面向智慧農業的無芯片射頻跨域感知研究進展

時國龍，沈心怡，辜麗川，饒 元,3，焦 俊，何怡剛

面向智慧農業的無芯片射頻跨域感知研究進展

時國龍1,2,3，沈心怡1，辜麗川1，饒 元1,3，焦 俊1，何怡剛2※

（1. 安徽農業大學信息與計算機學院，合肥 230036；2. 武漢大學電氣與自動化學院，武漢 430064；3. 農業農村部農業傳感器重點實驗室，合肥 230036）

隨著傳統農業逐漸向智慧農業轉型，室溫條件下具有低成本、長壽命、低功耗、小型化的檢測手段對于農業環境及動植物本體指標檢測至關重要，尤其對于無法進行電路有線連接的農業場景。隨著器件傳感和無線通信的整合，無芯片射頻識別（chipless radio frequency identification, CRFID）因為具有輕量、價格合理、普適性等優勢被廣泛應用，CRFID標簽具有理論上的“無限”壽命，代替了集成電路，成為標識傳感信息融合的重要媒介，適用于農業環境、動植物生長監測、物流運輸、食品品質檢測等。該研究首先介紹了CRFID系統構成，以及其基本原理，指出天線是CRFID實現跨域感知的關鍵要素之一，隨著農業場景中氣體、環境溫濕度、pH值等變化，天線負載敏感材料的電導率、磁導率、介電常數變化，引起CRFID標簽的反向散射信號變化；其次，基于時頻域標簽，介紹了CRFID用于濕度、溫度、氣體（二氧化碳、氨氣、乙烯）、pH和食品（豬肉、牛肉、魚肉、果蔬、牛奶）檢測的國內外最新研究進展，對比了相關傳感器的關鍵性能指標；最后，針對CRFID技術的成功案例，指出了該類型傳感器面臨的主要研究挑戰、未來研究方向和潛在解決方案，指出了未來智慧農業檢測場景的低功耗、小型化、抗干擾發展趨勢。CRFID技術的成功應用將有利于提升農業場景傳感檢測的智慧化程度，有助于人類及動植物生產活動健康評估。

智慧農業；物聯網；環境檢測；射頻識別；無源傳感器

0 引 言

無芯片射頻識別（chipless radio frequency identification, CRFID）是一種新興的物聯網技術，逐漸在物流業、制造業、零售業、農業等領域廣泛應用，具有低成本、非視距讀取、小型化、長壽命等特點。有芯片RFID需要特定應用的集成電路芯片來存儲識別信息，這導致其無法在標簽與商品成本相當的場景中應用，而CRFID具有較低的制造成本和長期測量能力，簡單、緊湊、可打印等優勢使得其能夠大規模普適性部署[1]。CRFID標簽的感知功能是利用射頻反向散射信號域的變化對其他感知域的狀態進行推導，通過挖掘射頻鏈路信號域特征在時間、空間、能量、頻率等多個維度與對應感知域狀態的內在聯系，實現射頻“跨域感知”，從而為用戶提供關鍵信息與智能服務[2]。CRFID跨域感知域主要包括環境信息感知[3]、空間軌跡感知、運動姿態感知[4]以及生理特征感知[5]等。例如，閱讀器天線發射電磁波信號經前向鏈路到達射頻標簽，入射電磁波激活標簽為其提供工作能量，標簽天線負載敏感單元的電導率、磁導率或者介電常數受環境氣體、溫度、濕度、pH值等影響，從而導致射頻標簽反向電磁波頻率、相位、回波損耗、雷達散射截面等的變化，CRFID傳感器編碼數據和傳感數據經反向鏈路返回閱讀器端。傳感信息是CRFID傳感器由于感知物理參數變化產生的電磁特性改變，為了使CRFID標簽的電磁響應跟隨待測物理參數改變，通常使用敏感材料來改變標簽天線負載的電導率、介電常數或磁導率[6]，通過對待測物理量和諧振響應的變化分析實現CRFID跨域感知。

CRFID標簽按照工作頻率可以分為：低頻標簽（125～134.2 kHz），一般為無源標簽，讀寫距離小于1 m；中高頻標簽（13.56 MHz），在全球都得到認可，可以方便地做成卡式結構；超高頻（860～928 MHz），具有高數據傳輸率，短時間可以讀取大量數據；微波標簽（2.45～5.8 GHz）通常標簽與讀寫器的距離非常遠，一般大于1 m，最大的可達到10 m以上。工作頻率會直接影響標簽設計、天線設計、工作模式、作用距離和讀寫器安裝要求。此外，不同類型的CRFID標簽結構以對應的電磁響應特性作為標簽信息載體，包含其結構特定的頻譜特征，CRFID傳感器利用自身結構特點對反向散射信號進行調制，其中編碼信息由特定諧振結構產生，各諧振結構產生不同頻率的諧振信號作為編碼單元。如開槽和諧振結構組合方式，利用傳感器自身結構尺寸調節實現不同類型的編碼，然后根據諧振頻譜的峰值大小形成檢測信息編碼，通常用二進制編碼存儲和識別CRFID傳感器信息。對于超寬帶頻段編碼可使用窗口編碼分配方式，編碼窗口由工作在不同頻寬的編碼結構組成，用于區分密集分布的CRFID傳感器信號[7]。

CRFID技術在農業和食品行業的應用已經有諸多成功案例。聲表面波標簽是最常見的基于時域反射的不可打印標簽，作為一種基于時域反射概念的成功商用不可打印CRFID標簽，聲表面波標簽由數字轉換器、壓電基板、金屬反射器和天線組成，工作頻率為2.45 GHz，具有成本低、可靠性高、體積小、能耗低等優點[8]。在土壤濕度與pH鹽度方面，DEY等[9]基于CRFID技術實現了土壤濕度和鹽度測量。傳感器由一個折疊的單極天線組成，該天線印刷在低成本基板上，并有一個可插入土壤中的傳感探頭。傳感器的工作原理是測量濕度和鹽度的變化導致的標簽電磁特性改變，這些變化由閱讀器檢測，對有實時監測土壤濕度和鹽度水平需求的農民和研究人員提供了巨大的便利。在植物生長檢測方面，DEY等[10]設計了一種用于植物葉片水分含量檢測的紙基CRFID傳感器，采用無源微波諧振器設計，用于測量環境物理參數。通過對3種不同類型的葉片樣本的試驗分析，驗證了該傳感裝置的商業能力。該傳感器適用于苗圃和溫室等小型園藝場景中的植物健康監測。在水果成熟度檢測方面，近年來，研究人員通過CRFID傳感器技術，實現了乙烯無源無線檢測，可以更早地監測水果成熟度。傳感器被集成到包含數據處理和分析模塊的組件，該組件可以解譯多維度傳感器信號以確定環境中的乙烯水平并預測水果何時可能變質。該類傳感器的開發與應用使得農民、分銷商和零售商可以更好地監控農產品質量和新鮮度并采取行動防止腐敗發生，從而降低食物浪費。在智慧農業方面更是可以使用CRFID標簽來監控各種環境因素，如溫度，濕度和土壤濕度水平，提高種植效率，并在保證生產質量的同時減少人工管理成本，從而實現更精確和高效的農業管理[11]。

