時(shí)國(guó)龍，沈心怡，辜麗川，饒 元,3，焦 俊，何怡剛

面向智慧農(nóng)業(yè)的無(wú)芯片射頻跨域感知研究進(jìn)展

時(shí)國(guó)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(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，合肥 230036；2. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430064；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036）

隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，室溫條件下具有低成本、長(zhǎng)壽命、低功耗、小型化的檢測(cè)手段對(duì)于農(nóng)業(yè)環(huán)境及動(dòng)植物本體指標(biāo)檢測(cè)至關(guān)重要，尤其對(duì)于無(wú)法進(jìn)行電路有線連接的農(nóng)業(yè)場(chǎng)景。隨著器件傳感和無(wú)線通信的整合，無(wú)芯片射頻識(shí)別（chipless radio frequency identification, CRFID）因?yàn)榫哂休p量、價(jià)格合理、普適性等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，CRFID標(biāo)簽具有理論上的“無(wú)限”壽命，代替了集成電路，成為標(biāo)識(shí)傳感信息融合的重要媒介，適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境、動(dòng)植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、物流運(yùn)輸、食品品質(zhì)檢測(cè)等。該研究首先介紹了CRFID系統(tǒng)構(gòu)成，以及其基本原理，指出天線是CRFID實(shí)現(xiàn)跨域感知的關(guān)鍵要素之一，隨著農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中氣體、環(huán)境溫濕度、pH值等變化，天線負(fù)載敏感材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)變化，引起CRFID標(biāo)簽的反向散射信號(hào)變化；其次，基于時(shí)頻域標(biāo)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(cè)的國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，對(duì)比了相關(guān)傳感器的關(guān)鍵性能指標(biāo)；最后，針對(duì)CRFID技術(shù)的成功案例，指出了該類型傳感器面臨的主要研究挑戰(zhàn)、未來(lái)研究方向和潛在解決方案，指出了未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)檢測(cè)場(chǎng)景的低功耗、小型化、抗干擾發(fā)展趨勢(shì)。CRFID技術(shù)的成功應(yīng)用將有利于提升農(nóng)業(yè)場(chǎng)景傳感檢測(cè)的智慧化程度，有助于人類及動(dòng)植物生產(chǎn)活動(dòng)健康評(píng)估。

智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境檢測(cè)；射頻識(shí)別；無(wú)源傳感器

0 引 言

無(wú)芯片射頻識(shí)別（chipless radio frequency identification, CRFID）是一種新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，逐漸在物流業(yè)、制造業(yè)、零售業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有低成本、非視距讀取、小型化、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。有芯片RFID需要特定應(yīng)用的集成電路芯片來(lái)存儲(chǔ)識(shí)別信息，這導(dǎo)致其無(wú)法在標(biāo)簽與商品成本相當(dāng)?shù)膱?chǎng)景中應(yīng)用，而CRFID具有較低的制造成本和長(zhǎng)期測(cè)量能力，簡(jiǎn)單、緊湊、可打印等優(yōu)勢(shì)使得其能夠大規(guī)模普適性部署[1]。CRFID標(biāo)簽的感知功能是利用射頻反向散射信號(hào)域的變化對(duì)其他感知域的狀態(tài)進(jìn)行推導(dǎo)，通過(guò)挖掘射頻鏈路信號(hào)域特征在時(shí)間、空間、能量、頻率等多個(gè)維度與對(duì)應(yīng)感知域狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)射頻“跨域感知”，從而為用戶提供關(guān)鍵信息與智能服務(wù)[2]。CRFID跨域感知域主要包括環(huán)境信息感知[3]、空間軌跡感知、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)感知[4]以及生理特征感知[5]等。例如，閱讀器天線發(fā)射電磁波信號(hào)經(jīng)前向鏈路到達(dá)射頻標(biāo)簽，入射電磁波激活標(biāo)簽為其提供工作能量，標(biāo)簽天線負(fù)載敏感單元的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率或者介電常數(shù)受環(huán)境氣體、溫度、濕度、pH值等影響，從而導(dǎo)致射頻標(biāo)簽反向電磁波頻率、相位、回波損耗、雷達(dá)散射截面等的變化，CRFID傳感器編碼數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)變化產(chǎn)生的電磁特性改變，為了使CRFID標(biāo)簽的電磁響應(yīng)跟隨待測(cè)物理參數(shù)改變，通常使用敏感材料來(lái)改變標(biāo)簽天線負(fù)載的電導(dǎo)率、介電常數(shù)或磁導(dǎo)率[6]，通過(guò)對(duì)待測(cè)物理量和諧振響應(yīng)的變化分析實(shí)現(xiàn)CRFID跨域感知。

CRFID標(biāo)簽按照工作頻率可以分為：低頻標(biāo)簽（125～134.2 kHz），一般為無(wú)源標(biāo)簽，讀寫距離小于1 m；中高頻標(biāo)簽（13.56 MHz），在全球都得到認(rèn)可，可以方便地做成卡式結(jié)構(gòu)；超高頻（860～928 MHz），具有高數(shù)據(jù)傳輸率，短時(shí)間可以讀取大量數(shù)據(jù)；微波標(biāo)簽（2.45～5.8 GHz）通常標(biāo)簽與讀寫器的距離非常遠(yuǎn)，一般大于1 m，最大的可達(dá)到10 m以上。工作頻率會(huì)直接影響標(biāo)簽設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、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(biāo)簽結(jié)構(gòu)以對(duì)應(yīng)的電磁響應(yīng)特性作為標(biāo)簽信息載體，包含其結(jié)構(gòu)特定的頻譜特征，CRFID傳感器利用自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)反向散射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，其中編碼信息由特定諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，各諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同頻率的諧振信號(hào)作為編碼單元。如開槽和諧振結(jié)構(gòu)組合方式，利用傳感器自身結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同類型的編碼，然后根據(jù)諧振頻譜的峰值大小形成檢測(cè)信息編碼，通常用二進(jìn)制編碼存儲(chǔ)和識(shí)別CRFID傳感器信息。對(duì)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(jié)構(gòu)組成，用于區(qū)分密集分布的CRFID傳感器信號(hào)[7]。

