刘耀辉 胡敬芳 宋钰 李延生 高国伟,3

1. 北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192；2. 北京信息科技大学 传感器重点实验室，北京 100101；3. 北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室，北京 100101；4. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感器联合国家重点实验室，上海 200050

0 前言

环境监测是当前生态环境保护的一项重要手段。监测对象包括空气、水环境和土壤环境等，利用监测设备对监测对象进行物质含量周期性测定并与规定含量对比，可以有效地确定监测区域的环境质量，从而采取应对措施[1]。常用的环境监测方式通过监测仪器来实现，监测仪器利用生物、化学和物理原理对测定区域进行周期性检测，由此获取不同时刻监测指标的含量值。这种监测方式虽然可以获得较为准确的污染物含量，但也存在监测实时性差的问题。例如：大多数水库利用专业监测仪器进行站点监测，环境监测设备由于数据采集端通信方式的局限性，会导致监测数据传回至监控室时产生数据延迟，从而影响数据库更新和预测。此外，仪器维护成本较高、设备监管性不足也是一个问题[2]。环境监测设备需要定期进行维护，对设备的监管力度不足，可能导致监测数据准确度下降，且缺乏监测局部区域的功能。基于遥感技术的环境监测方式同样应用广泛。这种监测方式通过高分辨卫星来达到对目标区域环境指标的监测，常用来观测海洋和大气污染、城市绿化程度、林区火灾、台风天气等的实时监测数据[3]，不过这种基于遥感技术的监测方式技术实现较为复杂，研发成本和对监测设备的图像分辨率要求较高。

近年来，随着相关环境保护条例的落实，我国对于环境监测的重视程度逐渐增加，物联网技术和无线传感技术的运用使得环境自动监测系统朝着低成本化、自动化、实时性等方向发展[4]。物联网技术和无线传感技术将众多传感器覆盖到监测区域，通过传感器网络对具体区域的监测对象进行数据采集，并利用无线通信技术实现数据的远程和快速传输，提高了环境监测系统的实时性。

射频识别（radio frequency identification，RFID）技术作为无线通信技术的重要组成部分，近年来在环境监测领域得到广泛应用。RFID技术是20世纪90年代开始兴起的一项常用的非接触识别技术，近几年在国内外得到快速发展，且广泛应用在物流管理、医疗行业、交通管理、商品防伪、环境监测等诸多领域[5-7]，是实现物联网技术的重要方式。它通过无线电波中的射频信号达到对目标的自动识别，无需与识别对象进行接触，便可快速有效地识别出目标对象，并读取其储存的信息。在偏远、环境恶劣的无人环境下，RFID系统可以利用读写器发送信号，实现数据的自动回传和监测系统的数据采集端信息的远程自动传输，提高监测设备的自动化性能。

RFID技术在国外起步很早，从20世纪60年代便有学者开始研究此项技术并逐渐投入应用，尤其是以美国、德国、日本为主的发达国家，研究发展迅速，研究应用涉及工业、交通业、医疗业、零售业等多种行业。目前，国外对RFID技术的研究继续朝着应用化和多领域方向发展。以环境监测的应用为例，MASRI E L等[8]针对室内环境的腐蚀现象提出了一种室内大气腐蚀监测方法，暴露在室内的金属会因为腐蚀作用而变厚，进而导致金属阻值增加，因此他们利用 RFID 读卡器从由RFID 芯片和敏感金属层构成的设备中收集阻值信号的变化，实现了对金属层腐蚀情况的监测功能。RANJANA P等[9]设计了一种智能垃圾处理箱，在垃圾箱内安装超声波传感器、气体传感器并配置RFID系统，可穿戴RFID阅读器和红外阅读器通过传感器获取垃圾箱内气体成分及含量、堆积程度、湿度，判断垃圾是否应该处理，并将信息实时反馈给垃圾处理中心，如图1所示。

