CN102507255A - 基于rfid的土壤采样及自动标识装置 - Google Patents

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盛明娅
汪懋华
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Abstract

本发明涉及土壤样品快速识别技术领域。公开了一种基于RFID的土壤采样及自动标识装置，包括：土样标识管理模块(1)、标签读写模块(4)、采样钻头(6)、土样盒(8)和RFID标识标签(9)，所述土样标识管理模块(1)用于采集土壤样品信息，并将所采集的土壤样品信息发送给所述标签读写模块(4)，所述标签读写模块(4)用于将所述土壤样品信息写入所述RFID标识标签(9)中；所述标签读写模块(4)和土样盒(8)均位于所述采样钻头(6)的内部；所述RFID标识标签(9)位于所述土样盒(8)的外表面。本发明能够实现高效的土壤采样及土壤样品信息的自动标识。

Description

基于RFID的土壤采样及自动标识装置
技术领域
本发明涉及土壤样品快速识别技术领域，具体涉及一种基于RFID的土壤采样及自动标识装置。
背景技术
保障我国粮食安全，促进农业增产增效增收，重在管好土壤。我国农业生产普遍存在化肥投入过量，利用率较低、环境污染大和土壤肥力下降等负面问题。土壤主要养分信息有效获取，科学指导化肥施用，是精细农业实践中实现节本增效、完善测土配方施肥与实施“沃土工程”的关键。
常规土壤养分信息获取主要包括田间采样、样品前处理和浸提溶液检测。常规田间采样环节采用人工手写方法用纸质标签记录采样信息，主要存在以下问题：1)土壤养分前处理及测试环节信息仍需补充录入，人工操作效率低，误操作率较高；2)纸质标签信息量小，无法包括土壤样品地理位置信息、种植作物、土壤类型、以往施肥等重要信息，且易污损，无法重复利用；3)田间采样与样本检测之间信息脱节，检测结果共享率与利用率低。
RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，RFID装置一般由RFID标识标签、读写器、天线以及应用软件组成。RFID标识标签附着在被识别的物体上，当带有标识标签的被识别物品通过读写器可识读范围时，读写器可自动以非接触方式读写卡中的信息，从而实现自动识别物品或自动收集物品标志信息的功能。RFID标识标签具有体积小、寿命长、不易污损、可重复使用、支持快速读写及多目标识别等优点，可以较好弥补纸质标签的不足。近年来，RFID技术已被广泛应用于交通运输、物流、供应链管理、公共信息服务等众多领域，大幅提高了管理与运作效率、降低成本，被认为是21世纪最有前途的信息技术之一。
GPS(Global Positioning System，卫星定位系统)已被广泛应用于陆地、海洋、空间和航天领域内各类军用和民用目标的定位、导航和精密测量，并已初步形成了一个新兴的高科技产业。GPS定位系统一般由3部分组成，即GPS卫星、地面监控和GPS接收机。用户部分即为GPS接收机，主要用于接收、跟踪、变换和测量GPS信号。目前，GPS已在农业生产中的很多环节发挥了巨大的作用，如精确播种、精确施肥、精确喷药、精确收割等。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是：如何实现高效的土壤采样及土壤样品信息的自动标识。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于RFID的土壤采样及自动标识装置，包括：
土样标识管理模块、标签读写模块、采样钻头、土样盒和RFID标识标签，所述土样标识管理模块用于采集土壤样品信息，并将所采集的土壤样品信息发送给所述标签读写模块，所述标签读写模块用于将所述土壤样品信息写入所述RFID标识标签中；所述标签读写模块和土样盒均位于所述采样钻头的内部；所述RFID标识标签位于所述土样盒的外表面。
优选地，所述土样标识管理模块包括微处理器模块和GPS模块；所述GPS模块用于采集土壤样品信息；所述微处理器模块用于提取GPS模块采集到的信息，并将该信息传送至所述标签读写模块。