CRFID技術(shù)在農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)有諸多成功案例。聲表面波標(biāo)簽是最常見的基于時(shí)域反射的不可打印標(biāo)簽，作為一種基于時(shí)域反射概念的成功商用不可打印CRFID標(biāo)簽，聲表面波標(biāo)簽由數(shù)字轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)[8]。在土壤濕度與pH鹽度方面，DEY等[9]基于CRFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了土壤濕度和鹽度測(cè)量。傳感器由一個(gè)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(gè)可插入土壤中的傳感探頭。傳感器的工作原理是測(cè)量濕度和鹽度的變化導(dǎo)致的標(biāo)簽電磁特性改變，這些變化由閱讀器檢測(cè)，對(duì)有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度和鹽度水平需求的農(nóng)民和研究人員提供了巨大的便利。在植物生長(zhǎng)檢測(cè)方面，DEY等[10]設(shè)計(jì)了一種用于植物葉片水分含量檢測(cè)的紙基CRFID傳感器，采用無(wú)源微波諧振器設(shè)計(jì)，用于測(cè)量環(huán)境物理參數(shù)。通過(guò)對(duì)3種不同類型的葉片樣本的試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該傳感裝置的商業(yè)能力。該傳感器適用于苗圃和溫室等小型園藝場(chǎng)景中的植物健康監(jiān)測(cè)。在水果成熟度檢測(cè)方面，近年來(lái)，研究人員通過(guò)CRFID傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了乙烯無(wú)源無(wú)線檢測(cè)，可以更早地監(jiān)測(cè)水果成熟度。傳感器被集成到包含數(shù)據(jù)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(hào)以確定環(huán)境中的乙烯水平并預(yù)測(cè)水果何時(shí)可能變質(zhì)。該類傳感器的開發(fā)與應(yīng)用使得農(nóng)民、分銷商和零售商可以更好地監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和新鮮度并采取行動(dòng)防止腐敗發(fā)生，從而降低食物浪費(fèi)。在智慧農(nóng)業(yè)方面更是可以使用CRFID標(biāo)簽來(lái)監(jiān)控各種環(huán)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(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)減少人工管理成本，從而實(shí)現(xiàn)更精確和高效的農(nóng)業(yè)管理[11]。

綜上，CRFID因?yàn)榫哂休p量、價(jià)格合理、普適性好等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用，本文對(duì)智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下CRFID跨域感知系統(tǒng)和用于CRFID標(biāo)簽制作的敏感材料進(jìn)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(cè)的研究進(jìn)展，針對(duì)檢測(cè)目標(biāo)物，分析了CRFID標(biāo)簽傳感器檢測(cè)原理，對(duì)比相關(guān)傳感器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，同時(shí)總結(jié)了食品領(lǐng)域（豬肉、牛肉、魚肉、果蔬、牛奶）的CRFID跨域感知研究進(jìn)展，最后對(duì)CRFID技術(shù)應(yīng)用、面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)研究方向進(jìn)行總結(jié)，指出未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)檢測(cè)場(chǎng)景的低功耗、小型化、抗干擾發(fā)展趨勢(shì)。CRFID技術(shù)的成功應(yīng)用將有利于提升農(nóng)業(yè)場(chǎng)景傳感檢測(cè)的智慧化程度，有助于人類及動(dòng)植物生產(chǎn)活動(dòng)健康評(píng)估。

1 感知系統(tǒng)與敏感材料

1.1 無(wú)芯片射頻跨域感知系統(tǒng)

在無(wú)芯片射頻跨域感知過(guò)程中，閱讀器通過(guò)反向散射機(jī)制讀取無(wú)芯片標(biāo)簽內(nèi)部信息，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式標(biāo)簽識(shí)別，并獲取標(biāo)簽的信號(hào)特征。當(dāng)前的主流商用RFID設(shè)備可以提供多種不同的信號(hào)特征，可使用戶在讀取標(biāo)簽之余，對(duì)標(biāo)簽的狀態(tài)進(jìn)行分辨。典型智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下的CRFID感知系統(tǒng)如圖1所示，標(biāo)簽閱讀器發(fā)射電磁信號(hào)經(jīng)前向鏈路到達(dá)部署在農(nóng)業(yè)種植、畜牧養(yǎng)殖和食品包裝等場(chǎng)景的CRFID感知標(biāo)簽，電磁信號(hào)激活標(biāo)簽為其提供工作能量，之后電磁信號(hào)經(jīng)反向鏈路返回閱讀器天線，反向散射的電磁信號(hào)包括CRFID標(biāo)簽的編碼數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)，閱讀器通過(guò)接收和解碼傳感器反射的信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、pH值、氣體和食品品質(zhì)等信息的感知，為食品安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將記錄的信息發(fā)送至用戶管理系統(tǒng)。

CRFID標(biāo)簽由集成傳感元件的諧振散射體和編碼ID單元構(gòu)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(biāo)簽本身的諧振結(jié)構(gòu)、尺寸發(fā)生物理或電氣變化，或者標(biāo)簽天線所負(fù)載的敏感材料特性發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)射頻跨域感知。常見的CRFID標(biāo)簽分為時(shí)域反射標(biāo)簽和頻域反射標(biāo)簽?；跁r(shí)域反射的CRFID標(biāo)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(lì)，同時(shí)對(duì)脈沖激勵(lì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。時(shí)域反射標(biāo)簽根據(jù)制作工藝分為不可印刷標(biāo)簽和可印刷標(biāo)簽?？捎∷?biāo)簽?zāi)軐?shí)現(xiàn)快速制造，易于大規(guī)模生產(chǎn)，可基于環(huán)?；状蛴12]。王思睿等[13]以紙作為基板，設(shè)計(jì)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(wèn)題，并在環(huán)境溫度20、25和30 ℃條件下測(cè)量了傳感器的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)該傳感器適用于智能包裝、物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。當(dāng)CRFID基于不同的諧振器結(jié)構(gòu)如環(huán)諧振器[14]或雙諧振器[15]時(shí)，可適用于不同應(yīng)用場(chǎng)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(wú)限的能源自主權(quán)，同時(shí)能夠兼容惡劣環(huán)境，包括高溫和高輻射水平的環(huán)境，并且與其他無(wú)源傳感器相比具有更大的讀取距離。在設(shè)計(jì)此類傳感器時(shí)可以使用的材料種類多樣，且與其他類型的無(wú)源無(wú)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(shí)域反射的可打印標(biāo)簽通常分為薄膜晶體管和延遲線標(biāo)簽兩種類型。基于薄膜晶體管的CRFID標(biāo)簽在智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景已廣泛應(yīng)用[16]。延遲線CRFID標(biāo)簽基于單個(gè)微帶延遲傳輸線從標(biāo)簽接收的多個(gè)回波信號(hào)中產(chǎn)生脈沖調(diào)制[17]，信號(hào)之間的時(shí)間延遲由延遲線的長(zhǎng)度以及相位變化決定，相位變化用于標(biāo)記特定的ID編碼?；谘舆t線的時(shí)域反射標(biāo)簽通過(guò)使用濾波器或左手延遲線等結(jié)構(gòu)來(lái)減小標(biāo)簽尺寸，然而較少的比特?cái)?shù)限制了該標(biāo)簽的應(yīng)用范圍?；陬l域反射的RFID標(biāo)簽均為可打印標(biāo)簽，其原理是使用諧振結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)編碼在頻譜之中，每個(gè)數(shù)據(jù)位與頻譜中特定頻率處出現(xiàn)的諧振峰值關(guān)聯(lián)。

