RFID技术的另类应用：跟踪通行水坝的鱼类

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)与RFID技术公司Biomark合作，在花岗岩大坝下部的Ogee混凝土中部署了无源LF RFID 跟踪系统。当鲑鱼以每小时47英里的速度进入太平洋的哥伦比亚盆地时，该系统在水下1米或更远的距离捕捉到鲑鱼的独特识别号。

捕获这些数据的一组RFID天线永久集成在美国陆军工程兵团(USACE)制造的花岗岩大坝下的一号溢洪道中。天线嵌在Ogee混凝土溢洪道中。USACE拥有并运营着河流下游的大坝，而RFID技术主要由Bonneville电力管理局提供资金支持，后者从大坝中生产和销售水力发电。

无线跟踪系统包括一些捕获标签传输的工程措施。这意味着要扩大标签可读的RF范围，并减少标签传输的数据量，从而确保每一次识别到的鲑鱼数据都是在读取范围内接收的。

NOAA一直在使用RFID技术来追踪鲑鱼，这种技术可以追溯到20世纪80年代，当时在鱼类体内植入了400 KHz的标签。跟踪的目的是帮助研究人员了解哥伦比亚河中的鲑鱼种群和相关河道，这些鲑鱼的数量已经在减少。鲑鱼的损失是多种因素造成的，其中包括被其他动物猎食、栖息地丧失、密集捕捞和气候变化。近年来，机构为了让更多的鲑鱼通过大坝并进入海洋中，每年给大坝泄洪并排放更多的水，这意味着鱼类可以在更大的水体中更快移动。

NOAA电子技术员Gabriel Brooks表示，先前的RFID检测系统包括传统分支旁路系统，鲑鱼被迫以较低的速度通过该系统，从而确保了鲑鱼的标签能够被读取，并确保大坝另一侧的着陆更加平稳。然而，随着流经溢洪道的水量增加，较小一部分的鱼不会使用旁路系统，从而增加了流经溢洪道的鱼的比例。

为了适应这种情况，USACE启动了一个项目，以建立一个基于混凝土的RFID标签检测系统。这给NOAA提供了安装永久性天线系统的机会，该系统可以在穿越大坝时以每小时近50英里的速度捕获大量鲑鱼的标签信息。Brooks说，“我们参与了这个项目”并设置天线用30毫秒的时间，通过七英寸的混凝土激活每个标签并收集其数据。现在正在安装天线，并将在接下来的几个月内进行测试。

幼鲑从野外孵化场或人工孵化场孵化而来，大约有120毫米大小，每年机构会在鱼群的腹中投放大约1到2百万个RFID标签。通常，野生鱼被电晕，然后在其身体上贴上12毫米的标签，然后再继续放生。幼鲑鱼或大马哈鱼从河底游到海洋，在那里待了一到五年，然后才返回上游并产卵。

NOAA和Biomark已经在河流的底部安装了许多天线，这些天线分散在西北水道上，和带有包含LF天线的网络的船只共同捕获标签读数。花岗岩下游大坝的最新天线将帮助研究人员通过大坝系统更精确地跟踪鱼类，使他们了解哪些变化可以帮助增加鱼类的生存机会。Brooks说：“大多数鱼都通过溢洪道，因此，重要的是要开发出某种方法来探测通过那条路线的鱼。”但是目前还没有人设计出一种用于高速、高流量的RFID系统。

NOAA规定了溢洪道检测系统对RFID的要求，而Biomark设计了必要的阅读器、天线和标签。Biomark是渔业、野生生物和自然资源保护的全球电子身份识别系统公司，专门从事LF RFID。三十多年来，它的技术一直用于追踪蝙蝠、爬行动物、鸟类和鱼类。

首先，USACE确定了如何安装阅读器天线，并以非常小的公差(45度角)将混凝土放置在天线上。该机构使用玻璃纤维钢筋代替金属，以避免干扰天线信号。对于NOAA和Biomark而言，读取标签是一项挑战。Biomark技术与应用服务总监Steve Anglea说，这里天线的辐射范围约为半米左右，但较低的花岗岩天线必须能够快速读取且辐射范围更大。

天线在混凝土的任何方向、上游或下游都有大约0.9米的RF场，高度和宽度约为1米。该系统使用11个天线，每个天线都有自己的接收器。这些天线分为三排，并错开方向，以便在通往太平洋的路途上通过多个天线场发射信号。

Anglea解释说，定制阅读器可以为内置在混凝土料斗中的天线提供高达30安培的功率。这一相对较多的能量使天线能够远距离激活标签。天线会产生一个电磁场，该电磁场会为每个134 KHz的LF标签供电，标签的响应不是一个识别号码，而是一个调节磁场的单一响应。Anglea说：“这一模式一旦被收发器检测到，就会产生一个标签代码。”

Anglea说，为了使查询效率更高，每一个过程都被分为一个模块，而不是一个电路板，从而使每个进程都以最佳方式执行且不会干扰其他流程。“例如，我们可以更轻松地从传输中提取标签代码。”

研究人员设计了一种原型解决方案，将在华盛顿州帕斯科的NOAA测试设施进行测试。甚至检查了花岗岩下使用的混凝土混合物对读取性能的影响。NOAA在起草项目合同时，最初指定所有混凝土应与非磁性聚合物混合。但是，在测试了非磁性和磁性聚合物之后，该团队发现此要求没有必要。

为了继续进行测试，该团队构建了一个气动系统，以高达每秒80英尺的速度通过每个天线发射标签信号，以验证读取的准确性。混凝土于2019年12月浇在天线上，该系统计划在2020年2月底在其大坝上方投入使用，然后在春季完全投入使用。这套系统将持续运行，但冬季会关闭。

生成的解决方案现已完全安装。混凝土固化将持续到本月底，然后进行结构评估。到目前为止，RFID标签的检测范围比混凝土大约高出1米，与上游和下游阅读器天线至少相距30英寸。Anglea说：“没有其他可参考的应用。”

这套系统产生的数据将有助于研究人员了解在产卵过程中存活下来的鲑鱼数量，以及在鱼类生命周期中可能出现的问题。Brooks说：“这是了解这些细节的主要工具。我们已经进行了多年的测试，花了几年的时间开发这种阅读器，并且已经测试了各种天线型号。”

接下来，NOAA规划小组将考虑在Bonneville发电厂安装基于RFID的检测系统，鱼、树木和杂物都会经由大坝穿过。此外，沿着哥伦比亚河下游的其他研究与开发工作正在进行中，包括在一条河道中建造12个天线网络，并在两条小艇之间跨河延伸，以检测下游有标记的鱼类。