綜上，CRFID因為具有輕量、價格合理、普適性好等優勢而被廣泛應用，本文對智慧農業場景下CRFID跨域感知系統和用于CRFID標簽制作的敏感材料進行介紹，然后介紹了CRFID用于濕度、溫度、氣體（二氧化碳、氨氣、乙烯）和pH檢測的研究進展，針對檢測目標物，分析了CRFID標簽傳感器檢測原理，對比相關傳感器的關鍵性能指標，同時總結了食品領域（豬肉、牛肉、魚肉、果蔬、牛奶）的CRFID跨域感知研究進展，最后對CRFID技術應用、面臨的挑戰和未來研究方向進行總結，指出未來智慧農業檢測場景的低功耗、小型化、抗干擾發展趨勢。CRFID技術的成功應用將有利于提升農業場景傳感檢測的智慧化程度，有助于人類及動植物生產活動健康評估。

1 感知系統與敏感材料

1.1 無芯片射頻跨域感知系統

在無芯片射頻跨域感知過程中，閱讀器通過反向散射機制讀取無芯片標簽內部信息，從而實現非接觸式標簽識別，并獲取標簽的信號特征。當前的主流商用RFID設備可以提供多種不同的信號特征，可使用戶在讀取標簽之余，對標簽的狀態進行分辨。典型智慧農業場景下的CRFID感知系統如圖1所示，標簽閱讀器發射電磁信號經前向鏈路到達部署在農業種植、畜牧養殖和食品包裝等場景的CRFID感知標簽，電磁信號激活標簽為其提供工作能量，之后電磁信號經反向鏈路返回閱讀器天線，反向散射的電磁信號包括CRFID標簽的編碼數據和傳感數據，閱讀器通過接收和解碼傳感器反射的信號數據實現對溫度、濕度、pH值、氣體和食品品質等信息的感知，為食品安全和農業生產提供關鍵數據，并將記錄的信息發送至用戶管理系統。

CRFID標簽由集成傳感元件的諧振散射體和編碼ID單元構成，傳感元件可以是敏感材料，也可以是具有傳感功能的電阻或電容式傳感器，基于標簽本身的諧振結構、尺寸發生物理或電氣變化，或者標簽天線所負載的敏感材料特性發生變化，實現射頻跨域感知。常見的CRFID標簽分為時域反射標簽和頻域反射標簽。基于時域反射的CRFID標簽以脈沖形式從接收到的一系列反射波中提取寬帶和窄帶脈沖激勵，同時對脈沖激勵數據進行編碼。時域反射標簽根據制作工藝分為不可印刷標簽和可印刷標簽。可印刷標簽能實現快速制造，易于大規模生產，可基于環保基底打印[12]。王思睿等[13]以紙作為基板，設計出諧振頻率為2.45 GHz的濕度傳感器，解決了紙基底介電損耗引起的諧振性能下降問題，并在環境溫度20、25和30 ℃條件下測量了傳感器的靈敏度、線性度和穩定性，發現該傳感器適用于智能包裝、物流運輸等領域。當CRFID基于不同的諧振器結構如環諧振器[14]或雙諧振器[15]時，可適用于不同應用場合。CRFID傳感器由于沒有嵌入式芯片或電池，不消耗電力，因此提供了無限的能源自主權，同時能夠兼容惡劣環境，包括高溫和高輻射水平的環境，并且與其他無源傳感器相比具有更大的讀取距離。在設計此類傳感器時可以使用的材料種類多樣，且與其他類型的無源無線傳感器相比，其可印刷的特征能夠顯著降低傳感器的制作成本。

基于時域反射的可打印標簽通常分為薄膜晶體管和延遲線標簽兩種類型。基于薄膜晶體管的CRFID標簽在智慧農業場景已廣泛應用[16]。延遲線CRFID標簽基于單個微帶延遲傳輸線從標簽接收的多個回波信號中產生脈沖調制[17]，信號之間的時間延遲由延遲線的長度以及相位變化決定，相位變化用于標記特定的ID編碼。基于延遲線的時域反射標簽通過使用濾波器或左手延遲線等結構來減小標簽尺寸，然而較少的比特數限制了該標簽的應用范圍。基于頻域反射的RFID標簽均為可打印標簽，其原理是使用諧振結構將數據編碼在頻譜之中，每個數據位與頻譜中特定頻率處出現的諧振峰值關聯。

頻域反射標簽與時域反射標簽相比，在成本和檢測信號方面具有優勢。CRFID將數據編碼在頻譜中，因此具有一個由頻譜特征決定的唯一ID，該頻譜特征通過使用一個振幅和相位均勻的連續多頻信號波對標簽進行詢問獲得。標簽在接收到詢問信號后，將數據編碼到頻譜的振幅和相位中，編碼后的信號重新回傳給閱讀器，讓閱讀器能夠使用振幅和相位兩個規則對數據進行解碼。XIE等[18]提出了一種“I”形槽諧振器的頻域反射CRFID標簽，由2個分別用來發送和接收的天線和一個多諧振器電路組成，當被垂直平面波激發時，可以改變反射電磁波特征，與多諧振器無芯片標簽相比，該標簽僅占用較窄的頻帶。PRERADOVIC等[19]提出一種變極化CRFID頻域反射標簽，閱讀器在超寬帶頻譜上發出連續載波掃頻信號，當載波信號到達標簽處時，使用一個極化方向上的超寬帶天線將接收到的信號可以傳播到另一個極化方向上的超寬帶天線，接著返回閱讀器。發射天線和接收天線的極化方式相互正交，能夠使詢問信號與標簽回波信號之間的干擾減到最小程度，該類型的CRFID標簽具有編碼魯棒性強和較高的編碼容量等優點，但一般具有較大尺寸。

圖1 智慧農業場景下無芯片射頻跨域感知系統

CRFID的識別和可追溯能力被認為是條形碼的下一代繼承者，通過在包裝上貼附電子標簽，利用CRFID標簽的識別、傳感能力采集目標產品信息。CRFID標簽可以貫穿在產品制造、運輸、倉儲、銷售等物流及倉儲環節。通過對標簽中溫度、濕度、酸堿度、氣體等關鍵指標的讀取實現農產品的質量追蹤，依托無線通信、網絡、數據庫等技術實現品質信息查詢、融合、可視化等，解決食品品質溯源問題，提高產品服務質量和客戶滿意度[17-18]。與條形碼相比，除了識別和可追溯功能外，CRFID可同時讀取數百個標簽，也可以透過大多數包裝材料實現非視距讀取。例如，可以將CRFID讀取器放置在倉庫入口處，監控庫存的同時，提升了倉儲貨物的出入庫處理效率。CRFID標簽還可以集成多種類型的傳感器，以多傳感器信息融合方式提供多維度識別和傳感能力[20]。

