CN102759535B - 基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无线射频识别技术的检测储运粮食水分含量的装置及方法，该装置包括读写器、有源电子标签、壳体、平面吸波材料、进料控制模块、平扫器具、测距器具和控制模块；该方法应用电磁波在自由空间及粮层中传输的路径损耗差异原理，通过测试埋于粮层中的无线射频识别系统电子标签的可识别距离，推算出待测粮层的介电常数，继而快速得出粮食样本的水分含量；该装置及方法便于储运粮情的检测。本发明测试过程简便快速，在保证测试精度的同时，具有经济效益。

Description

基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置及方法

技术领域

本发明涉及电子信息领域，尤其涉及一种基于无线射频识别(RFID)技术的检测储运粮食水分含量的装置及方法。

背景技术

粮食水分含量是粮食质量的关键指标，直接影响粮食的收购、运输、储藏、加工、贸易等过程。粮食中的水分按物理性质可分为结合水(结晶水)和游离水(自由水)。结合水是在粮粒生长过程中自然形成的，存在于粮食细胞内，与粮粒内亲水物质结合得很牢固，性质很稳定，结合水不参加导电；游离水是通过物理吸附作用凝聚在粮食内部的毛细管内和分子间隙中的水分，它具有普通水的导电性质，平时检测的水分指的是游离水。如果不加选择地购进和储藏粮食，必然会影响粮食的储藏周期，导致粮食过早发霉、变质、腐烂，因此必须时刻在意粮食的水分含量。

粮食收购站在收购粮食时，先要检测粮食的湿度，传统的检测法是采用样品烘干称重法，目前在国内粮食收购时，凭手摸牙咬或者传统检测方法来判断粮食的水分，存在测定结果极不可靠、检测时间长、浪费人力物力等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置和方法，以自动快速地检测粮食水分含量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置，包括读写器、有源电子标签、壳体、平面吸波材料、进料控制模块、平扫器具、测距器具和控制模块，其中，

所述读写器，其上安装有天线，与所述控制模块连接，并实时向所述控制模块发送信号，该信号携带所述读写器是否能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息；

所述平面吸波材料附着于所述壳体内壁；

所述读写器安装于所述壳体的上表面内侧，所述读写器的几何中心与所述壳体的上表面圆心重合；

所述有源电子标签位于所述壳体下表面内侧，所述有源电子标签的几何中心与所述壳体的下表面的中心重合；

所述读写器的天线正对所述有源电子标签；

所述进料控制模块，与所述控制模块连接，用于控制待测粮食进料开关与进料速度；

所述平扫器具，用于保持粮食表面、所述读写器的表面与所述有源电子标签的表面平行；

所述测距器具，与所述控制模块连接，实时测量所述壳体内粮食上表面与底层的有源电子标签之间的距离，并将该距离上传至所述控制模块；

所述控制模块，用于根据来自所述读写器的信号以及来自所述测距器具的距离，向所述进料控制模块发出控制信号，所述进料控制模块根据该控制信号而控制进料口的开关以及进料速度，并所述控制模块根据该来自读写器的信号携带的信息从“所述读写器能接收到来自所述有源电子标签的应答信号”与“所述读写器不能接收到来自所述有源电子标签的应答信号”之间互换时的距离，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮食水分含量。

实施时，所述控制模块包括中间件和上位机，所述中间件和所述上位机相互连接；

所述中间件分别与所述读写器和所述测距器具连接，用于处理来自所述读写器的信号和来自所述测距器具的距离，并将处理后的数据传送至所述上位机。

实施时，所述壳体是由金属铝或铜围成密闭的筒状金属壳体；

所述平面吸波材料附着于所述壳体内壁，并围成倒置梯形筒状空间，用以吸收所述壳体内侧面反射的电磁波。

实施时，所述读写器为2.45GHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是2.45GHz频段RFID有源电子标签。

本发明还提供了一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法，其上述装置，包括以下步骤：

步骤1：平扫器具保持壳体内粮层上表面呈水平状态；

步骤2：控制模块控制进料控制开关开始进料；

步骤3：测距器具实时测量所述壳体内粮食上表面与底层的有源电子标签之间的距离，读写器实时向控制模块发送信号，该信号携带所述读写器是否能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息；

步骤4：所述控制模块根据来自所述读写器的信号以及来自所述测距器具的距离，向所述进料控制模块发出控制信号，所述进料控制模块根据该控制信号而控制进料口的开关以及进料速度，并当该信号携带的信息在“所述读写器能接收到来自所述有源电子标签的应答信号”与“所述读写器不能接收到来自所述有源电子标签的应答信号”之间互换时，转向步骤5；

步骤5：所述控制模块根据当前测距器具测量得到的壳体内粮食上表面与底层的有源电子标签之间的距离，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮食水分含量。

实施时，步骤5包括以下步骤：

步骤51，控制模块根据当前测距器具测量得到的壳体内粮食上表面与底层的有源电子标签之间的距离，计算出当前粮层的介电常数ε_r；

步骤52，控制模块根据当前粮层介电常数ε_r，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮层的水分含量。

实施时，所述读写器为2.45GHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是2.45GHz频段RFID有源电子标签。

与现有技术相比，本发明所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置和方法，应用电磁波在自由空间及粮层中传输的路径损耗差异原理，通过测试埋于粮层中的无线射频识别系统电子标签的可识别距离，推算出待测粮层的介电常数，继而快速得出粮食样本的水分含量。