頻域反射標(biāo)簽與時(shí)域反射標(biāo)簽相比，在成本和檢測(cè)信號(hào)方面具有優(yōu)勢(shì)。CRFID將數(shù)據(jù)編碼在頻譜中，因此具有一個(gè)由頻譜特征決定的唯一ID，該頻譜特征通過(guò)使用一個(gè)振幅和相位均勻的連續(xù)多頻信號(hào)波對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行詢問(wèn)獲得。標(biāo)簽在接收到詢問(wèn)信號(hào)后，將數(shù)據(jù)編碼到頻譜的振幅和相位中，編碼后的信號(hào)重新回傳給閱讀器，讓閱讀器能夠使用振幅和相位兩個(gè)規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。XIE等[18]提出了一種“I”形槽諧振器的頻域反射CRFID標(biāo)簽，由2個(gè)分別用來(lái)發(fā)送和接收的天線和一個(gè)多諧振器電路組成，當(dāng)被垂直平面波激發(fā)時(shí)，可以改變反射電磁波特征，與多諧振器無(wú)芯片標(biāo)簽相比，該標(biāo)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(biāo)簽，閱讀器在超寬帶頻譜上發(fā)出連續(xù)載波掃頻信號(hào)，當(dāng)載波信號(hào)到達(dá)標(biāo)簽處時(shí)，使用一個(gè)極化方向上的超寬帶天線將接收到的信號(hào)可以傳播到另一個(gè)極化方向上的超寬帶天線，接著返回閱讀器。發(fā)射天線和接收天線的極化方式相互正交，能夠使詢問(wèn)信號(hào)與標(biāo)簽回波信號(hào)之間的干擾減到最小程度，該類型的CRFID標(biāo)簽具有編碼魯棒性強(qiáng)和較高的編碼容量等優(yōu)點(diǎn)，但一般具有較大尺寸。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下無(wú)芯片射頻跨域感知系統(tǒng)

CRFID的識(shí)別和可追溯能力被認(rèn)為是條形碼的下一代繼承者，通過(guò)在包裝上貼附電子標(biāo)簽，利用CRFID標(biāo)簽的識(shí)別、傳感能力采集目標(biāo)產(chǎn)品信息。CRFID標(biāo)簽可以貫穿在產(chǎn)品制造、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、銷售等物流及倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)標(biāo)簽中溫度、濕度、酸堿度、氣體等關(guān)鍵指標(biāo)的讀取實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量追蹤，依托無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)品質(zhì)信息查詢、融合、可視化等，解決食品品質(zhì)溯源問(wèn)題，提高產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量和客戶滿意度[17-18]。與條形碼相比，除了識(shí)別和可追溯功能外，CRFID可同時(shí)讀取數(shù)百個(gè)標(biāo)簽，也可以透過(guò)大多數(shù)包裝材料實(shí)現(xiàn)非視距讀取。例如，可以將CRFID讀取器放置在倉(cāng)庫(kù)入口處，監(jiān)控庫(kù)存的同時(shí)，提升了倉(cāng)儲(chǔ)貨物的出入庫(kù)處理效率。CRFID標(biāo)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(shí)別和傳感能力[20]。

1.2 負(fù)載敏感材料

CRFID標(biāo)簽本質(zhì)上是被動(dòng)的，通過(guò)改變負(fù)載敏感材料的電導(dǎo)率、介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，影響標(biāo)簽的電磁諧振頻率或相位等信息；因此，負(fù)載敏感材料是CRFID傳感器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素之一，敏感材料的性能變化可以表征環(huán)境因素的物理、化學(xué)或生物變化。CRFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)過(guò)程中，敏感材料既可以作為標(biāo)簽的基板安裝在標(biāo)簽傳感器本身的結(jié)構(gòu)中，也可以作為標(biāo)簽天線的連接材料，成為對(duì)環(huán)境參量敏感的可變負(fù)載模塊。圖2給出了應(yīng)用于不同檢測(cè)對(duì)象的CRFID負(fù)載敏感材料。敏感材料隨著場(chǎng)景中氣體濃度、溫濕度、pH值等因素變化，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等物理量會(huì)隨之改變，引起標(biāo)簽反射電磁波的回波損耗、頻率、相位等特征發(fā)生變化。

以碳納米管及其復(fù)合材料為例，在室溫下具有良好氨氣吸附特性，是對(duì)傳感器系統(tǒng)發(fā)展至關(guān)重要的是低成本材料，能夠在中長(zhǎng)期內(nèi)保持穩(wěn)定的電氣性能；碳納米管具有高表面積、高化學(xué)穩(wěn)定性、快速電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)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(fā)生改變，導(dǎo)致碳納米管的電阻值發(fā)生變化；同時(shí)在機(jī)械上是柔性的，允許在溶液中處理，被廣泛應(yīng)用于無(wú)源檢測(cè)場(chǎng)景。碳納米管可在惡劣的環(huán)境中使用，能夠克服金屬氧化物半導(dǎo)體作為氣體敏感材料所需工作溫度偏高的缺點(diǎn)。理論上，CRFID傳感器可以表示為一個(gè)射頻天線負(fù)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(shí)部和虛部，回波損耗受阻抗虛部影響，諧振頻率偏移由實(shí)部變化引起。

圖2 應(yīng)用于不同檢測(cè)對(duì)象的CRFID負(fù)載敏感材料

圖3a中負(fù)載的電導(dǎo)率影響阻抗的實(shí)部變化使得標(biāo)簽的回波損耗的幅度增加或減少，圖3b中負(fù)載的介電常數(shù)變化可等效為電容影響阻抗虛部，使得反射信號(hào)的諧振頻率發(fā)生偏移。多數(shù)敏感材料表現(xiàn)出有限但不可忽略的導(dǎo)電性，即使是低電導(dǎo)率值也會(huì)大大增加材料的損耗和耗散因子。實(shí)際上，這意味著由弱導(dǎo)電材料包圍的諧振器將顯示出低品質(zhì)因子，因此，還可以通過(guò)測(cè)量CRFID的品質(zhì)因子來(lái)檢測(cè)環(huán)境變量引起的電導(dǎo)率變化。關(guān)于微波頻率下傳感材料的介電特性及其隨環(huán)境變化的文獻(xiàn)報(bào)道較少，表1中總結(jié)了幾種常見的敏感材料及其介電性能。

圖3 CRFID負(fù)載的電導(dǎo)率σ和介電常數(shù)ε變化對(duì)標(biāo)簽回波損耗S11的影響

2 檢測(cè)對(duì)象

2.1 濕度檢測(cè)