1.2 負載敏感材料

CRFID標簽本質上是被動的，通過改變負載敏感材料的電導率、介電常數或磁導率，影響標簽的電磁諧振頻率或相位等信息；因此，負載敏感材料是CRFID傳感器實現的關鍵要素之一，敏感材料的性能變化可以表征環境因素的物理、化學或生物變化。CRFID標簽設計過程中，敏感材料既可以作為標簽的基板安裝在標簽傳感器本身的結構中，也可以作為標簽天線的連接材料，成為對環境參量敏感的可變負載模塊。圖2給出了應用于不同檢測對象的CRFID負載敏感材料。敏感材料隨著場景中氣體濃度、溫濕度、pH值等因素變化，電導率、磁導率、介電常數等物理量會隨之改變，引起標簽反射電磁波的回波損耗、頻率、相位等特征發生變化。

以碳納米管及其復合材料為例，在室溫下具有良好氨氣吸附特性，是對傳感器系統發展至關重要的是低成本材料，能夠在中長期內保持穩定的電氣性能；碳納米管具有高表面積、高化學穩定性、快速電子轉移動力學和良好的電催化特性，有利于吸附空氣中的氨氣分子；氨氣分子與碳納米管表面接觸后，使得載流子濃度發生改變，導致碳納米管的電阻值發生變化；同時在機械上是柔性的，允許在溶液中處理，被廣泛應用于無源檢測場景。碳納米管可在惡劣的環境中使用，能夠克服金屬氧化物半導體作為氣體敏感材料所需工作溫度偏高的缺點。理論上，CRFID傳感器可以表示為一個射頻天線負載敏感材料的可變阻抗=R+X模型，其中R與X分別為阻抗的實部和虛部，回波損耗受阻抗虛部影響，諧振頻率偏移由實部變化引起。

圖2 應用于不同檢測對象的CRFID負載敏感材料

圖3a中負載的電導率影響阻抗的實部變化使得標簽的回波損耗的幅度增加或減少，圖3b中負載的介電常數變化可等效為電容影響阻抗虛部，使得反射信號的諧振頻率發生偏移。多數敏感材料表現出有限但不可忽略的導電性，即使是低電導率值也會大大增加材料的損耗和耗散因子。實際上，這意味著由弱導電材料包圍的諧振器將顯示出低品質因子，因此，還可以通過測量CRFID的品質因子來檢測環境變量引起的電導率變化。關于微波頻率下傳感材料的介電特性及其隨環境變化的文獻報道較少，表1中總結了幾種常見的敏感材料及其介電性能。

圖3 CRFID負載的電導率σ和介電常數ε變化對標簽回波損耗S11的影響

2 檢測對象

2.1 濕度檢測

濕度是影響農業生產的關鍵因素之一[16]，在農業場景中環境的水分含量直接影響作物呼吸和生長，當環境濕度過高時，作物產生礦物質營養的能力會降低，環境濕度過低時，作物生長的氣孔關閉，光合作用減慢甚至停止，會直接造成作物葉片壞死或生長進度減緩。與傳統濕度傳感器相比，CRFID濕度傳感器利用射頻散射信號的回波特性實現無接觸濕度檢測，不需要外部復雜電路。其中，濕度敏感材料吸收水分子，電氣特性發生變化，有研究表明，硅納米線[28]、Kapton、聚乙烯醇[11]、氧化石墨烯[29]和生物聚合物[30]均可用于濕度傳感器。

表1 常見敏感材料的介電性能

GOPALAKRISHNAN等[15]基于CRFID傳感器標簽對土壤的體積含水量進行檢測估計，標簽諧振器的諧振頻率是偶極天線周邊和傳感器接地平面區域有效介電常數的函數，沒有鈍化涂層時傳感器標簽的有效介電常數是襯底介電常數及其周圍空氣的函數，非鈍化傳感器標簽提供了初始諧振頻率；使用聚合物涂層鈍化傳感器標簽后，傳感器標簽的諧振頻率降低。當傳感器標簽埋在土壤下，其諧振頻率取決于周圍土壤的介電特性，隨著土壤含水量的增加，與傳感器標簽相關的有效介電常數增加，導致傳感器的共振頻率讀數降低。通過測量諧振頻率的變化就能夠推導傳感器周圍土壤濕度的變化。但該研究中標簽尺寸偏大，雖然天線極化能夠過濾環境干擾，但對于CRFID抗干擾性能缺乏對比研究。

包涵[2]提出了一種基于“Z”型諧振器的雙向變極化濕度傳感器標簽，標簽包括V-H、H-V兩個方向諧振單元，V-H方向諧振單元表面覆蓋一層濕度敏感材料，濕度變化會改變敏感材料的介電常數，使得頻譜諧振點發生偏移，通過監測諧振頻率的偏移量實現濕度測量；H-V方向諧振單元用于標記編碼數據，編碼和傳感單元反射信號的極化分離可以有效規避監測過程中的標識傳感鏈路交叉干擾。為了進一步提高CRFID濕度傳感器的檢測靈敏度，呂文等[31]制備了一種基于二氧化鉬/聚酰亞胺復合材料的LC濕度傳感器，傳感器諧振結構由方形的電感線圈和叉指電極組成，當叉指電容上的濕度敏感涂層吸附水汽分子時，介電常數變化導致線圈的電容發生改變，從而影響傳感器的諧振頻率。濕度敏感材料采用二氧化鉬/聚酰亞胺復合材料，當水分子被敏感材料吸附后會被叉指間電場電離成質子和氫氧根，質子在叉指電場作用下產生遷移，使濕度敏感材料的介電常數增加，叉指電極上的電容值增加，從而導致諧振頻率變化。該傳感器具有快速的響應和恢復時間，在10%～95%相對濕度量程內具有較高的靈敏度和穩定性。這種非接觸式、高精度、大量程的CRFID濕度傳感器能夠很好地滿足果蔬倉儲、作物種植、畜禽養殖等智慧農業場景的濕度監測需求，對于覆蓋范圍大、環境封閉的濕度檢測有較好的應用前景。

硅納米線作為時域CRFID濕度傳感器的敏感材料[32]在相對濕度變化為60.2%～88%的情況下，基頻附近能觀察到30 dB的雷達散射功率變化和22.3 ns的群延遲變化，證明硅納米線在濕度傳感器應用中的應用潛力。部分基于濕度敏感材料的CRFID傳感器主要參數如表2所示。

表2 基于不同濕敏材料的CRFID濕度傳感器

2.2 溫度檢測

適宜的溫度環境有助于作物健康生長，提高農產品產量和品質[35]，基于CRFID的溫度傳感器可以降低大面積監測場景下的傳感器節點部署成本，且適合部署在無法進行電路有線連接的場景。常見的CRFID溫度傳感器由標簽天線與溫度敏感材料組成。溫度敏感材料能夠將待測溫度的改變轉換成標簽的電氣特性變化，菲、離子塑料晶體、聚酰胺Stanyl[36]、Galinstan[37]、碳納米管[23]、氧化石墨烯[38]、氧化鋁[39]和離子銅[40]的溫度敏感性已被用于CRFID傳感器設計。當溫度上升或下降時，敏感材料的電導率和介電常數會發生改變，影響CRFID標簽反向散射信號域，當閱讀器向標簽傳感器發送電磁信號，標簽產生的電磁波反向散射回到閱讀器，通過分析標簽的射頻鏈路特性變化反演待測的溫度傳感信息，表現為CRFID反向散射信號的振幅、諧振頻率和相位隨溫度的變化。基于不同敏感材料的CRFID溫度傳感器主要參數如表3所示。

