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。
中圖分類號：TP212.9 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244893
中文引用格式： 邰正一，馬潤波. 用于土壤濕度監測的無芯片RFID傳感器設計[J]. 電子技術應用，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，馬潤波. 用于土壤濕度監測的無芯片RFID傳感器設計[J]. 電子技術應用，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
土壤濕度是決定農作物生長好壞的重要因素之一。通過合理灌溉可以提高農作物產量，并且減少水資源浪費，實時了解土壤濕度對農業生產具有重要意義。
由于土壤的介電特性受土壤濕度影響顯著，介電方法得到了廣泛發展。文獻[1]和文獻[2]利用時域反射儀(TDR)技術，通過測量反射信號的傳播時間可以得到土壤濕度的變化。頻域反射儀(FDR)技術則根據輸出波和反射回波之間的差異來確定土壤濕度[3-4]。上述兩種介電方法雖然精確可靠，但也需要復雜的電子設備，這限制了它們在大規模部署情況下的使用。因此，結構簡單、制作方便的諧振器更適合用于監測土壤濕度。開口環諧振器(Split Ring Resonator, SRR)及其互補結構CSRR對介電常數變化敏感，被廣泛用于環境監測中。文獻[5]和文獻[6]通過SRR來監測土壤濕度，濕度變化使得介電常數變化，進而使諧振器的諧振頻率發生改變。文獻[7]、文獻[8]和文獻[9]利用CSRR對土壤濕度進行監測，結果表明CSRR結構具有相當高的靈敏度，但是在高土壤濕度下諧振峰值過低，實測時難以確定其諧振頻率。文獻[10]通過在基板頂部采用微帶線耦合三角形螺旋諧振器，以及底部蝕刻矩形螺旋諧振器的方法，實現差分傳感，可去除土壤成分、溫度等環境因素產生的影響，提高傳感器的準確度，然而這種結構將參考諧振器放置在土壤之下，導致參考諧振頻率仍受土壤濕度的影響。
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作者信息：
邰正一，馬潤波
（山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006）
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