国内对RFID技术的研究比西方各国较晚，在一些关键技术设备上还依赖国外进口。不过，这些年国家对RFID技术的应用逐渐重视，例如我国第二代身份证采用内置RFID芯片的设计方案，方便居民信息的储存和读取，企业对RFID技术投资力度加大，关于RFID系统的完整产业链已初具雏形。目前，各大研究所和高校将RFID技术和其他学科技术融合，扩展了RFID技术的应用前景。陈晓宁等[10]设计了一种基于GPRS和RFID技术的蔬菜大棚环境管理系统，扩展了RFID技术在农业生产方面的应用。郝唯文等[11]设计了一款应用于变电站监测的无源无线传感器，利用无线射频技术实现了对变电站无人区域环境温度的远程监测。基于RFID无线通信技术的自动监测系统，在改善传统监测系统设备存在的实时性差、自动化性能不足的同时，可以有效降低设备的成本。因此，本文就RFID技术在环境监测领域的应用展开研究，旨在了解RFID技术应用在环境监测的新思路。

1 无线射频识别技术的构成与原理

1.1 RFID系统的构成

（1）阅读器：发送射频信号以识别电子标签，识别成功之后，接收电子标签传输的信息并传递给计算机系统以进行数据分析；

（2）电子标签：储存待识别目标的相关数据信息，根据电子标签的能量来源，可分为有源标签、无源标签和半有源标签[12]；

（3）天线：包括发射天线和接收天线，用于阅读器和电子标签之间进行能量和信息的传递，是RFID系统的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响着能量的传递效率；

（4）计算机系统：对阅读器接收的信息进行数据整合、处理和分析。

1.2 RFID系统原理

RFID系统原理如图2所示。首先对一段询问指令进行编码，并对信号进行调制，经发射天线发送出射频信号至电子标签，最终由接收天线接收标签储存的信息，这一过程可以实现能量的转移，同时对接收到的信号进行解码、解调和整流。无源电子标签受到能量激励，将自身携带的信息经过编码和调制，重新发送到阅读器，阅读器接收到信息，交由计算机系统进行后台处理，从而完成自动识别工作[13-14]，调制和解调制均在RF调制解调器中完成。

RFID系统中阅读器和电子标签之间信号的传输采取两种类型。

（1）电感耦合模型：适用于中、低频段的射频信号。同变压器模型类似，电子标签的磁感应回路会受到阅读器线圈磁场变化的影响，产生感应电动势，并为电子标签供能，如图3所示，其中，虚线框表示磁场；

（2）电磁反向散射模型：适用于高频、微波频段的射频信号。阅读器发送的射频信号由于波长短，辐射到电子标签之后，一部分会携带标签信息重新反射回阅读器，这与雷达模型类似，如图4所示。

2 无线射频识别技术的特点

无线射频识别技术相较传统的自动识别技术有着广阔的发展前景。如传统的磁卡识别技术，在发卡前需要对卡片添加磁条，并通过接触式的方式才能够进行自动识别，然而，磁条可能会随着卡片的使用时间和次数的增加以及外界环境变化的影响出现消磁现象，增大数据丢失的风险。集成电路卡（integrated circuit card，IC）识别技术是在磁卡识别技术的基础上发展而来的，IC卡中不再使用磁条，而是内置集成电路芯片，并储存识别对象的信息，因此排除了出现消磁现象的风险。

目前的IC卡扩展了非接触识别的功能，即非接触式IC卡，也称射频卡，它结合了RFID技术和IC卡集成电路技术，使得IC卡在一定距离内便可完成非接触式识别[15]，例如宿舍门禁系统、高速公路收费管理系统[16]和仓库物流管理系统。这种识别技术具有短时间同时识别多个对象的能力，且无需考虑卡片消磁等因素，在一定范围内便可以进行目标识别。目前，我国第二代居民身份证也使用了这种射频识别技术，射频卡具有取代过去普遍磁卡的趋势。

3 无线射频技术在环境监测领域的应用

3.1 建筑环境中甲醛气体的监测

壁纸、油漆、涂料是常见的室内装修材料，然而这些产品大都存在甲醛、苯等有害气体，它们会对人体呼吸道黏膜产生破坏，进而造成呼吸道疾病。长期待在含有这些物质的室内环境，会对人体器官造成严重的损伤[17]，并可能提高相关病症的患病风险，甲醛和苯等有害气体现已被纳入致癌物清单。目前，专业检测甲醛的方法主要分为化学试剂检测法和实验仪器检测法。化学试剂检测虽然可以检测到目标物的存在，但是无法得到其具体的含量，检测结果不精确，检测成本过高；实验仪器检测同样需要不少的检验成本，虽然可以得到确切的检测含量，但是检测时间过长，程序繁琐。