菲是一種會升華的材料，在溫度約為72 ℃時蒸發，此時介電常數會出現突變，適用于記憶傳感器的實現。AMIN等[37]利用菲的不可逆介電性質提出了一種溫度閾值傳感器標簽，菲材料層作為傳感器敏感單元。YANG等[41]提出環境溫度能使水凝膠聚合物鏈中非極性基團之間的疏水作用增加，形成更密集的網絡結構，添加疏水或親水共聚單體可以改變臨界溫度，從而實現對溫度的傳感，在智能包裝領域具有應用前景。

REN等[38]利用氧化石墨烯薄膜作為溫度敏感材料構筑單層平面螺旋銅電感器，使用單線圈和電容器組成電感-電容諧振電路。溫度變化影響LC電路的電阻和電容，并改變傳感器標簽諧振頻率和品質因子，通過監測傳感器的阻抗和諧振頻率的實部最大值，可以獲得電容和電阻，從而實現溫度檢測。不同溫度下水分含量變化會影響聚酰胺材料介電常數，其介電常數響應率隨溫度的穩定線性增加，薄膜沉積聚酰胺標簽可用于標簽識別和溫度傳感。ABDULKAWI等[39]使用聚酰胺薄膜制作超高頻RFID溫度傳感標簽，聚酰胺聚合物沉積在加載標簽傳輸線的螺旋諧振器上，材料的介電弛豫時間具有溫度依賴性，該聚合物作為敏感涂層時對于溫度的敏感性為1.25 ℃/MHz。TRAILLE等[40]利用液態金屬Galinstan設計了一種溫度傳感器，該傳感器以雷達散射截面變化為依據進行溫度檢測，實現了基于微流體傳感器可變性的溫度測量。Galinstan是一種共晶合金，在?20～1 300 ℃之間以液態形式存在，可以動態改變沿線性陣列配置激活的天線元件數量，根據設備的雷達散射截面變化精確量化待測溫度。

通常CRFID標簽受到閱讀器天線尺寸的限制，例如使用方形天線（80 mm×100 mm）時，讀取范圍僅為25 cm。為了克服天線尺寸限制，閆騰飛[42]選取多壁碳納米管作為溫度敏感材料，將有周期排列的開環諧振器結構應用于傳感器的設計中，溫度傳感器在一定頻帶內具有介電常數為正、磁導率為負的單負特性，這種特性屬于超常媒質，超常媒質材料屬性使得諧振器可以實現小型化。JAVED等[43]基于敏感材料設計的緊湊型7位CRFID多參數傳感器，采用6個倒“U”形和“L”形諧振器，在2～8 GHz的頻帶內實現諧振，負載敏感材料的介電特性與溫度波動有關，試驗中溫度每升高10 ℃，雷達散射功率向低頻漂移26.2 MHz，襯底的這種敏感行為與相對介電常數的高熱系數相關，由于頻率失諧與溫度波動具有線性比例關系，因此襯底諧振頻率與溫度變化有明顯的相關性[44]。

表3 基于不同溫度敏感材料的CRFID濕度傳感器

溫度是保障食品高質量運輸的一個重要因素，例如，冷鏈物流系統如果缺乏溫度監控易導致食品腐化變質。VIVALDI等[45]指出，摻雜銅的離子液體可以用作溫度監測的敏感單元，當室溫達到8 ℃以上時，離子液體將熔化并使CRFID標簽電路短路，這種材料對相對濕度不敏感，因此適用于冷鏈物流過程。ATHAUDA等[46]提出了一種無源RFID溫度傳感器，可以實現0～20 ℃范圍內的溫度測量，該傳感器由非對稱圓形分裂環諧振器組成，當傳感器涂覆椰子油和葡萄籽油時，4 ℃時諧振器在5.65 GHz處會出現峰值。上述兩種CRFID溫度傳感器具有可定制的溫度閾值，但傳感過程不可逆。VILLA等[47]在上述工作基礎上將CRFID諧振器均勻涂覆低熔點、中熔點和高熔點的3種油，然后對諧振器進行時間-溫度分布研究，發現諧振器的相位隨油的溫度改變。

2.3 氣體檢測

2.3.1 二氧化碳檢測

CRFID標簽氣體傳感器由標簽天線和氣敏薄膜組成，氣敏薄膜充當可變電阻，當氣敏薄膜遇到被檢測氣體后阻值會發生改變，從而改變標簽天線的反射系數。將敏感材料作為天線的成分，可以使天線的氣體靈敏度最大化，但會降低天線效率和射頻識別標簽的激活距離；或將敏感材料作為標簽的成分，能夠提供更好的通信性能，但對氣體的敏感度較低。閱讀器反射功率取決于CRFID標簽天線的功率反射系數。通過檢測讀卡器天線接收功率變化就可以實現CRFID標簽氣體傳感器對目標氣體的檢測。

二氧化碳（CO2）對作物生長過程起著至關重要的作用，尤其在大棚環境中。研究表明，大棚內CO2濃度在日出前約為500～600 mg/L；日出后，植物光合作用吸收大量CO2，CO2濃度降到100 mg/L以下[48]。碳納米管對CO2氣體高度敏感，可用于CO2傳感器敏感單元。JAVED等[49]以銅作為諧振器輻射材料，以多壁碳納米管作為CO2敏感單元，插槽蝕刻在寬度為0.2 mm的金屬板內，CRFID標簽的頻率響應在4～25 GHz內可見，CO2氣體的吸收與多壁碳納米管電導率成正比，與測試環境中的CO2濃度成反比。VENA等[50]研制了一種低成本無線全噴墨打印CRFID傳感器，該傳感器安裝在涂抹三種不同墨水的柔性層壓板上，基于2個90°的分裂環諧振器，產生2個極化方向上的獨立響應。常見的敏感材料負載CRFID的CO2傳感器指標對比見表4。

表4 敏感材料負載CRFID的CO2傳感器指標對比

2.3.2 氨氣檢測

高體積分數的氨氣對人類以及動植物有著潛在的健康威脅，也是農業種植和農產品蛋白質分解過程中的常見氣體，是微生物肉類分解過程的關鍵檢測指標[56]。在農業大棚種植或其他栽培過程中，氨氣濃度過高會使農作物產量、品質受到影響，例如銨態氮、酰胺態氮含量過高的復合肥料在地膜覆蓋尤其是雙膜結構的大棚中，極易分解釋放大量氨氣，引發氨害；未經充分腐熟的有機肥料容易在膜下發生二次發酵，發酵過程亦會釋放大量的熱量并產生氨氣[57]。因此在溫室大棚、地膜環境中放置CRFID氨氣傳感器可以有效檢測氨氣濃度突變，做好氨害預警和補救。