优选地，所述装置还包括手柄和连接杆；所述土样标识管理模块安装于所述手柄上；所述连接杆的两端分别连接所述手柄和采样钻头。
优选地，所述采样钻头的两侧开有对称的把手滑槽，所述把手滑槽包括卡口和滑槽。
优选地，所述采样钻头的下端为不锈钢铣齿。
优选地，距采样钻头内部上端一定距离处设有隔土圈。
优选地，绕所述采样钻头外围、不锈钢铣齿上端至卡口之间标有深度刻度表。
优选地，所述标签读写模块通过螺丝居中固定在采样钻头内部顶端。
优选地，所述装置还包括固定于所述卡口中的卸样杆。
优选地，所述土样标识管理模块还包括串口扩展模块、无线通信模块、人机接口模块和太阳能供电模块，所述人机接口模块用于接收录入的土壤样品信息；所述微处理器模块通过串口扩展模块与无线通信模块连接；所述太阳能供电模块用于给所述土样标识管理模块的其它模块供电。
(三)有益效果
本发明基于RFID实现了土壤采样及自动标识信息，具有操作简便，自动化程度高的特点，可在采集土壤样品的同时，自动实现土壤样品地理位置信息及其他属性信息的快速录入。其中，
(1)在采集样本过程中利用抗金属RFID标识标签对土样属性信息进行实时标识记录，标识标签体积小，信息存储容量较大，抗污染，解决了传统土样管理过程中纸质标签易污损、信息容量小、存在人工误读写的问题。
(2)装置内嵌GPS模块，可自动获取所采集土样的地理信息位置，并利用读写模块将该位置保存至RFID标识标签。同时，所有电子单元由太阳能板供电，自动化、智能、环保程度高，尤其适用于田间采样环境，解决了传统土壤采样无法自动录入地理位置信息的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的装置结构图；
图2为土样标识管理模块的内部结构图及其与标签读写模块、土样盒的信息交互示意；
图3为采样钻头的三视图，其中(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
图4为采样钻头的内部结构图。
具体实施方式
下面对于本发明所提出的一种基于RFID的土壤采样及自动标识装置，结合附图和实施例详细说明。
为了解决现有常规土壤田间采样纸质标签信息量小，不包含地理位置信息、易破损，无法保障后续信息补录可靠性、效率低等问题，本发明提供了一种基于RFID的土壤采样及自动标识装置。基于RFID和GPS技术，将抗金属RFID标识标签贴于土样盒上表面，通过内嵌式标签读写模块将土壤样品信息(含地理位置信息)写入RFID标识标签。同时，通过无线通信技术将RFID标识标签中的信息通过网络同步传送至土壤样品信息管理系统，为后续前处理及检测环节提供土样基础信息。尤其适用于需要体现采土点地理位置信息的测土配方施肥及土壤养分管理应用。
如图1所示，本发明实施例的装置结构如下(需要说明的是，图1中的土样盒8未置于采样钻头6内，因此其为非工作状态时的分解图)：
包括土样标识管理模块1、手柄2、连接杆3、标签读写模块4、卸样杆5、采样钻头6、铝制土样盒8、抗金属RFID标识标签9。采样钻头两侧开有对称的把手滑槽7。
所述土样标识管理模块1由微处理器模块、串口扩展模块、GPS模块、无线通信模块、人机接口模块和太阳能供电模块组成，用于完成土壤样品信息(地理位置信息及其他属性信息)的快速采集。微处理器模块提取GPS模块采集到的经度、纬度和高程等地理位置信息和人机接口录入的土样其它属性信息后，通过RS485串口传送至安装于采样钻头内部顶端的标签读写模块4；标签读写模块4将土样信息写入土样盒上表面粘贴的标识标签；完成标签读写操作后，微处理器通过串口扩展模块与无线通信模块连接，可将标签内信息传送至土壤样品信息管理系统。具体结构如图2所示。
所述微处理器模块选用低功耗单片机MSP430F149，该单片机有6组端口(P1～P6)，2组串口USART0和USART1，60KB Flash和2KB RAM。微处理器模块可对标签读写模块进行初始化(主要负责对射频基站部分的初始化工作)，并通过控制标签读写模块，完成对粘贴于土样盒表面的RFID标识标签的读写操作。
串口扩展模块采用低功耗UART多串口扩展芯片SP2338DP，实现将一个UART串口扩展为3个全双工异步工作UART串口。其中，2个扩展串口分别用于连接GPS模块和无线通信模块。