综上所述，专业检测机构虽然可以检测出甲醛的含量，但也存在着检测成本过高，检测时间长，无法动态地获取监测数据等缺点。随着半导体技术和传感器技术几十年来的发展，气体传感器由此出现并广泛应用在工业废气监测、环境污染报警等方面。研究热度较高的电子鼻系统便是依靠气体传感器对气体进行检测，以达到模仿人类嗅觉对气体目标物进行识别和含量测定的功能[18]。

近些年来，人们对传感器的研究更加注重技术融合，如利用RFID技术和传感器技术的融合，使传感器和监控终端通过射频信号进行信息的传输交互，做到对室内有害气体浓度的实时监测和预警，可以有效地识别出甲醛等有毒有害气体一段时间内的浓度变化。

何旭连等[19]设计了一款基于射频识别技术的家居甲醛含量监测系统，系统分为甲醛浓度监测终端和后台监控终端。监测终端利用甲醛浓度传感器对空气中甲醛含量进行实时监测，并通过后台监控终端将监测数据显示出来。如图5所示，甲醛浓度传感器和温度传感器获取的模拟信号经模数转换之后，将监测数据储存在微控制器模块，射频识别模块利用射频信号发送询问指令，微控制器模块对询问指令进行执行，经过编码和调制工作将监测数据传回至监控终端，从而完成监测信息的获取。此外，设计中的气体传感器使用金属氧化物半导体作为敏感材料，现已广泛应用于甲醛、苯、氮氧化物等气体的检测[20]。

廖小林等[21]设计的基于射频识别电路的室内甲醛浓度检测系统，利用气体和温度传感器作为系统的监测终端，并通过微控制器模块计算出甲醛的浓度，所设计的射频识别模块用于实时获取微控制器传输的监测数据。设计中的气体传感器可以同时获取8种气体包含的信息，结合射频识别技术，可以实现信息实时上传至监控终端和数据库，并通过数据库进行信息对比来检测气体的产生，提高了传感器的检验准确性。

目前，电化学传感器也可作为监测终端，利用电化学传感器和RFID技术设计的监测系统，可以降低传感器的工作温度以及提高监测灵敏度，同时，应用RFID技术的自动识别功能可以使传感器具有实时获取监测数据的功能，为实现数据在监测终端的实时显示，以及利用后台数据库进行监测预警提供便利。如黄丽巧等[22]设计的氧气监测仪，设计中的中央控制器根据电化学传感器反应电极由氧化还原反应产生的电流大小获取气体浓度，仪器反应灵敏，且能够降低因传感器工作温度升高产生的能耗，并可以将采集的数据储存在射频识别模块标签中，从而可以使用阅读器将采集的数据实时上传至上位机，实现气体浓度远程实时监控。不过，电化学传感器需要依靠电解质环境进行气体监测，其使用寿命是目前最大的问题[23]。

3.2 大气污染指数的监测

大气污染指数是衡量一个区域环境污染程度的重要指标。对环境中的污染物进行实时监测，对于气象出行预警以及居民身体健康具有重要意义。大气污染物包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、颗粒物及其他有毒气体。

氨气是一种危害人体健康的无色刺激性气体，在一些容易产生氨气的区域，如肥料厂、垃圾填埋场、化学实验室，对氨气浓度的实时监测十分重要。王建业等[24]设计了一种检测NH3的超高频RFID标签传感器天线，通过对标签天线附加一层氨气敏感材料，使标签既可以储存目标对象的信息，又同时兼具传感器特性，实现了射频识别技术和传感器技术的结合。当敏感材料接触到氨气时，其介电常数发生变化，进而影响天线输入端与RFID阅读器输出端的阻抗匹配，使得天线最佳工作频率发生偏移，通过后台处理器测定偏移程度，便可以得到氨气浓度，做到氨气浓度的实时监测。传统的空气污染物监测系统常采用无线传感器网络（wireless sensor net，WSN）对监测区域配置气敏传感器，不过这种监测方案的传感器需要电源模块供能，由此带来的问题便是传感器使用时间不长，电池更换成本高。采用RFID标签作为传感器，不仅能够利用感应耦合原理传递能量为标签供能，还扩展了电子标签的传感特性。电子标签利用介电常数改变电容特性，并引发谐振频率的偏移来反映气体浓度的方法，同样也可用于监测温度、湿度、光照、裂缝、食品质量等信息。