用于氨氣無源檢測的CRFID標簽傳感器敏感單元被廣泛研究，例如碳納米管、羧基化聚吡咯納米顆粒（C-PPy NPs）[58]水凝膠涂覆的pH電極[59]、釕摻雜的氧化鋅[60]和銀/還原石墨烯氧化物[61]。其中，單壁碳納米管對氨氣高度敏感，在室溫下可以對氨氣的吸附產生響應, 相較于傳統的金屬氧化物有巨大的優勢。KAO等[62]利用全噴墨印刷技術開發了一種將碳納米管嵌入在平面耦合開環諧振器上的微波傳感器，碳納米管膜作為局部可變電阻器集成到微波傳感器中，交叉指狀電極（叉指電極）圖案提供了更大的接觸面積，提高傳感器靈敏度，通過在高頻和室溫下進行氨氣檢測試驗，證實了該傳感器具有良好的線性響應和高可靠性。

聚苯胺（PANI）對氨氣具有高親和力，因此表面涂有PANI薄膜的傳感器可以捕獲氨氣分子，膜的電導率隨著氨氣分子的吸收發生變化。KARUPPUSWAMI等[20]使用諧振槽作為CRFID傳感器，叉指電容器涂有PANI用于氨氣檢測。氨氣被PANI吸收并捕獲在敏感單元表面，從而改變有效電容并導致諧振頻率偏移。王雅等[63]采用導電聚苯胺、還原氧化石墨烯（PANI/RGO）納米復合材料為氣體敏感層涂敷在叉指電極上，構成的LC氨氣傳感器。導電聚苯胺、還原氧化石墨烯敏感材料易溶性合成，穩定性良好，與氨氣接觸發生可逆的氧化還原反應，氣體分子流入氣敏層使介電常數發生變化，改變了叉指電極的電容和傳感器回路阻抗[64]，從而影響標簽天線的反射系數和諧振頻率，該CRFID氨氣傳感器結構簡單、成本低，對氨氣有良好的選擇性，適于包含復雜氣體組分的農業大棚環境。BARANDUN等[59]提出了一種小尺寸、低成本的紙基氨氣傳感器，用于室溫下的水溶性氨氣檢測。紙基中的高吸濕性纖維素水分含量隨相對濕度變化，該傳感器在大范圍氨濃度（0.2～1 000 mg/L）和70%相對濕度下，電導率的變化與氨濃度成正比，檢測下限為0.2 mg/L。YU等[65]利用靜電紡絲和原位聚合物制備了一種氨氣敏感材料Ag-CNFs，通過將Ag-CNFs夾在兩個銅電極（銅片）之間組裝為一個尺寸為20 mm× 60 mm×2 mm的CRFID氨氣體傳感器。暴露于較高濃度氨氣的傳感器表現出較大的電流變化，使用抗菌納米銀納米顆粒對CNFs進行表面改性后，可用于檢測密閉環境中1～4 mL氨氣溶液自然揮發形成的氣體分子，適用于農業地膜環境中氨氣濃度檢測或者密閉包裝中肉、蛋等產品品質檢測。

此外，WU等[66]提出了一種基于還原氧化石墨烯的電阻式氨氣傳感器，通過檢測天線頻率變化來反映氨氣體積分數。當傳感器置于氣室內與氨氣反應時，自身的頻率會發生改變，再由標簽閱讀器接收其反射信號，在氣室外使用相同的高增益發射天線測試傳感器天線的感測特性，可以觀察到由于傳感器天線的頻率失配導致的發射天線的反射幅度增加，再通過標簽天線反射系數的變化就可以計算氨氣含量。ABDULLA等[67]提出了一種基于多壁碳納米管和PANI納米復合材料的超薄膜氨氣傳感器，將PANI@多壁碳納米管薄膜直接轉移到在SiO2涂層襯底上，通過氨氣分子選擇性吸附對電磁信號的影響來實現檢測，這種高選擇性的氨氣傳感對于智慧農業中的CRFID傳感有著廣泛的應用前景。

2.3.3 乙烯

果蔬在成熟過程中釋放的乙烯氣體是調節果實成熟、衰老及品質變化的關鍵因子[68-69]。普適性乙烯檢測手段在水果采摘、包裝、存儲、運輸和加工過程中至關重要。由于乙烯是一種還原性氣體，可以在電容和電阻模式下進行測量，目前，用于乙烯檢測最廣泛的技術是基于N型金屬氧化物半導體傳感器。為了提高傳感器性能，使用貴金屬如Pt[70]、Au[71]、Ag、TiO2-WO3復合材料[72]和Pd[73]作為金屬氧化物半導體是一種普遍的策略。特別是作為潛在的乙烯受體和催化劑，負載Pd的金屬氧化物傳感器具有高選擇性、快速響應和低檢測限[74]。

由于乙烯有限物理化學反應特性，室溫條件下工作的乙烯傳感器性能較差，為了加速非極性乙烯分子在敏感材料上的吸附和解吸，通常使用加熱或紫外線照射等輔助方法。MORI等[70]研究了二氧化硅負載鉑基催化劑（Pt/A380和PtRu/A380）的乙烯氧化活性，通過對早產香蕉、黃瓜和蘋果的貯藏試驗證明這些催化劑對于延長易腐爛物保質期是有效的。同時，ESPINOSA等[75]給出了不同的金屬氧化物半導體對乙烯檢測的不同響應時間。WU等[76]和WANG等[77]也成功檢測到低至8 mg/L的乙烯氣體。在350 ℃溫度下，SHOLEHAH等[78]在柔性PET-ITO襯底上使用ZnO-Ag層成功地制造了乙烯氣體傳感器，ZnO基體中負載的Ag濃度與傳感器的性能有關，對乙烯的響應信號強度分別是乙醇、甲醇、丙酮、二甲苯和甲苯等干擾物的8、21、3和1.5倍。

與上述的電阻式傳感器不同，在室溫條件下BALACHANDRAN等[79]提出以SnO2納米顆粒作為活性介電層的乙烯傳感器，所使用的集成天線傳感器是一種低成本、無源的電容器傳感設備，可以與無源CRFID標簽集成。BALACHANDRAN采用標準光刻工藝在柔性聚酰亞胺基板（Pyralux FR覆銅層壓板）上制造出三角形微帶貼片天線集成傳感器天線，SnO2電容器作為獨立器件進行測試。傳感器的電容值在較高濃度的乙烯氣體時會降低，當電容器僅使用醋酸纖維素作為介電層時，電容值變化相對不明顯，證實了SnO2層對乙烯氣體的敏感性。