濕度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[16]，在農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中環(huán)境的水分含量直接影響作物呼吸和生長(zhǎng)，當(dāng)環(huán)境濕度過(guò)高時(shí)，作物產(chǎn)生礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的能力會(huì)降低，環(huán)境濕度過(guò)低時(shí)，作物生長(zhǎng)的氣孔關(guān)閉，光合作用減慢甚至停止，會(huì)直接造成作物葉片壞死或生長(zhǎng)進(jìn)度減緩。與傳統(tǒng)濕度傳感器相比，CRFID濕度傳感器利用射頻散射信號(hào)的回波特性實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸濕度檢測(cè)，不需要外部復(fù)雜電路。其中，濕度敏感材料吸收水分子，電氣特性發(fā)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(biāo)簽對(duì)土壤的體積含水量進(jìn)行檢測(cè)估計(jì)，標(biāo)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(qū)域有效介電常數(shù)的函數(shù)，沒有鈍化涂層時(shí)傳感器標(biāo)簽的有效介電常數(shù)是襯底介電常數(shù)及其周圍空氣的函數(shù)，非鈍化傳感器標(biāo)簽提供了初始諧振頻率；使用聚合物涂層鈍化傳感器標(biāo)簽后，傳感器標(biāo)簽的諧振頻率降低。當(dāng)傳感器標(biāo)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(biāo)簽相關(guān)的有效介電常數(shù)增加，導(dǎo)致傳感器的共振頻率讀數(shù)降低。通過(guò)測(cè)量諧振頻率的變化就能夠推導(dǎo)傳感器周圍土壤濕度的變化。但該研究中標(biāo)簽尺寸偏大，雖然天線極化能夠過(guò)濾環(huán)境干擾，但對(duì)于CRFID抗干擾性能缺乏對(duì)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(biāo)簽，標(biāo)簽包括V-H、H-V兩個(gè)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(huì)改變敏感材料的介電常數(shù)，使得頻譜諧振點(diǎn)發(fā)生偏移，通過(guò)監(jiān)測(cè)諧振頻率的偏移量實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)量；H-V方向諧振單元用于標(biāo)記編碼數(shù)據(jù)，編碼和傳感單元反射信號(hào)的極化分離可以有效規(guī)避監(jiān)測(cè)過(guò)程中的標(biāo)識(shí)傳感鏈路交叉干擾。為了進(jìn)一步提高CRFID濕度傳感器的檢測(cè)靈敏度，呂文等[31]制備了一種基于二氧化鉬/聚酰亞胺復(fù)合材料的LC濕度傳感器，傳感器諧振結(jié)構(gòu)由方形的電感線圈和叉指電極組成，當(dāng)叉指電容上的濕度敏感涂層吸附水汽分子時(shí)，介電常數(shù)變化導(dǎo)致線圈的電容發(fā)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(fù)合材料，當(dāng)水分子被敏感材料吸附后會(huì)被叉指間電場(chǎng)電離成質(zhì)子和氫氧根，質(zhì)子在叉指電場(chǎng)作用下產(chǎn)生遷移，使?jié)穸让舾胁牧系慕殡姵?shù)增加，叉指電極上的電容值增加，從而導(dǎo)致諧振頻率變化。該傳感器具有快速的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，在10%～95%相對(duì)濕度量程內(nèi)具有較高的靈敏度和穩(wěn)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(cāng)儲(chǔ)、作物種植、畜禽養(yǎng)殖等智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的濕度監(jiān)測(cè)需求，對(duì)于覆蓋范圍大、環(huán)境封閉的濕度檢測(cè)有較好的應(yīng)用前景。

硅納米線作為時(shí)域CRFID濕度傳感器的敏感材料[32]在相對(duì)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(dá)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(yīng)用中的應(yīng)用潛力。部分基于濕度敏感材料的CRFID傳感器主要參數(shù)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(cè)

適宜的溫度環(huán)境有助于作物健康生長(zhǎng)，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[35]，基于CRFID的溫度傳感器可以降低大面積監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下的傳感器節(jié)點(diǎn)部署成本，且適合部署在無(wú)法進(jìn)行電路有線連接的場(chǎng)景。常見的CRFID溫度傳感器由標(biāo)簽天線與溫度敏感材料組成。溫度敏感材料能夠?qū)⒋郎y(cè)溫度的改變轉(zhuǎn)換成標(biāo)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(shè)計(jì)。當(dāng)溫度上升或下降時(shí)，敏感材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù)會(huì)發(fā)生改變，影響CRFID標(biāo)簽反向散射信號(hào)域，當(dāng)閱讀器向標(biāo)簽傳感器發(fā)送電磁信號(hào)，標(biāo)簽產(chǎn)生的電磁波反向散射回到閱讀器，通過(guò)分析標(biāo)簽的射頻鏈路特性變化反演待測(cè)的溫度傳感信息，表現(xiàn)為CRFID反向散射信號(hào)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(shù)如表3所示。

菲是一種會(huì)升華的材料，在溫度約為72 ℃時(shí)蒸發(fā)，此時(shí)介電常數(shù)會(huì)出現(xiàn)突變，適用于記憶傳感器的實(shí)現(xiàn)。AMIN等[37]利用菲的不可逆介電性質(zhì)提出了一種溫度閾值傳感器標(biāo)簽，菲材料層作為傳感器敏感單元。YANG等[41]提出環(huán)境溫度能使水凝膠聚合物鏈中非極性基團(tuán)之間的疏水作用增加，形成更密集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，添加疏水或親水共聚單體可以改變臨界溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的傳感，在智能包裝領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

REN等[38]利用氧化石墨烯薄膜作為溫度敏感材料構(gòu)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(biāo)簽諧振頻率和品質(zhì)因子，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器的阻抗和諧振頻率的實(shí)部最大值，可以獲得電容和電阻，從而實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。不同溫度下水分含量變化會(huì)影響聚酰胺材料介電常數(shù)，其介電常數(shù)響應(yīng)率隨溫度的穩(wěn)定線性增加，薄膜沉積聚酰胺標(biāo)簽可用于標(biāo)簽識(shí)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(biāo)簽，聚酰胺聚合物沉積在加載標(biāo)簽傳輸線的螺旋諧振器上，材料的介電弛豫時(shí)間具有溫度依賴性，該聚合物作為敏感涂層時(shí)對(duì)于溫度的敏感性為1.25 ℃/MHz。TRAILLE等[40]利用液態(tài)金屬Galinstan設(shè)計(jì)了一種溫度傳感器，該傳感器以雷達(dá)散射截面變化為依據(jù)進(jìn)行溫度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了基于微流體傳感器可變性的溫度測(cè)量。Galinstan是一種共晶合金，在?20～1 300 ℃之間以液態(tài)形式存在，可以動(dòng)態(tài)改變沿線性陣列配置激活的天線元件數(shù)量，根據(jù)設(shè)備的雷達(dá)散射截面變化精確量化待測(cè)溫度。

通常CRFID標(biāo)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(shí)，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(huán)諧振器結(jié)構(gòu)應(yīng)用于傳感器的設(shè)計(jì)中，溫度傳感器在一定頻帶內(nèi)具有介電常數(shù)為正、磁導(dǎo)率為負(fù)的單負(fù)特性，這種特性屬于超常媒質(zhì)，超常媒質(zhì)材料屬性使得諧振器可以實(shí)現(xiàn)小型化。JAVED等[43]基于敏感材料設(shè)計(jì)的緊湊型7位CRFID多參數(shù)傳感器，采用6個(gè)倒“U”形和“L”形諧振器，在2～8 GHz的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)諧振，負(fù)載敏感材料的介電特性與溫度波動(dòng)有關(guān)，試驗(yàn)中溫度每升高10 ℃，雷達(dá)散射功率向低頻漂移26.2 MHz，襯底的這種敏感行為與相對(duì)介電常數(shù)的高熱系數(shù)相關(guān)，由于頻率失諧與溫度波動(dòng)具有線性比例關(guān)系，因此襯底諧振頻率與溫度變化有明顯的相關(guān)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(zhì)量運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要因素，例如，冷鏈物流系統(tǒng)如果缺乏溫度監(jiān)控易導(dǎo)致食品腐化變質(zhì)。VIVALDI等[45]指出，摻雜銅的離子液體可以用作溫度監(jiān)測(cè)的敏感單元，當(dāng)室溫達(dá)到8 ℃以上時(shí)，離子液體將熔化并使CRFID標(biāo)簽電路短路，這種材料對(duì)相對(duì)濕度不敏感，因此適用于冷鏈物流過(guò)程。ATHAUDA等[46]提出了一種無(wú)源RFID溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)0～20 ℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，該傳感器由非對(duì)稱圓形分裂環(huán)諧振器組成，當(dāng)傳感器涂覆椰子油和葡萄籽油時(shí)，4 ℃時(shí)諧振器在5.65 GHz處會(huì)出現(xiàn)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(guò)程不可逆。VILLA等[47]在上述工作基礎(chǔ)上將CRFID諧振器均勻涂覆低熔點(diǎn)、中熔點(diǎn)和高熔點(diǎn)的3種油，然后對(duì)諧振器進(jìn)行時(shí)間-溫度分布研究，發(fā)現(xiàn)諧振器的相位隨油的溫度改變。