GPS模块选用Garmin GPS25LP，采用差分定位方式，通过RS232串行通讯方式将数据传给微处理器进行数据处理。
无线通信模块选用SIM300D，与微处理器之间采用RS232串口连接，可通过GPRS/GSM方式将标签内的信息直接发送至土壤样品信息管理中心。
太阳能供电模块选用太阳能板的规格为9V3W，经转换电路输出3.3V1.5W的电源信号供给其它模块。
人机接口模块主要包括LMC12864ZK液晶显示屏、2×2键盘、5个按钮(复位按钮、GPS读取按钮、信息录入按钮、标签读写按钮及无线通信按钮)和4个LED指示灯(电源指示灯、GPS指示灯、标签指示灯和无线指示灯)。
标签读写模块使用SLRM900芯片，符合ISO/IEC 15693标准，可根据控制指令直接驱动基于13.56MHz的非接触式天线，检测距离范围达到土样识别应用需求(0～10cm)。
RFID标识标签选用高频段RFID芯片SLI2 ICS20，具体频率为13.56M Hz，遵循ISO/IEC 15693协议，感知距离为0～10cm。卡内可存储1K bit，其中896bit用于用户数据。本发明将采样员、采样地理位置、农户信息、作物类型、以往施肥、采样日期、检测项目、土壤类型、配送信息、检验员、检测日期、前处理参数、检测结果等信息加密成一串16位ASCII字符，并将该字符串作为土壤样品的唯一标识符储存在RFID标识标签中。
上述技术方案中，土样标识管理模块1被安置于装置上端的手柄2中部，手柄为横向装置；装置中间为连接杆，中空结构；下端为采样钻头，中空结构；把手滑槽由卡口6-1和滑槽6-3两部分组成。采样钻头下端为超硬不锈钢铣齿6-4；距采样钻头内部上端预设一定位置处，焊有两段环形的隔土圈6-2，用于在取土过程中隔挡土样盒；绕采样钻头外围(铣齿上端至把手滑槽卡口之间)标有明显深度刻度表；标签读写模块用螺丝居中固定在采样钻头内部顶端。采土过程中，铝制土样盒被塞入采样钻头内部。采样钻头三视图如图3所示。
采样钻头6内部结构如图4所示。上述技术方案中卡口6-1开设在距离采样钻头末端预设一定距离处，可将卸样杆固定在该位置，采样时每次都将采样钻头推入土壤内部，直至预定采样深度(推入采样钻头至采样点土壤，一般直至卸样把手与地面接触，保证每次土样盒内取土深度皆在25cm左右)；滑槽6-3由水平和垂直两部分组成(如图3中(b)所示)，滑槽6-3的水平部分与卡口6-1连接，卸样杆5可在滑槽6-3内上下自动滑动，方便采样后助力推出铝制土样盒。
所述铝制土样盒为圆柱中空结构。其上端封口，封口的一端正中央粘贴标识标签。下端开口。土样盒配有封土铝制盒盖。
本发明的操作方法如下：
(1)将标签粘贴于土样盒上端外表面正中位置；
(2)田间采样前，将土样盒塞入本发明装置的采样钻头中，使土样盒下缘与采样钻头铣齿上端平齐，卸样杆放置于采样钻头的卡口中；
(3)田间采样时，若土壤呈砂型或土质松软，用力按压手柄，并轻微转动，直至目标深度；若土壤为粘土或土质硬实，则可用力按压手柄的同时，略微用脚踩踏卸样杆，增大取土力量，直至目标采样深度；
(4)采样钻头到达目标深度后，利用土样标识管理模块及标签读写模块将GPS信息及其他土样属性信息写入土样盒表面的RFID标识标签中，同时将该土样信息利用无线通信方式上传至土样信息管理中心；
(5)标识操作完成后，用力向上提拉手柄，将采样钻头从土壤中拔出，将卸样杆从卡口中取出，沿滑槽向下拉拽，使土样盒从采样钻头中滑出；
(6)用封土盒盖扣住土样盒下端开口，该样品采样完毕。如进行下一样品采集，重复步骤(2)，如样品采集完毕，关闭电源。
步骤(4)，田间采样过程中利用本发明装置进行土样信息自动标识及标签读写操作的具体过程如下：
(4-1)采样钻头到达目标深度后，轻按复位按钮，初始化本发明装置中的各个电子模块，土样标识管理模块中的人机接口液晶屏显示“Initializing”，指示灯全部熄灭；
(4-2)轻按GPS读取按钮，提取采样点经度、纬度和高程信息，并将该信息存入土样标识管理模块微处理器的缓存中。采集过程中，液晶屏显示“GPS Collecting”，GPS指示灯闪烁。GPS信息存入缓存后，液晶屏显示“GPS Saved”，GPS指示灯常亮；