2.4 pH值檢測

pH值的測量在農業生產中具有重要價值。典型基于CRFID的pH傳感器結構包括移相器、pH電極和射頻天線，移相器作為射頻傳感元件將pH電極電壓轉換為射頻系統可識別的相位信息，射頻天線用于無線接收和發送電磁信號[5]。傳感器采用雙頻法實現pH檢測，由天線、混頻器、功率分配器、放大器和矢量網絡分析儀（VNA）組成pH無線傳感器檢測架構。VNA端口發送電磁信號，經過功率分配器與放大器對信號進行調制處理后由發射天線發送到pH傳感標簽，標簽接收到的信號相位為·sin()，移相器根據pH電極電壓變化將輸入信號的相位改變，接收天線接收到標簽的反向散射信號發生相位偏移，反射的電磁波經混頻器回到接收端口，相位偏移量取決于空間路徑變化和傳感器標簽中的pH值，通過分析VNA中信號的相位差實現pH值的檢測。

基于CRFID的pH傳感器由標簽天線與pH敏感材料組成，標簽諧振結構由電感電容線圈和電極組成，敏感材料能夠感應pH值大小，使標簽的電氣特性發生改變。閱讀器向標簽發送電磁信號時，電感電容線圈上的敏感涂層接觸酸堿分子，其介電常數和電導率發生變化，電容值與電感值的改變影響標簽的諧振信號，閱讀器接收到反向散射信號實現pH檢測。pH敏感材料主要有PEDOT[80]、銻/氧化銻（Sb/Sb2O3）[81]、氧化銥、碳納米管、殼聚糖[82]、聚二甲基硅氧烷（PDMS）[83]、SiO2[84]等，上述材料的pH敏感性已被研究用于實現CRFID傳感器設計，幾種pH傳感器及其檢測指標如表5。

表5 幾種pH敏感材料負載CRFID傳感器及其檢測指標

DEY等[9]提出了一種CRFID傳感器，傳感器采用了一個簡單的（單層銅片）和緊湊的U型折疊單極子結構，提出了一種低成本的pH檢測方案，測量了不同鹽土環境下土壤中的鹽度和濕度水平。MONDAL等[81]提出了一種基于數字調制方法的無線pH傳感器，選擇了成本可控的銻/氧化銻（Sb/Sb2O3）用于pH檢測，讀取范圍保持在45 cm，其中讀取器設置為15 dBm的傳輸功率，通過更高功率或更好的增益天線可以進一步改善讀取范圍，但研究過程中的pH電極需要浸入目標溶液中才能獲得測量結果，這限制了其在部分場景中的應用。ATHAUDA[82]等采用殼聚糖水凝膠進行了微波表征，在pH =4的緩沖溶液和pH =10的緩沖溶液中觀察到溶脹性質。當酸性介質被敏感材料吸收時，酸的氫離子會導致結構變形，同時破壞現有的鍵，從而降低了材料的電子傳遞性，影響介電性能。殼聚糖水凝膠暴露于堿性介質時，振幅水平沒有降低太多，但頻率響應的總體模式在兩種介質中表現出相似性[84]。CRFID傳感器的優點是具有良好的生物相容性，但缺點是其對酸性和堿性介質的頻率響應范圍很難區分。

另外，pH檢測在食品領域中更為常見。食物中微生物活性是腐敗產生的主要因素之一，易腐食品變質時會導致pH值發生變化。HILLIER等[83]對商業濕度RFID標簽進行改進，提出了pH傳感器標簽，當基材涂有pH敏感材料，CRFID標簽的反向散射信號可以隨pH值發生改變。pH敏感材料由聚二甲基硅氧烷（PDMS）的兩種官能化變體組成，在高pH影響下，pH傳感聚合物膜中形成更多的NH3+基團，導致電容器芯片陣列發生變化，從而改變傳感器編碼。其他與PDMS功能類似的材料如聚苯胺的食品安全性尚未得到完全證實，因此，適于食品包裝的pH敏感材料和CRFID傳感器有待進一步研究。

2.5 食品品質檢測

2.5.1 肉類檢測

在牛肉、雞肉、豬肉、魚、羊肉和蝦等肉類腐化過程中，會釋放揮發性有機氣體，包括醇、醛、酯、酮、硫、氮等標志物[90-91]。揮發性有機化合物是評估肉類新鮮度的重要指標，如H2S（硫化氫）、(CH3)3N（三甲胺或TMA）、(CH3)2NH（二甲胺或DMA）等[92-93]。CRFID標簽傳感器通過感知這些生物標志物來實現易腐食品的有效監測和管理。

金屬氧化物半導體傳感器已用于檢測銀杯、三文魚、黑線鱈、鱈魚、紅魚等變質過程中產生的揮發性化合物。然而，金屬氧化物半導體傳感器需要在高溫條件下運行。熒光光譜和核成像等無損檢測也被用于確定魚的新鮮度，魚肌肉顯示出固有的熒光，然而這種熒光強度隨著儲存時間變長而降低。根據魚肉腐敗過程中的pH值變化，HUANG等[87]通過在無源射頻應答器中嵌入柔性pH傳感器來監測魚肉的pH值水平，該傳感器不需要很高的工作溫度，與酶傳感器相比，可連續監測pH值水平。CRFID標簽包括基于集成在可變形基底上的微型氧化銥和氯化銀（AgCl）傳感電極。室溫下儲存的魚肉pH分布與測量頻率分布相匹配，但是電極對需要與魚肉接觸，因此存在電極和食物污染的問題。BHADRA等[94]在揮發性有機物近場無源傳感器基礎上，將基于水凝膠涂層pH電極的近場無源傳感器用于魚肉腐敗檢測。變容二極管無源LC諧振器的諧振頻率取決于周圍環境的揮發物質濃度，腐敗過程中產生揮發性堿性氮會導致傳感器諧振頻率發生變化，通過測量阻抗就能檢測傳感器的諧振頻率。該類傳感器設計簡單，適合使用印刷電子技術進行大規模生產，并且不直接與魚肉樣本接觸，是一種非破壞性、消費者友好且可靠的檢測器件。

目前，牛肉品質檢測大多基于生物化學方法和感官評定方法，檢測結果的客觀性較差。NGUYEN等[95]通過雙標簽RFID傳感器檢測牛肉pH值，分析了牛肉的介電常數隨時間的變化規律，通過分析CRFID傳感標簽的反射功率來預測牛肉達到不可食用狀態的發生時間。ZHANG等[96]利用MoS2納米片和Ag@MoS2將納米復合材料滴鑄在銅電極上，隨著豬肉儲存時間從0增加到40 h，傳感器標簽的工作頻率從1 024.5 MHz變化到978.3 MHz，對應的胺（氨、腐胺、尸胺和其他物質的組合）累積為0和40 mg/L。王建旭[97]設計了矩形銅片電極型和叉指電極型傳感器，用膠水粘貼在放有豬肉的培養皿底部內側，銅片電極大小為30 mm× 30 mm，間距為9 mm，使用網絡分析儀對叉指電極型傳感器進行頻率掃描，掃頻范圍是300 kHz～500 MHz，同時記錄其阻抗信息。將水分含量與不同頻率下的阻抗虛部進行線性擬合，在150和215 MHz附近，豬肉水分含量與樣品的阻抗有很高的線性相關性。