2.3 氣體檢測(cè)

2.3.1 二氧化碳檢測(cè)

CRFID標(biāo)簽氣體傳感器由標(biāo)簽天線和氣敏薄膜組成，氣敏薄膜充當(dāng)可變電阻，當(dāng)氣敏薄膜遇到被檢測(cè)氣體后阻值會(huì)發(fā)生改變，從而改變標(biāo)簽天線的反射系數(shù)。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(huì)降低天線效率和射頻識(shí)別標(biāo)簽的激活距離；或?qū)⒚舾胁牧献鳛闃?biāo)簽的成分，能夠提供更好的通信性能，但對(duì)氣體的敏感度較低。閱讀器反射功率取決于CRFID標(biāo)簽天線的功率反射系數(shù)。通過(guò)檢測(cè)讀卡器天線接收功率變化就可以實(shí)現(xiàn)CRFID標(biāo)簽氣體傳感器對(duì)目標(biāo)氣體的檢測(cè)。

二氧化碳（CO2）對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程起著至關(guān)重要的作用，尤其在大棚環(huán)境中。研究表明，大棚內(nèi)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(duì)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(nèi)，CRFID標(biāo)簽的頻率響應(yīng)在4～25 GHz內(nèi)可見，CO2氣體的吸收與多壁碳納米管電導(dǎo)率成正比，與測(cè)試環(huán)境中的CO2濃度成反比。VENA等[50]研制了一種低成本無(wú)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(gè)90°的分裂環(huán)諧振器，產(chǎn)生2個(gè)極化方向上的獨(dú)立響應(yīng)。常見的敏感材料負(fù)載CRFID的CO2傳感器指標(biāo)對(duì)比見表4。

表4 敏感材料負(fù)載CRFID的CO2傳感器指標(biāo)對(duì)比

2.3.2 氨氣檢測(cè)

高體積分?jǐn)?shù)的氨氣對(duì)人類以及動(dòng)植物有著潛在的健康威脅，也是農(nóng)業(yè)種植和農(nóng)產(chǎn)品蛋白質(zhì)分解過(guò)程中的常見氣體，是微生物肉類分解過(guò)程的關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)[56]。在農(nóng)業(yè)大棚種植或其他栽培過(guò)程中，氨氣濃度過(guò)高會(huì)使農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)受到影響，例如銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮含量過(guò)高的復(fù)合肥料在地膜覆蓋尤其是雙膜結(jié)構(gòu)的大棚中，極易分解釋放大量氨氣，引發(fā)氨害；未經(jīng)充分腐熟的有機(jī)肥料容易在膜下發(fā)生二次發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程亦會(huì)釋放大量的熱量并產(chǎn)生氨氣[57]。因此在溫室大棚、地膜環(huán)境中放置CRFID氨氣傳感器可以有效檢測(cè)氨氣濃度突變，做好氨害預(yù)警和補(bǔ)救。

用于氨氣無(wú)源檢測(cè)的CRFID標(biāo)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(duì)氨氣高度敏感，在室溫下可以對(duì)氨氣的吸附產(chǎn)生響應(yīng), 相較于傳統(tǒng)的金屬氧化物有巨大的優(yōu)勢(shì)。KAO等[62]利用全噴墨印刷技術(shù)開發(fā)了一種將碳納米管嵌入在平面耦合開環(huán)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(guò)在高頻和室溫下進(jìn)行氨氣檢測(cè)試驗(yàn)，證實(shí)了該傳感器具有良好的線性響應(yīng)和高可靠性。

聚苯胺（PANI）對(duì)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(dǎo)率隨著氨氣分子的吸收發(fā)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(cè)。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(dǎo)致諧振頻率偏移。王雅等[63]采用導(dǎo)電聚苯胺、還原氧化石墨烯（PANI/RGO）納米復(fù)合材料為氣體敏感層涂敷在叉指電極上，構(gòu)成的LC氨氣傳感器。導(dǎo)電聚苯胺、還原氧化石墨烯敏感材料易溶性合成，穩(wěn)定性良好，與氨氣接觸發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，氣體分子流入氣敏層使介電常數(shù)發(fā)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(biāo)簽天線的反射系數(shù)和諧振頻率，該CRFID氨氣傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，對(duì)氨氣有良好的選擇性，適于包含復(fù)雜氣體組分的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)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(cè)。紙基中的高吸濕性纖維素水分含量隨相對(duì)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(duì)濕度下，電導(dǎo)率的變化與氨濃度成正比，檢測(cè)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(guò)將Ag-CNFs夾在兩個(gè)銅電極（銅片）之間組裝為一個(gè)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(xiàn)出較大的電流變化，使用抗菌納米銀納米顆粒對(duì)CNFs進(jìn)行表面改性后，可用于檢測(cè)密閉環(huán)境中1～4 mL氨氣溶液自然揮發(fā)形成的氣體分子，適用于農(nóng)業(yè)地膜環(huán)境中氨氣濃度檢測(cè)或者密閉包裝中肉、蛋等產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)。

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(guò)檢測(cè)天線頻率變化來(lái)反映氨氣體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)傳感器置于氣室內(nèi)與氨氣反應(yīng)時(shí)，自身的頻率會(huì)發(fā)生改變，再由標(biāo)簽閱讀器接收其反射信號(hào)，在氣室外使用相同的高增益發(fā)射天線測(cè)試傳感器天線的感測(cè)特性，可以觀察到由于傳感器天線的頻率失配導(dǎo)致的發(fā)射天線的反射幅度增加，再通過(guò)標(biāo)簽天線反射系數(shù)的變化就可以計(jì)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(fù)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(zhuǎn)移到在SiO2涂層襯底上，通過(guò)氨氣分子選擇性吸附對(duì)電磁信號(hào)的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，這種高選擇性的氨氣傳感對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)中的CRFID傳感有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.3.3 乙烯

果蔬在成熟過(guò)程中釋放的乙烯氣體是調(diào)節(jié)果實(shí)成熟、衰老及品質(zhì)變化的關(guān)鍵因子[68-69]。普適性乙烯檢測(cè)手段在水果采摘、包裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和加工過(guò)程中至關(guān)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(jìn)行測(cè)量，目前，用于乙烯檢測(cè)最廣泛的技術(shù)是基于N型金屬氧化物半導(dǎo)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(fù)合材料[72]和Pd[73]作為金屬氧化物半導(dǎo)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(fù)載Pd的金屬氧化物傳感器具有高選擇性、快速響應(yīng)和低檢測(cè)限[74]。