3.3 农业生态及土壤环境监测

利用RFID技术和物联网技术，智能农场从概念变成了现实。通过RFID技术对配置在农场的传感器网络进行识别，后台系统便可以实时收集到农场温湿度、光照、含氧量、二氧化碳浓度等信息，通过对控制系统的调整便可以获得农作物最适环境[25]。

DENG F等[26]基于RFID技术设计了一种结合传感器使用的无源标签，通过将电子标签埋于土壤深处，实现了对农田土壤温湿度的实时监测。为了实现对无源标签的能量供给，阅读器采用了反向散射原理对标签供电，从而开启传感器的采样通道，将传感器数据保存在标签内存中，并在发送Query（询问）信号之后将标签ID和传感器数据一同传回至阅读器，这种数据传输方式比传统的RFID系统收发方式更加节能，数据的传输效率也有所提高，土壤温湿度数据传输框图如图6所示。设计实验获得了标签传感器的最大埋放深度、最大土壤湿度和最大通信距离；在精确度实验中，标签传感器的监测误差满足使用要求，证明了设计的可行性。

这种无源RFID标签在保证稳定获取传感器数据的同时，解决了电池污染和使用WSN技术在土壤深处信号传递受阻的问题，为土壤环境监测提供了新思路。提高通信距离和数据精确性将是研究人员下一步需要重点解决的问题。

3.4 水环境监测

水环境问题是影响我国民生的重要问题。水质的好坏直接影响到人民的健康状况，对水质环境进行实时监测是保证水体质量的重要手段。此外，随着南水北调战略工程的持续部署，各流域水库相继建成，对水利基础设施进行环境监测，不仅关系到水利设施的安全以及能否进行正常工作，还关系到流域附近居民的生命安全。

颜波等[27]设计了基于RFID技术和WSN技术的水质监测预警系统，利用传感器组件实现水体pH值、重金属含量、温度、含氧量等信息的测定，并通过射频识别模块将水质监测节点编号和位置传输到RFID阅读器，传感器监测的信息和阅读器接收的信息经过核心处理器和射频模块的处理被发送至无线传感器网络的汇聚节点，进一步地，数据经互联网传输至控制中心，进而实现水质信息的实时监测和监测对象的预警功能。

ZHANG L等[28]设计了一种融合RFID技术和无线传感器网络的水库监测系统，通过对水库各区域建立传感器网络，并配置温湿度传感器、瓦斯传感器、水位传感器、压力传感器、水库渗流和表面变形传感器等对水库环境进行数据采集，处理器模块通过A/D转换对数据进行处理和存储，无线通信模块上集成有无线射频电路，用来传输存储的数据，如图7所示。

采集的数据会汇聚到数据采集终端，同RFID系统采集到的人员巡检信息一起通过以太网打包至现场数据管理平台，并对数据库进行更新，在后台进行水库综合环境的监测显示，如图8所示。监测系统在后台运用模糊推理理论，从传感器获取的数据经模糊化、添加隶属度函数、模糊推理、反模糊化的处理，从而可以获取水库环境的安全指数。

4 结语

传统的环境监测系统制造和维护成本较高，常置于固定区域，获取的全局监测数据较为片面。此外，系统采用布线方式与监测节点连接，线路复杂且铺设工作量大。无线射频技术可以做到短距离数据自动传输，与传感器技术结合应用在环境监测领域，可以做到传感器数据的快捷传输，而无需考虑线路布置问题，并最终能在后台处理器进行环境监测预警，为目前的环境监测系统提供新架构。

无线射频技术正加大与物联网技术和无线传感器网络的融合应用，以环境监测为基础，无线射频技术作为物联网感知层的重要实现形式，最终可以实现在应用层对环境因素的处理和控制。无线射频技术中采用无线传感器网络，能够实现众多传感器节点的协同数据采集，并发挥无线传感器网络的自组织特性，保证监测终端数据的精确性和稳定上传，最终通过无线射频技术将数据接收并传输到后台处理器。相信在不久的将来，随着大数据分析和智能控制算法研究的不断深入，无线射频技术将继续在环境监测领域发挥优势。