2.5.2 果蔬品質檢測

在果蔬運輸或銷售過程中，CRFID標簽可用于測量溫濕度、光照等物理變量以及果蔬釋放的一些揮發性物質，如乙烯或乙醇、乙醛（在低氧條件下貯藏期間水果壓力的指標）等。包裝中的蔬菜消耗氧氣并排放二氧化碳，可以通過氧氣和二氧化碳的濃度來監測蔬菜的新鮮程度。因此，研究人員提出了集成氧氣和二氧化碳傳感器的RFID標簽，以實現對蔬菜新鮮度的監測[98]。

ESPINOSA等[75]開發了由金屬氧化物層（氧化錫或氧化鎢）制成的氣敏涂層，該涂層安裝在CRFID柔性標簽上，用于監測運輸和銷售過程中的水果，涂有氧化錫和氧化鎢的傳感單元對相關揮發性氣體高度敏感。RICARDO等[99]采用RFID技術對溫度進行監控得到三維溫度映射圖，使用濕度數據模型計算呼吸熵變和絕對含水量，實現了對果蔬冷藏室水損失的估計，通過檢測并分析儲藏果蔬的冷凝參數，創建了溫度分布圖和濕度圖，但這種研究僅在測試階段可行。HATTAB[100]等通過將CRFID標簽天線放置在芒果表面來估計水果的新鮮度，芒果的介電常數和介電損耗會干擾標簽天線反射特性。

2.5.3 牛奶檢測

牛奶含有乳糖形式的碳水化合物、乳脂、檸檬酸鹽、牛奶蛋白（酪蛋白）和非蛋白含氮化合物等，這些成分也是微生物生長的理想媒介。細菌（如乳酸菌）的作用會增加牛奶的pH值，導致牛奶品質下降。RODRIGUEZ等[101]、BHADRA等[102]和POTYRAILO等[103]提出的牛奶pH無線無源傳感器能實現6.8～4.4 pH范圍內100 kHz/pH靈敏度的監測，實現了低成本且無需預處理的牛奶品質監測。GHOSH等[104]提出了一種低成本生物傳感器，可以快速準確地檢測鼠傷寒沙門氏菌，試驗結果表明檢測區域中每單位體積目標細胞數量的增多會影響阻抗水平，這種生物傳感器能夠進行定性和定量的細菌數量檢測，適用于牛奶中的細菌檢測。

牛奶介電常數的變化影響無線諧振器的耦合電容，進而改變傳感器的諧振頻率，該方法已通過使用集成在牛奶包裝帽中的LC諧振器以及附著在牛奶包裝表面上的平面LC諧振器進行了應用。RAJU等[105]設計了一種CRFID傳感器，利用雙頻雙極化環形天線來接收、調制和重傳詢問器信號。天線接收模式的諧振頻率對變容二極管pH電極檢測參數敏感，通過使用二極管倍頻器將接收信號加倍，以在重傳之前抑制環境的雜波。諧振頻率和pH值之間相關性明顯，基于pH值測量的傳感器能夠成功監測牛奶的品質變化。

3 挑戰和未來方向

3.1 研究挑戰

3.1.1 敏感材料

CRFID敏感單元檢測目標通常比較單一，多參數傳感是必不可少的。此外，多參數傳感平臺的引入可以集成不同的傳感器、標簽和天線，從而可以在一次制造中構建完整的傳感系統，進一步降低制造成本并簡化用戶體驗[44-47]。具有多重傳感能力的智能材料及其射頻特性，為CRFID傳感技術開辟了新的研究視野。大多數敏感材料已被研究用于低頻應用，然而在高頻條件下，敏感材料在表征、合成和靈敏度性能方面存在一定差異[63]。在高頻條件下充分研究敏感材料測量過程的性能和工程應用方面仍然面臨挑戰。CRFID傳感器的諧振單元和敏感單元由紙基、玻璃材質和金屬等制成。過量的金屬、塑料等材質使用會產生環境污染，加大電子器件回收難度。當CRFID傳感器標簽大規模生產時，解決CRFID標簽制作材料生物兼容性問題仍然面臨挑戰。

3.1.2 干擾抑制

實際測試過程中CRFID射頻鏈路的頻率、相位、功率等易受周圍環境干擾影響，電磁波傳播過程中的路徑損耗也會影響檢測的魯棒性。準確分離出射頻鏈路特征的微小變化并非易事。運用正交電磁場之間的極化隔離度進行通信能夠對環境干擾進行有效抑制[31]，為了在極化失配的原理上克服共極化和交叉極化的限制，標簽設計已經付出了大量的努力，但未見相關研究能徹底解決這一問題[36]。此外，射頻泄漏等干擾源以及標簽周圍的人體、電子設備和其他物體等會干擾反射信號。由于周圍環境變化，干擾也可能會發生變化，例如，CRFID信號會受到金屬、紙板、玻璃，甚至折疊和拉伸的影響，如果標簽所附的紙板或食品包裝受潮或撕裂，可能會導致信號無法正常讀取。

3.1.3 編碼能力

集成編碼單元和傳感檢測單元的標簽是CRFID傳感器的設計目標。在CRFID技術中，編碼頻段的寬度、編碼位數、標簽尺寸之間是矛盾的關系，編碼位數多對應頻帶必然加寬，這會造成檢測難度加大[11]。可利用幅頻和相頻特性聯合的方式進行編碼，可在有限的頻段內實現更多的編碼。超高頻RFID標簽具有編碼魯棒性強和較高的編碼容量等優點，但是一般具有較大尺寸。可以通過設計高質量因子諧振器、利用超寬帶頻段、混合編碼方法進行改進容量有限的問題[106]。

3.1.4 制作工藝

CRFID標簽基板使用傳統制造技術如光刻蝕刻和蠟基沉積技術，會增加標簽的生產成本。蝕刻技術包括濕法和干法兩種類型，具有很高的選擇性和足夠的精度，但其大量的材料浪費和危險化學品使其不適用于大規模生產。此外，基板應該能夠抵抗蝕刻技術中的蝕刻化學物質，限制了基板材料的選擇[107]。例如，根據壓電效應的基本理論，聲表面波標簽無法應用于紙/塑料制品，雖然聲表面波標簽已成功用作商用CRFID標簽，但它不是完全的平面結構，制造工藝也較為復雜。

絲網印刷、凹版印刷和噴墨印刷提供了在各種低成本封裝基板上轉移電路的新技術。然而在印刷技術中如分辨率、孔隙率和導電層印刷的厚度都是其在實際應用中的挑戰，其精細程度受到油墨類型、印刷技術和印刷后熱處理的影響[10,108]。由導電油墨制成的低導電電路可能會導致標簽響應的質量因數和雷達散射功率水平下降，該問題可以在噴墨打印中使用具有更高墨滴尺寸的墨盒，或者在絲網打印中增加網目尺寸解決。雖然使用這些技術可能會提高電導率，但會降低印刷結構的分辨率。增加無芯片標簽的數據容量，同時保持標簽的小尺寸是CRFID技術需要解決的另一個重大挑戰[109-111]。