由于乙烯有限物理化學(xué)反應(yīng)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(fù)載鉑基催化劑（Pt/A380和PtRu/A380）的乙烯氧化活性，通過(guò)對(duì)早產(chǎn)香蕉、黃瓜和蘋果的貯藏試驗(yàn)證明這些催化劑對(duì)于延長(zhǎng)易腐爛物保質(zhì)期是有效的。同時(shí)，ESPINOSA等[75]給出了不同的金屬氧化物半導(dǎo)體對(duì)乙烯檢測(cè)的不同響應(yīng)時(shí)間。WU等[76]和WANG等[77]也成功檢測(cè)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(fù)載的Ag濃度與傳感器的性能有關(guān)，對(duì)乙烯的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)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(wú)源的電容器傳感設(shè)備，可以與無(wú)源CRFID標(biāo)簽集成。BALACHANDRAN采用標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立器件進(jìn)行測(cè)試。傳感器的電容值在較高濃度的乙烯氣體時(shí)會(huì)降低，當(dāng)電容器僅使用醋酸纖維素作為介電層時(shí)，電容值變化相對(duì)不明顯，證實(shí)了SnO2層對(duì)乙烯氣體的敏感性。

2.4 pH值檢測(cè)

pH值的測(cè)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要價(jià)值。典型基于CRFID的pH傳感器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為射頻系統(tǒng)可識(shí)別的相位信息，射頻天線用于無(wú)線接收和發(fā)送電磁信號(hào)[5]。傳感器采用雙頻法實(shí)現(xiàn)pH檢測(cè)，由天線、混頻器、功率分配器、放大器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）組成pH無(wú)線傳感器檢測(cè)架構(gòu)。VNA端口發(fā)送電磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率分配器與放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理后由發(fā)射天線發(fā)送到pH傳感標(biāo)簽，標(biāo)簽接收到的信號(hào)相位為·sin()，移相器根據(jù)pH電極電壓變化將輸入信號(hào)的相位改變，接收天線接收到標(biāo)簽的反向散射信號(hào)發(fā)生相位偏移，反射的電磁波經(jīng)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(biāo)簽中的pH值，通過(guò)分析VNA中信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)pH值的檢測(cè)。

基于CRFID的pH傳感器由標(biāo)簽天線與pH敏感材料組成，標(biāo)簽諧振結(jié)構(gòu)由電感電容線圈和電極組成，敏感材料能夠感應(yīng)pH值大小，使標(biāo)簽的電氣特性發(fā)生改變。閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送電磁信號(hào)時(shí)，電感電容線圈上的敏感涂層接觸酸堿分子，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率發(fā)生變化，電容值與電感值的改變影響標(biāo)簽的諧振信號(hào)，閱讀器接收到反向散射信號(hào)實(shí)現(xiàn)pH檢測(cè)。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(shí)現(xiàn)CRFID傳感器設(shè)計(jì)，幾種pH傳感器及其檢測(cè)指標(biāo)如表5。

表5 幾種pH敏感材料負(fù)載CRFID傳感器及其檢測(cè)指標(biāo)

DEY等[9]提出了一種CRFID傳感器，傳感器采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的（單層銅片）和緊湊的U型折疊單極子結(jié)構(gòu)，提出了一種低成本的pH檢測(cè)方案，測(cè)量了不同鹽土環(huán)境下土壤中的鹽度和濕度水平。MONDAL等[81]提出了一種基于數(shù)字調(diào)制方法的無(wú)線pH傳感器，選擇了成本可控的銻/氧化銻（Sb/Sb2O3）用于pH檢測(cè)，讀取范圍保持在45 cm，其中讀取器設(shè)置為15 dBm的傳輸功率，通過(guò)更高功率或更好的增益天線可以進(jìn)一步改善讀取范圍，但研究過(guò)程中的pH電極需要浸入目標(biāo)溶液中才能獲得測(cè)量結(jié)果，這限制了其在部分場(chǎng)景中的應(yīng)用。ATHAUDA[82]等采用殼聚糖水凝膠進(jìn)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(zhì)。當(dāng)酸性介質(zhì)被敏感材料吸收時(shí)，酸的氫離子會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)破壞現(xiàn)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(zhì)時(shí)，振幅水平?jīng)]有降低太多，但頻率響應(yīng)的總體模式在兩種介質(zhì)中表現(xiàn)出相似性[84]。CRFID傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的生物相容性，但缺點(diǎn)是其對(duì)酸性和堿性介質(zhì)的頻率響應(yīng)范圍很難區(qū)分。

另外，pH檢測(cè)在食品領(lǐng)域中更為常見。食物中微生物活性是腐敗產(chǎn)生的主要因素之一，易腐食品變質(zhì)時(shí)會(huì)導(dǎo)致pH值發(fā)生變化。HILLIER等[83]對(duì)商業(yè)濕度RFID標(biāo)簽進(jìn)行改進(jìn)，提出了pH傳感器標(biāo)簽，當(dāng)基材涂有pH敏感材料，CRFID標(biāo)簽的反向散射信號(hào)可以隨pH值發(fā)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(tuán)，導(dǎo)致電容器芯片陣列發(fā)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(shí)，因此，適于食品包裝的pH敏感材料和CRFID傳感器有待進(jìn)一步研究。

2.5 食品品質(zhì)檢測(cè)

2.5.1 肉類檢測(cè)

在牛肉、雞肉、豬肉、魚、羊肉和蝦等肉類腐化過(guò)程中，會(huì)釋放揮發(fā)性有機(jī)氣體，包括醇、醛、酯、酮、硫、氮等標(biāo)志物[90-91]。揮發(fā)性有機(jī)化合物是評(píng)估肉類新鮮度的重要指標(biāo)，如H2S（硫化氫）、(CH3)3N（三甲胺或TMA）、(CH3)2NH（二甲胺或DMA）等[92-93]。CRFID標(biāo)簽傳感器通過(guò)感知這些生物標(biāo)志物來(lái)實(shí)現(xiàn)易腐食品的有效監(jiān)測(cè)和管理。

金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器已用于檢測(cè)銀杯、三文魚、黑線鱈、鱈魚、紅魚等變質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物。然而，金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器需要在高溫條件下運(yùn)行。熒光光譜和核成像等無(wú)損檢測(cè)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(qiáng)度隨著儲(chǔ)存時(shí)間變長(zhǎng)而降低。根據(jù)魚肉腐敗過(guò)程中的pH值變化，HUANG等[87]通過(guò)在無(wú)源射頻應(yīng)答器中嵌入柔性pH傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)魚肉的pH值水平，該傳感器不需要很高的工作溫度，與酶?jìng)鞲衅飨啾龋蛇B續(xù)監(jiān)測(cè)pH值水平。CRFID標(biāo)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(chǔ)存的魚肉pH分布與測(cè)量頻率分布相匹配，但是電極對(duì)需要與魚肉接觸，因此存在電極和食物污染的問(wèn)題。BHADRA等[94]在揮發(fā)性有機(jī)物近場(chǎng)無(wú)源傳感器基礎(chǔ)上，將基于水凝膠涂層pH電極的近場(chǎng)無(wú)源傳感器用于魚肉腐敗檢測(cè)。變?nèi)荻O管無(wú)源LC諧振器的諧振頻率取決于周圍環(huán)境的揮發(fā)物質(zhì)濃度，腐敗過(guò)程中產(chǎn)生揮發(fā)性堿性氮會(huì)導(dǎo)致傳感器諧振頻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量阻抗就能檢測(cè)傳感器的諧振頻率。該類傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，適合使用印刷電子技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，并且不直接與魚肉樣本接觸，是一種非破壞性、消費(fèi)者友好且可靠的檢測(cè)器件。