(4-3)轻按信息录入按钮，然后键盘录入土壤样品标识码(16位ASCII码，以“*”键起始，“#”键结束，中间14位为“0”“1”，将采样员、采样地理位置、农户信息、作物类型、以往施肥、采样日期、检测项目、土壤类型、配送信息、检验员、检测日期、前处理参数、检测结果等信息编码为唯一表征该土样属性信息的字符串)，并存入土样标识管理模块中微处理器的缓存中，液晶屏显示该字符串，如“*00101010011111#”；
(4-4)轻按标签读写按钮，将微处理器缓存中的地理位置信息及其他属性信息通过RS485串口传送至标签读写模块，并写入标识标签中。以上操作过程中，液晶屏显示“writing”，同时标签指示灯闪烁。写入完成后，液晶屏显示“written”，标签指示灯常亮；
(4-5)轻按无线传输按钮，将微处理器缓存中的地理位置信息及其他属性信息通过串口传送至无线通信模块，然后利用GPRS无线通信方式将该土样信息传送至土样信息管理中心。无线数据传送过程中，液晶屏显示“Sending”，同时无线指示灯闪烁。传送完毕，液晶屏显示“Sent”，无线指示灯常亮；
(4-6)以上操作完成后，轻按复位按钮，再次初始化本装置中各电子模块。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于RFID的土壤采样及自动标识装置，其特征在于，包括：
土样标识管理模块(1)、标签读写模块(4)、采样钻头(6)、土样盒(8)和RFID标识标签(9)；其中，
所述土样标识管理模块(1)用于采集土壤样品信息，并将所采集的土壤样品信息发送给所述标签读写模块(4)，所述标签读写模块(4)用于将所述土壤样品信息写入所述RFID标识标签(9)中；
所述标签读写模块(4)和土样盒(8)均位于所述采样钻头(6)的内部；
所述RFID标识标签(9)位于所述土样盒(8)的外表面。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述土样标识管理模块(1)包括微处理器模块和GPS模块；
所述GPS模块用于采集土壤样品信息；
所述微处理器模块用于提取GPS模块采集到的信息，并将该信息传送至所述标签读写模块(4)。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括手柄(2)和连接杆(3)；
所述土样标识管理模块(1)安装于所述手柄(2)上；
所述连接杆(3)的两端分别连接所述手柄(2)和采样钻头(6)。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采样钻头(6)的两侧开有对称的把手滑槽(7)，所述把手滑槽包括卡口(6-1)和滑槽(6-3)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述采样钻头(6)的下端为不锈钢铣齿(6-4)。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，距采样钻头(6)内部上端一定距离处设有隔土圈(6-2)。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，绕所述采样钻头(6)外围、不锈钢铣齿(6-4)上端至卡口(6-1)之间标有深度刻度表。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标签读写模块(4)通过螺丝居中固定在采样钻头(6)内部顶端。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括固定于所述卡口(6-1)中的卸样杆(5)。
10.如权利要求1～9中任一项所述的装置，其特征在于，所述土样标识管理模块(1)还包括串口扩展模块、无线通信模块、人机接口模块和太阳能供电模块，所述人机接口模块用于接收录入的土壤样品信息；所述微处理器模块通过串口扩展模块与无线通信模块连接；所述太阳能供电模块用于给所述土样标识管理模块(1)的其它模块供电。
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