RFID技術的另類應用：跟蹤通行水壩的魚類

美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)與RFID技術公司Biomark合作，在花崗巖大壩下部的Ogee混凝土中部署了無源LF RFID 跟蹤系統(tǒng)。當鮭魚以每小時47英里的速度進入太平洋的哥倫比亞盆地時，該系統(tǒng)在水下1米或更遠的距離捕捉到鮭魚的獨特識別號。

捕獲這些數據的一組RFID天線永久集成在美國陸軍工程兵團(USACE)制造的花崗巖大壩下的一號溢洪道中。天線嵌在Ogee混凝土溢洪道中。USACE擁有并運營著河流下游的大壩，而RFID技術主要由Bonneville電力管理局提供資金支持，后者從大壩中生產和銷售水力發(fā)電。

無線跟蹤系統(tǒng)包括一些捕獲標簽傳輸的工程措施。這意味著要擴大標簽可讀的RF范圍，并減少標簽傳輸的數據量，從而確保每一次識別到的鮭魚數據都是在讀取范圍內接收的。

NOAA一直在使用RFID技術來追蹤鮭魚，這種技術可以追溯到20世紀80年代，當時在魚類體內植入了400 KHz的標簽。跟蹤的目的是幫助研究人員了解哥倫比亞河中的鮭魚種群和相關河道，這些鮭魚的數量已經在減少。鮭魚的損失是多種因素造成的，其中包括被其他動物獵食、棲息地喪失、密集捕撈和氣候變化。近年來，機構為了讓更多的鮭魚通過大壩并進入海洋中，每年給大壩泄洪并排放更多的水，這意味著魚類可以在更大的水體中更快移動。

NOAA電子技術員Gabriel Brooks表示，先前的RFID檢測系統(tǒng)包括傳統(tǒng)分支旁路系統(tǒng)，鮭魚被迫以較低的速度通過該系統(tǒng)，從而確保了鮭魚的標簽能夠被讀取，并確保大壩另一側的著陸更加平穩(wěn)。然而，隨著流經溢洪道的水量增加，較小一部分的魚不會使用旁路系統(tǒng)，從而增加了流經溢洪道的魚的比例。

為了適應這種情況，USACE啟動了一個項目，以建立一個基于混凝土的RFID標簽檢測系統(tǒng)。這給NOAA提供了安裝永久性天線系統(tǒng)的機會，該系統(tǒng)可以在穿越大壩時以每小時近50英里的速度捕獲大量鮭魚的標簽信息。Brooks說，“我們參與了這個項目”并設置天線用30毫秒的時間，通過七英寸的混凝土激活每個標簽并收集其數據?，F(xiàn)在正在安裝天線，并將在接下來的幾個月內進行測試。

幼鮭從野外孵化場或人工孵化場孵化而來，大約有120毫米大小，每年機構會在魚群的腹中投放大約1到2百萬個RFID標簽。通常，野生魚被電暈，然后在其身體上貼上12毫米的標簽，然后再繼續(xù)放生。幼鮭魚或大馬哈魚從河底游到海洋，在那里待了一到五年，然后才返回上游并產卵。

NOAA和Biomark已經在河流的底部安裝了許多天線，這些天線分散在西北水道上，和帶有包含LF天線的網絡的船只共同捕獲標簽讀數?；◢弾r下游大壩的最新天線將幫助研究人員通過大壩系統(tǒng)更精確地跟蹤魚類，使他們了解哪些變化可以幫助增加魚類的生存機會。Brooks說：“大多數魚都通過溢洪道，因此，重要的是要開發(fā)出某種方法來探測通過那條路線的魚。”但是目前還沒有人設計出一種用于高速、高流量的RFID系統(tǒng)。

NOAA規(guī)定了溢洪道檢測系統(tǒng)對RFID的要求，而Biomark設計了必要的閱讀器、天線和標簽。Biomark是漁業(yè)、野生生物和自然資源保護的全球電子身份識別系統(tǒng)公司，專門從事LF RFID。三十多年來，它的技術一直用于追蹤蝙蝠、爬行動物、鳥類和魚類。

首先，USACE確定了如何安裝閱讀器天線，并以非常小的公差(45度角)將混凝土放置在天線上。該機構使用玻璃纖維鋼筋代替金屬，以避免干擾天線信號。對于NOAA和Biomark而言，讀取標簽是一項挑戰(zhàn)。Biomark技術與應用服務總監(jiān)Steve Anglea說，這里天線的輻射范圍約為半米左右，但較低的花崗巖天線必須能夠快速讀取且輻射范圍更大。

天線在混凝土的任何方向、上游或下游都有大約0.9米的RF場，高度和寬度約為1米。該系統(tǒng)使用11個天線，每個天線都有自己的接收器。這些天線分為三排，并錯開方向，以便在通往太平洋的路途上通過多個天線場發(fā)射信號。

Anglea解釋說，定制閱讀器可以為內置在混凝土料斗中的天線提供高達30安培的功率。這一相對較多的能量使天線能夠遠距離激活標簽。天線會產生一個電磁場，該電磁場會為每個134 KHz的LF標簽供電，標簽的響應不是一個識別號碼，而是一個調節(jié)磁場的單一響應。Anglea說：“這一模式一旦被收發(fā)器檢測到，就會產生一個標簽代碼?！?/p>

Anglea說，為了使查詢效率更高，每一個過程都被分為一個模塊，而不是一個電路板，從而使每個進程都以最佳方式執(zhí)行且不會干擾其他流程?！袄?，我們可以更輕松地從傳輸中提取標簽代碼?！?/p>

研究人員設計了一種原型解決方案，將在華盛頓州帕斯科的NOAA測試設施進行測試。甚至檢查了花崗巖下使用的混凝土混合物對讀取性能的影響。NOAA在起草項目合同時，最初指定所有混凝土應與非磁性聚合物混合。但是，在測試了非磁性和磁性聚合物之后，該團隊發(fā)現(xiàn)此要求沒有必要。

為了繼續(xù)進行測試，該團隊構建了一個氣動系統(tǒng)，以高達每秒80英尺的速度通過每個天線發(fā)射標簽信號，以驗證讀取的準確性。混凝土于2019年12月澆在天線上，該系統(tǒng)計劃在2020年2月底在其大壩上方投入使用，然后在春季完全投入使用。這套系統(tǒng)將持續(xù)運行，但冬季會關閉。

生成的解決方案現(xiàn)已完全安裝?；炷凉袒瘜⒊掷m(xù)到本月底，然后進行結構評估。到目前為止，RFID標簽的檢測范圍比混凝土大約高出1米，與上游和下游閱讀器天線至少相距30英寸。Anglea說：“沒有其他可參考的應用。”

這套系統(tǒng)產生的數據將有助于研究人員了解在產卵過程中存活下來的鮭魚數量，以及在魚類生命周期中可能出現(xiàn)的問題。Brooks說：“這是了解這些細節(jié)的主要工具。我們已經進行了多年的測試，花了幾年的時間開發(fā)這種閱讀器，并且已經測試了各種天線型號?！?/p>

接下來，NOAA規(guī)劃小組將考慮在Bonneville發(fā)電廠安裝基于RFID的檢測系統(tǒng)，魚、樹木和雜物都會經由大壩穿過。此外，沿著哥倫比亞河下游的其他研究與開發(fā)工作正在進行中，包括在一條河道中建造12個天線網絡，并在兩條小艇之間跨河延伸，以檢測下游有標記的魚類。