目前，牛肉品質(zhì)檢測(cè)大多基于生物化學(xué)方法和感官評(píng)定方法，檢測(cè)結(jié)果的客觀性較差。NGUYEN等[95]通過(guò)雙標(biāo)簽RFID傳感器檢測(cè)牛肉pH值，分析了牛肉的介電常數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，通過(guò)分析CRFID傳感標(biāo)簽的反射功率來(lái)預(yù)測(cè)牛肉達(dá)到不可食用狀態(tài)的發(fā)生時(shí)間。ZHANG等[96]利用MoS2納米片和Ag@MoS2將納米復(fù)合材料滴鑄在銅電極上，隨著豬肉儲(chǔ)存時(shí)間從0增加到40 h，傳感器標(biāo)簽的工作頻率從1 024.5 MHz變化到978.3 MHz，對(duì)應(yīng)的胺（氨、腐胺、尸胺和其他物質(zhì)的組合）累積為0和40 mg/L。王建旭[97]設(shè)計(jì)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(yǎng)皿底部?jī)?nèi)側(cè)，銅片電極大小為30 mm× 30 mm，間距為9 mm，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)叉指電極型傳感器進(jìn)行頻率掃描，掃頻范圍是300 kHz～500 MHz，同時(shí)記錄其阻抗信息。將水分含量與不同頻率下的阻抗虛部進(jìn)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(guān)性。

2.5.2 果蔬品質(zhì)檢測(cè)

在果蔬運(yùn)輸或銷售過(guò)程中，CRFID標(biāo)簽可用于測(cè)量溫濕度、光照等物理變量以及果蔬釋放的一些揮發(fā)性物質(zhì)，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(biāo)）等。包裝中的蔬菜消耗氧氣并排放二氧化碳，可以通過(guò)氧氣和二氧化碳的濃度來(lái)監(jiān)測(cè)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(biāo)簽，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜新鮮度的監(jiān)測(cè)[98]。

ESPINOSA等[75]開發(fā)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(biāo)簽上，用于監(jiān)測(cè)運(yùn)輸和銷售過(guò)程中的水果，涂有氧化錫和氧化鎢的傳感單元對(duì)相關(guān)揮發(fā)性氣體高度敏感。RICARDO等[99]采用RFID技術(shù)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控得到三維溫度映射圖，使用濕度數(shù)據(jù)模型計(jì)算呼吸熵變和絕對(duì)含水量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果蔬冷藏室水損失的估計(jì)，通過(guò)檢測(cè)并分析儲(chǔ)藏果蔬的冷凝參數(shù)，創(chuàng)建了溫度分布圖和濕度圖，但這種研究?jī)H在測(cè)試階段可行。HATTAB[100]等通過(guò)將CRFID標(biāo)簽天線放置在芒果表面來(lái)估計(jì)水果的新鮮度，芒果的介電常數(shù)和介電損耗會(huì)干擾標(biāo)簽天線反射特性。

2.5.3 牛奶檢測(cè)

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(zhǎng)的理想媒介。細(xì)菌（如乳酸菌）的作用會(huì)增加牛奶的pH值，導(dǎo)致牛奶品質(zhì)下降。RODRIGUEZ等[101]、BHADRA等[102]和POTYRAILO等[103]提出的牛奶pH無(wú)線無(wú)源傳感器能實(shí)現(xiàn)6.8～4.4 pH范圍內(nèi)100 kHz/pH靈敏度的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了低成本且無(wú)需預(yù)處理的牛奶品質(zhì)監(jiān)測(cè)。GHOSH等[104]提出了一種低成本生物傳感器，可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)鼠傷寒沙門氏菌，試驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)區(qū)域中每單位體積目標(biāo)細(xì)胞數(shù)量的增多會(huì)影響阻抗水平，這種生物傳感器能夠進(jìn)行定性和定量的細(xì)菌數(shù)量檢測(cè)，適用于牛奶中的細(xì)菌檢測(cè)。

牛奶介電常數(shù)的變化影響無(wú)線諧振器的耦合電容，進(jìn)而改變傳感器的諧振頻率，該方法已通過(guò)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(jìn)行了應(yīng)用。RAJU等[105]設(shè)計(jì)了一種CRFID傳感器，利用雙頻雙極化環(huán)形天線來(lái)接收、調(diào)制和重傳詢問(wèn)器信號(hào)。天線接收模式的諧振頻率對(duì)變?nèi)荻O管pH電極檢測(cè)參數(shù)敏感，通過(guò)使用二極管倍頻器將接收信號(hào)加倍，以在重傳之前抑制環(huán)境的雜波。諧振頻率和pH值之間相關(guān)性明顯，基于pH值測(cè)量的傳感器能夠成功監(jiān)測(cè)牛奶的品質(zhì)變化。

3 挑戰(zhàn)和未來(lái)方向

3.1 研究挑戰(zhàn)

3.1.1 敏感材料

CRFID敏感單元檢測(cè)目標(biāo)通常比較單一，多參數(shù)傳感是必不可少的。此外，多參數(shù)傳感平臺(tái)的引入可以集成不同的傳感器、標(biāo)簽和天線，從而可以在一次制造中構(gòu)建完整的傳感系統(tǒng)，進(jìn)一步降低制造成本并簡(jiǎn)化用戶體驗(yàn)[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(shù)開辟了新的研究視野。大多數(shù)敏感材料已被研究用于低頻應(yīng)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(cè)量過(guò)程的性能和工程應(yīng)用方面仍然面臨挑戰(zhàn)。CRFID傳感器的諧振單元和敏感單元由紙基、玻璃材質(zhì)和金屬等制成。過(guò)量的金屬、塑料等材質(zhì)使用會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，加大電子器件回收難度。當(dāng)CRFID傳感器標(biāo)簽大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，解決CRFID標(biāo)簽制作材料生物兼容性問(wèn)題仍然面臨挑戰(zhàn)。

3.1.2 干擾抑制

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中CRFID射頻鏈路的頻率、相位、功率等易受周圍環(huán)境干擾影響，電磁波傳播過(guò)程中的路徑損耗也會(huì)影響檢測(cè)的魯棒性。準(zhǔn)確分離出射頻鏈路特征的微小變化并非易事。運(yùn)用正交電磁場(chǎng)之間的極化隔離度進(jìn)行通信能夠?qū)Νh(huán)境干擾進(jìn)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(biāo)簽設(shè)計(jì)已經(jīng)付出了大量的努力，但未見相關(guān)研究能徹底解決這一問(wèn)題[36]。此外，射頻泄漏等干擾源以及標(biāo)簽周圍的人體、電子設(shè)備和其他物體等會(huì)干擾反射信號(hào)。由于周圍環(huán)境變化，干擾也可能會(huì)發(fā)生變化，例如，CRFID信號(hào)會(huì)受到金屬、紙板、玻璃，甚至折疊和拉伸的影響，如果標(biāo)簽所附的紙板或食品包裝受潮或撕裂，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正常讀取。