3.2 未來研究方向

未來CRFID標簽的研究方向可從敏感單元、工作頻段、標簽尺寸、編碼容量、干擾抑制等方面入手。

針對敏感材料制造成本較高的問題，未來可以采用新型敏感材料，以及新型納米材料，這些新型材料應具有更高的靈敏度和更低的成本，可以有效提高無芯片射頻識別的性能。此外，還可以采用新型回收技術，如磁懸浮回收技術，降低敏感材料的回收難題。未來需要持續開發對傳感器系統發展至關重要的低成本材料，在中長期內保持穩定的電氣性能，具有表面積大、化學穩定性高、快速電子轉移動力學和良好的電催化特性，有利于吸附目標檢測物，可在惡劣環境中使用，能夠實現室溫條件下的目標檢測。

CRFID標簽實際測試過程中非目標干擾與電磁波路徑損耗疊加，增加了檢測信息的提取難度。為有效減少其他頻段干擾，如果CRFID系統能夠以現有成熟通信技術為基礎，會大大降低技術成本和開發難度，便于無芯片標簽快速投入市場應用。對CRFID標簽反射信號的干擾主要來源于周圍的環境噪聲和多徑干擾，采用特殊結構的標簽可實現變極化效果，從而提高標簽抗干擾能力并簡化標簽校準過程。或者可以采用統計特征提取方法例如主成分分析和獨立成分分析來處理這些問題，從干擾中提取有用的數據。

在工作頻段和標簽尺寸都確定的情況下，標簽諧振單元的結構和布局是CRFID標簽編碼的關鍵。如何提高標簽的編碼容量也是CRFID標簽的重要研究內容。CRFID的讀取距離受到發射功率和收發天線增益以及標簽的雷達散射功率水平影響，CRFID的傳輸功率在毫瓦級，例如，在3.1～10.6 GHz的超寬帶頻率下，頻率編碼標簽的讀取距離小于25 cm，時間編碼標簽小于100 cm。諧振單元之間的距離越近耦合越明顯，對編碼結果的干擾也越大，如何減小耦合效應來增加讀取距離是CRFID標簽編碼的重大挑戰。

制作工藝方面可以采用新型印刷技術，如激光印刷技術，可以提供更高的分辨率和更低的孔隙率，從而提高CRFID標簽性能。同時，還可以采用新型導電油墨，如金屬納米粒子油墨，可以提高電導率，同時保持印刷結構的分辨率。新型封裝技術，如薄膜封裝技術，以及新型封裝材料，如聚合物薄膜等，可以有效增加無芯片標簽的數據容量，同時保持標簽的小尺寸。

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Review of chipless RFID cross-domain sensing for smart agriculture

SHI Guolong1,2,3, SHEN Xinyi1, GU Lichuan1, RAO Yuan1,3, JIAO Jun1, HE Yigang2※

(1.,,230036,; 2.,,, 430064,; 3.230036,)

Detection technologies have been essential to detect the agro-environmental, plant, and animal ontological indicators in smart agriculture, due to the cost saving, long life, low power consumption, and miniaturization at room temperature. Especially, the agricultural scenarios can also be beyond the wired connections to the circuits. Among them, chipless radio frequency identification (CRFID) has been widely used for its lightweight, affordability, and universality, particularly with the integration of device sensing and wireless communication. The integrated circuits can also be removed as one of the most important media for the fusion of identification and sensing information. The CRFID technology can fully meet the sensing and identification needs of the agricultural environment, such as food safety inspection, logistics, and transportation. In this study, a critical review was proposed on the chipless RFID cross-domain sensing for smart agriculture. Firstly, the system components of CRFID technology were introduced for the fundamentals of cross-domain sensing. Electromagnetic characteristics of the CRFID sensor were used to perceive the change in the physical parameters. The electromagnetic response of the CRFID tag was collected to test the physical/chemical parameters. The sensitive materials were selected to change the conductivity, dielectric constant, or permeability of the tag antenna load. CRFID cross-domain sensing was then realized via the change analysis of the physical parameters to be measured and the resonance response. Secondly, the commonly-used sensitive materials were summarized for the CRFID cross-domain sensing devices and their dielectric properties. The load-sensitive material was one of the key elements of the CRFID sensor. The performance of the sensitive material was represented by the physical, chemical, or biological changes of environmental factors. The sensitive material of the CRFID tag was installed in the structure of the tag sensor, and then served as the base plate of the tag, and the connecting material of the tag antenna. As such, the variable load module was sensitive to environmental parameters. Furthermore, humidity (referring to the content and degree of moisture in the environment) was one of the key indicators to affect the respiration and growth of crops during agricultural production. An appropriate temperature environment was conducive to the healthy growth of crops for the high yield and quality of agricultural products. The CRFID temperature sensor was used to reduce the deployment cost of sensor nodes in the temperature monitoring of large-area agricultural environments suitable for deployment in scenarios, where a circuit-wired connection was unavailable. In addition, carbon dioxide dominated the process of crop growth, especially in a greenhouse environment. Ammonia gas was used as a key detection indicator in the process of microbial meat decomposition. The common gas was found in the process of agricultural planting and protein decomposition of agricultural products, but ammonia gas posed a potential health threat to humans, animals, and plants. Thirdly, CRFID cross-domain sensing was carried out in recent years. Moreover, the latest research progress was summarized on the CRFID sensors for the detection of humidity, temperature, gas (CO2, NH3, and ethylene), pH, and food (pork, beef, fish, fruits and vegetables, and milk). The detection principle of the CRFID tag sensor was analyzed to determine the key performance indicators of relevant sensors. Finally, the current technology was limited in security, networking, mass production, and deployment. The technical and fabrication challenges were proposed for the future trend in smart agriculture scenarios. The successful application of CRFID technology can provide great potential and exciting promise to improve the intelligence of agricultural scene sensing.

smart agriculture; internet of things; environmental detection; radio frequency identification; passive sensor

2022-12-30

2023-02-26

國家自然科學基金項目（51637004）；中國博士后基金面上項目（2021M692473）；安徽省自然科學基金項目（2108085QF260）；安徽省教育廳自然科學研究項目（KJ2021A0179）

時國龍，博士，副教授，研究方向為射頻識別、無源傳感器等。Email：shigl@ahau.edu.cn

何怡剛，博士，教授，博士生導師，研究方向為射頻識別與智能信號處理。Email：yghe1221@whu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202212196

S24

A

1002-6819(2023)-07-0010-14

時國龍，沈心怡，辜麗川，等. 面向智慧農業的無芯片射頻跨域感知研究進展[J]. 農業工程學報，2023，39(7)：10-23. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212196 http://www.tcsae.org

SHI Guolong, SHEN Xinyi, GU Lichuan, et al. Review of chipless RFID cross-domain sensing for smart agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(7): 10-23. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212196 http://www.tcsae.org