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为解决精准农业中传感器数据采集与系统供电问题，研究人员开展无源超高频射频识别（UHF-RFID）技术在农业场景的研究。发现土壤含水量增加使读取范围减少 30-40 cm，抬高标签可提升范围，冠层影响在排除土壤水分后不显著，为农业无线传感应用提供参考。
在智慧农业的发展浪潮中，农田环境的精细化监测成为提升作物产量与资源利用效率的关键。然而，传统土壤传感器面临数据采集不便、大规模部署成本高以及电池更换带来的环境负担等问题。尤其是当传感器需要长期埋入土壤或部署于作物根系附近时，土壤湿度、质地以及作物冠层等因素对无线信号传输的干扰，严重制约了传感器网络的实际应用效果。如何在复杂的农田环境中实现稳定、高效的无线通信，成为精准农业领域亟待突破的技术瓶颈。
为了攻克这一难题，来自 Montana State University 的研究人员聚焦于无源超高频射频识别（Ultra High Frequency Radio Frequency Identification, UHF-RFID）技术，开展了土壤环境与作物冠层对 UHF-RFID 无线链路性能影响的系统性研究。这项研究成果发表在《Computers and Electronics in Agriculture》，为农田无线传感器网络的设计与优化提供了重要的理论依据和实践指导。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，使用商用 RFID 阅读器系统（Thingmagic Sargas）与圆极化天线（MT-262024/TRH/A/K），搭配 Asygn AS3213.3 无源标签，构建了 UHF-RFID 通信测试平台；其次，制备了沙质土、黏壤土等 5 种不同质地的土壤样本，通过控制土壤含水量（划分为高、中、低三档），研究土壤湿度对信号读取范围的影响；此外，在田间设置玉米、向日葵、卷心菜等不同作物冠层场景，测量标签在不同高度（0 cm、1.7 cm、3.4 cm）下的读取范围；最后，借助电磁有限元求解器 Ansys HFSS 进行仿真，分析标签与土壤表面间距对天线共振的影响。
3.1 土壤类型和水分含量对读取范围的影响
通过三因素方差分析（ANOVA）发现，土壤含水量和标签高度是影响读取范围的关键因素，而土壤类型的影响不显著。与干燥土壤相比，含水量增加使读取范围减少 30-40 cm，而将标签与湿土间距增加 3.4 cm 时，读取范围可提升 1-1.4 m。进一步分析表明，标签高度对读取范围的影响最为显著，干燥土壤中标签高度的作用更明显，这可能与土壤介电常数随湿度变化导致的天线共振频率失配有关。
3.2 作物冠层对读取范围的影响
在田间试验中，研究人员选取玉米、向日葵、卷心菜三种具有不同叶片形态和冠层结构的作物。结果显示，当标签紧贴土壤表面时，土壤含水量是影响读取范围的主要因素，如含水量较高的卷心菜土壤环境下读取范围最短；而当标签抬高 1.7 cm 后，冠层密度的影响凸显，向日葵密集冠层导致读取范围最短。尽管卷心菜叶片宽大，但单层叶片对信号的阻挡作用有限，说明冠层结构的复杂性比叶片大小对信号传输的影响更显著。
3.3 电磁模拟与理论分析
电磁仿真结果表明，当标签天线与土壤反射面间距为 λ/4（约 8.2 cm，λ 为自由空间波长）时，信号反射产生建设性干涉，天线功率反射系数（S??）达到最优，读取范围可提升至贴近土壤时的 1.6 倍。这一理论结果与田间试验中抬高标签提升读取范围的现象一致，为优化标签部署高度提供了理论支撑。
研究结论指出，土壤含水量是影响无源 UHF-RFID 标签读取范围的核心因素，其通过改变土壤介电常数导致天线共振频率偏移和信号衰减。而抬高标签与土壤表面的间距，可有效缓解湿土对信号的抑制作用，且这一策略对不同土壤类型和作物冠层均普遍适用。尽管作物冠层会散射电磁波，但在排除土壤水分影响后，其对读取范围的影响相对有限。此外，电磁仿真揭示了标签高度与信号反射的最佳匹配关系，为实际应用中标签部署方案的设计提供了量化依据。
这项研究不仅深化了对农田环境中 UHF-RFID 信号传输机制的理解，更提出了低成本、易实施的性能优化方案。通过合理设计标签与土壤的间距，结合现有农业机械或无人机搭载阅读器，可构建高密度、低功耗的无线传感器网络，为实时监测土壤墒情、作物生长状态等关键参数提供技术保障，有望推动精准农业向智能化、高效化方向迈进。
