局限性。例如，傳感器通常暴露在地面，容易受到外部環境的干擾，且這些傳感器大多依賴電池供電，一旦被埋入土壤，電池的更換將變得十分困難。此外，廢棄的電池可能對土壤環境造成污染。

為了解決這些問題，近年來研究人員對基于LoRa通訊技術的土壤監測系統產生了濃厚興趣，LoRa技術相比傳統的無線通信技術（如ZigBee）具有更遠的通信距離、更長的節點壽命以及更強的抗干擾能力。然而，這些LoRa傳感器的無線傳輸器暴露在空氣中，仍然可能阻礙農業活動并受環境因素影響。針對以上挑戰，本文提出了一種基于RFID傳感器和LoRa技術的新型土壤環境監測系統。該系統旨在通過低成本、長時間的精準監測，克服現有技術的不足，為農業領域提供一種更為有效和可持續的解決方案。

方法

該系統的核心由幾部分組成，包括嵌入土壤中的RFID傳感器、配備RFID讀取和LoRa通信功能的巡邏車、農田監控中心以及云平臺（圖1）。RFID傳感器被設計為高精度的環境監測設備，能夠埋入土壤中，用于實時監測土壤溫度、濕度和氯離子濃度等關鍵參數。巡邏車在系統中扮演著數據收集的角色，它通過內置的RFID發射器為傳感器提供能量，并使用接收器來獲取傳感器發送的數據信號。巡邏車隨后通過LoRa模塊，將這些數據傳輸到監控中心，從而實現遠距離的數據通信。

圖1 巡邏車通訊結構示意圖

為提高數據傳輸的效率并減少系統的功耗，作者提出了一種創新的通信機制，不再依賴傳統的非易失性存儲器（NVM）來存儲數據，而是將傳感器測得的數據直接編碼到RFID標簽的ID中（圖2）。這種方式大幅度縮短了數據讀取的時間，降低了功耗，使得系統更加適合長時間、大范圍的監測任務。此外，由于系統中RFID傳感器的標簽數量相對較少，作者在設計中引入了基于EPC Gen2協議的Q算法，并結合閱讀器覆蓋碰撞避免安排（RCCAA）方法，來有效處理可能出現的多標簽通信碰撞問題。通過這些設計，該系統成功地實現了低功耗、高精度、遠距離的土壤環境監測，具有較高的實用性和應用前景。

圖2 RFID通信流程

RFID傳感器的電路設計由能量管理、通信和數字部分組成（圖3），能量管理部分通過天線進行能量收集，并采用新型升壓整流器，將收集到的射頻能量轉換為直流電源，以為傳感器的其他部分提供穩定的電壓。通信部分使用天線和RFID芯片進行信號的無線傳輸和接收。為優化天線設計，作者選擇了尺寸較小但性能優異的單極天線，并使用微帶阻抗變換器進行匹配，從而在減小天線尺寸的同時確保了良好的通信性能。

圖3 設計結構

結果

作者通過一系列實驗驗證了所設計的RFID傳感器及其在土壤環境監測系統中的性能，圖4展示了現場測試環境。在實驗室的通信性能測試中，結果顯示所設計的RFID傳感器在2米的距離內、使用4瓦發射功率時，能夠穩定通信。相比于傳統數據存儲方法，作者提出的新方法顯著減少了數據傳輸時間和功耗。在現場應用中，作者測試了RFID傳感器的最大通信距離和不同土壤埋設深度下的性能。結果表明，當土壤濕度為5%且傳感器埋深為60厘米時，最大通信距離可達1.3米；然而，超過這一埋深后，信號強度顯著下降，通信誤碼率也隨之增加。

圖4 現場測試環境

此外，實驗還評估了土壤濕度對RFID傳感器通信性能的影響。隨著土壤濕度的增加，信號強度逐漸減弱，誤碼率也相應升高，尤其當濕度超過30%時，傳感器的通信性能顯著下降，見圖5。為改善這一問題，作者提出了多傳感器布局方案，通過在同一測量點布置兩個“T”字形排列的RFID傳感器，有效降低了誤碼率，見圖6。最后，實驗探討了巡邏車速度對RFID傳感器通信成功率及覆蓋面積的影響。結果表明，當巡邏車速度保持在33公里/小時時，通信成功率能夠超過90%，并且覆蓋面積達到10平方公里，是系統的最佳工作狀態。

圖5 土壤濕度對接收信號的影響

圖6 土壤濕度對傳感器位置改進后接收信號的影響

結論

該系統基于RFID傳感器和LoRa技術，能夠實現對土壤溫度、濕度和氯離子濃度的長期、低功耗監測。實驗結果表明，所設計的RFID傳感器在埋深60厘米、土壤濕度小于30%的條件下，具有1.3米的有效通信距離，并且測量的溫度和濕度誤差分別為1.5%和1.0%，巡邏車的速度為33公里/小時，效果最佳。