3.1.3 編碼能力

集成編碼單元和傳感檢測(cè)單元的標(biāo)簽是CRFID傳感器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在CRFID技術(shù)中，編碼頻段的寬度、編碼位數(shù)、標(biāo)簽尺寸之間是矛盾的關(guān)系，編碼位數(shù)多對(duì)應(yīng)頻帶必然加寬，這會(huì)造成檢測(cè)難度加大[11]?？衫梅l和相頻特性聯(lián)合的方式進(jìn)行編碼，可在有限的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的編碼。超高頻RFID標(biāo)簽具有編碼魯棒性強(qiáng)和較高的編碼容量等優(yōu)點(diǎn)，但是一般具有較大尺寸?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)高質(zhì)量因子諧振器、利用超寬帶頻段、混合編碼方法進(jìn)行改進(jìn)容量有限的問(wèn)題[106]。

3.1.4 制作工藝

CRFID標(biāo)簽基板使用傳統(tǒng)制造技術(shù)如光刻蝕刻和蠟基沉積技術(shù)，會(huì)增加標(biāo)簽的生產(chǎn)成本。蝕刻技術(shù)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(fèi)和危險(xiǎn)化學(xué)品使其不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，基板應(yīng)該能夠抵抗蝕刻技術(shù)中的蝕刻化學(xué)物質(zhì)，限制了基板材料的選擇[107]。例如，根據(jù)壓電效應(yīng)的基本理論，聲表面波標(biāo)簽無(wú)法應(yīng)用于紙/塑料制品，雖然聲表面波標(biāo)簽已成功用作商用CRFID標(biāo)簽，但它不是完全的平面結(jié)構(gòu)，制造工藝也較為復(fù)雜。

絲網(wǎng)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(zhuǎn)移電路的新技術(shù)。然而在印刷技術(shù)中如分辨率、孔隙率和導(dǎo)電層印刷的厚度都是其在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，其精細(xì)程度受到油墨類型、印刷技術(shù)和印刷后熱處理的影響[10,108]。由導(dǎo)電油墨制成的低導(dǎo)電電路可能會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽響應(yīng)的質(zhì)量因數(shù)和雷達(dá)散射功率水平下降，該問(wèn)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(wǎng)打印中增加網(wǎng)目尺寸解決。雖然使用這些技術(shù)可能會(huì)提高電導(dǎo)率，但會(huì)降低印刷結(jié)構(gòu)的分辨率。增加無(wú)芯片標(biāo)簽的數(shù)據(jù)容量，同時(shí)保持標(biāo)簽的小尺寸是CRFID技術(shù)需要解決的另一個(gè)重大挑戰(zhàn)[109-111]。

3.2 未來(lái)研究方向

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

針對(duì)敏感材料制造成本較高的問(wèn)題，未來(lái)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(yīng)具有更高的靈敏度和更低的成本，可以有效提高無(wú)芯片射頻識(shí)別的性能。此外，還可以采用新型回收技術(shù)，如磁懸浮回收技術(shù)，降低敏感材料的回收難題。未來(lái)需要持續(xù)開發(fā)對(duì)傳感器系統(tǒng)發(fā)展至關(guān)重要的低成本材料，在中長(zhǎng)期內(nèi)保持穩(wěn)定的電氣性能，具有表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性高、快速電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和良好的電催化特性，有利于吸附目標(biāo)檢測(cè)物，可在惡劣環(huán)境中使用，能夠?qū)崿F(xiàn)室溫條件下的目標(biāo)檢測(cè)。

CRFID標(biāo)簽實(shí)際測(cè)試過(guò)程中非目標(biāo)干擾與電磁波路徑損耗疊加，增加了檢測(cè)信息的提取難度。為有效減少其他頻段干擾，如果CRFID系統(tǒng)能夠以現(xiàn)有成熟通信技術(shù)為基礎(chǔ)，會(huì)大大降低技術(shù)成本和開發(fā)難度，便于無(wú)芯片標(biāo)簽快速投入市場(chǎng)應(yīng)用。對(duì)CRFID標(biāo)簽反射信號(hào)的干擾主要來(lái)源于周圍的環(huán)境噪聲和多徑干擾，采用特殊結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)變極化效果，從而提高標(biāo)簽抗干擾能力并簡(jiǎn)化標(biāo)簽校準(zhǔn)過(guò)程?；蛘呖梢圆捎媒y(tǒng)計(jì)特征提取方法例如主成分分析和獨(dú)立成分分析來(lái)處理這些問(wèn)題，從干擾中提取有用的數(shù)據(jù)。

在工作頻段和標(biāo)簽尺寸都確定的情況下，標(biāo)簽諧振單元的結(jié)構(gòu)和布局是CRFID標(biāo)簽編碼的關(guān)鍵。如何提高標(biāo)簽的編碼容量也是CRFID標(biāo)簽的重要研究?jī)?nèi)容。CRFID的讀取距離受到發(fā)射功率和收發(fā)天線增益以及標(biāo)簽的雷達(dá)散射功率水平影響，CRFID的傳輸功率在毫瓦級(jí)，例如，在3.1～10.6 GHz的超寬帶頻率下，頻率編碼標(biāo)簽的讀取距離小于25 cm，時(shí)間編碼標(biāo)簽小于100 cm。諧振單元之間的距離越近耦合越明顯，對(duì)編碼結(jié)果的干擾也越大，如何減小耦合效應(yīng)來(lái)增加讀取距離是CRFID標(biāo)簽編碼的重大挑戰(zhàn)。

制作工藝方面可以采用新型印刷技術(shù)，如激光印刷技術(shù)，可以提供更高的分辨率和更低的孔隙率，從而提高CRFID標(biāo)簽性能。同時(shí)，還可以采用新型導(dǎo)電油墨，如金屬納米粒子油墨，可以提高電導(dǎo)率，同時(shí)保持印刷結(jié)構(gòu)的分辨率。新型封裝技術(shù)，如薄膜封裝技術(shù)，以及新型封裝材料，如聚合物薄膜等，可以有效增加無(wú)芯片標(biāo)簽的數(shù)據(jù)容量，同時(shí)保持標(biāo)簽的小尺寸。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51637004）；中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目（2021M692473）；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2108085QF260）；安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2021A0179）

時(shí)國(guó)龍，博士，副教授，研究方向?yàn)樯漕l識(shí)別、無(wú)源傳感器等。Email：shigl@ahau.edu.cn

何怡剛，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯漕l識(shí)別與智能信號(hào)處理。Email：yghe1221@whu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202212196

S24

A

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

時(shí)國(guó)龍，沈心怡，辜麗川，等. 面向智慧農(nóng)業(yè)的無(wú)芯片射頻跨域感知研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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