附图说明

图1是本发明所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置的一具体实施例的结构图；

图2是本发明所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法的一具体实施例的流程图。

具体实施方式

近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使得粮情检测技术在硬件、软件方面都有了一定的发展。为了快速、准确检测粮食水分，本发明提供了一种基于2.45GHz频段无线射频识别技术(RFID)的粮食水分含量检测装置及方法，保证测试精度的同时，操作简便，能够实时给出检测结果。目前，国际上常用的RFID系统大多工作在ISM(Industrial、Scientific andMedical)频段，2.45GHz频段常被用于短距离通信器件以及业余无线电爱好者频段，不用专门申请。该装置及方法不仅适用于粮食水分含量的检测，也可应用于面粉、土壤、木材等水分含量检测领域，通用性较强，可有效缩短了计周期，具有较强的实操性和明显的经济效益。

本发明提供了一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置及方法。

粮食中的水分含量越大，粮食的介电常数就越大，本发明通过测量粮食的介电常数，间接给出粮食中所含水分的多少，即水分含量。

如图1所示，本发明提供了一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置，包括读写器1、有源电子标签2、壳体3、平面吸波材料4、进料控制模块5、平扫器具6、测距器具7和控制模块，所述控制模块包括相互连接的中间件8和上位机9，其中，

所述读写器1，其上安装有天线，与所述控制模块连接，并实时向所述控制模块发送信号，该信号携带所述读写器是否能接收到来自所述有源电子标签的应答信号的信息；

为了屏蔽外部信号，所述壳体3是由金属铝或铜围成密闭的筒状金属壳体；

平面吸波材料4附着于所述壳体3内壁，并围成倒置梯形筒状空间，用以吸收所述壳体3内侧面反射的电磁波；

所述读写器1安装于所述壳体3的上表面内侧，所述读写器1的几何中心与所述壳体3的上表面圆心重合；

所述有源电子标签2位于所述壳体3下表面内侧，所述有源电子标签2的几何中心与所述壳体3的下表面的中心重合；

所述壳体3下表面可与整体分离，作为检测完毕后的卸粮口；

所述壳体3的下表面与壳身通过磁珠等结构可密闭接触，整个壳体类似于小型电波暗箱结构；

所述壳体3的上边面边缘开有小孔，作为进料口；

所述进料控制模块5，与所述上位机9连接，用于控制待测粮食进料开关与速度；

所述平扫器具6，用于保持粮食表面、所述读写器1的表面与所述有源电子标签2的表面平行；

所述控制模块，用于根据来自所述读写器1的信号以及来自所述测距器具7的距离，向所述进料控制模块5发出控制信号，所述进料控制模块5根据该控制信号而控制进料口的开关以及进料速度，并所述控制模块根据该信号携带的信息从“所述读写器能接收到来自所述有源电子标签的应答信号”与“所述读写器不能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号”之间互换时的距离，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮食水分含量；

实施时，所述测距器具7，与所述中间件8连接，测量所述壳体3内粮食上表面与底层的有源电子标签2之间的距离，并将该距离上传至所述中间件8；

所述中间件8，与所述上位机9连接，用于接收所述读写器1与所述测距器具7上传的数据，并按后述实施实例数据处理方式，建立接收数据与路径损耗及介电常数间的相关关系，并将处理后的数据传送至所述上位机9；

所述上位机9实时显示该处理后的数据并将其与后台数据库相关数据比较，并决策下步动作(包括进料口装置的启动和进料速度等)；

所述上位机9，用于根据来自所述读写器1的信号以及来自所述测距器具7的距离，向所述进料控制模块5发出控制信号，所述进料控制模块5根据该控制信号而控制进料口的开关以及进料速度，并所述上位机9根据该来自读写器的信号携带的信息从“所述读写器能接收到来自所述有源电子标签的应答信号”与“所述读写器不能接收到来自所述有源电子标签的应答信号”之间互换时的距离，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮食水分含量。

实施时，本发明所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置利用无线射频识别系统通用的2.45GHz作为粮食水分含量快速检测的频段，并且在测试前，需要根据不同的粮食种类，在不同的状态下建立校准回归曲线，这些校准回归曲线可以预先存入系统中，也可以由用户根据标准现场设定，在检测过程中，只需根据当前检测状态，由上位机9决策相关控制策略，并维护进料口及粮层状态，过程中除系统外无需外力介入，进料口开关及流速可自由控制，开始阶段，进料口速度较大，而当有源电子标签2可响应临界点时，进料口流速放慢。

在实际操作时，电磁波介质空间衰减(L_s)为：

$L_s=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{c}\right)+20\mathrm{lgd}\left(m\right)+20\mathrm{lgf}\left(\mathrm{MHz}\right)$

$=-27.56+10\lg {\mathrm{\ϵ}}_r+20\mathrm{lgd}\left(m\right)+20\mathrm{lgf}\left(\mathrm{MHz}\right);$

其中，ε_r为介质相对介电常数，c为光速(3×108米/秒)，d(m)为介质中读写器1和有源电子标签2的之间的垂直距离，f(MHz)为以MHz为单位的电磁波频率。

那么，对于f＝2，450MHz的电磁波，在自由空间(ε_r＝1)衰减

$L_s^0=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{c}\right)+20\mathrm{lgd}\left(m\right)+20\mathrm{lgf}\left(\mathrm{MHz}\right)$

$=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}\right)+20\lg d_1\left(m\right)+20\lg 2450$

$=40.22+20\lg d_1\left(m\right);$

其中，d₁(m)为自由空间中读写器1与有源电子标签2之间的垂直距离。

而该频率的电磁波在粮食介质空间的衰减为：

$L_s^{\′}=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{c}\right)+20\mathrm{lgd}\left(m\right)+20\mathrm{lgf}\left(\mathrm{MHz}\right)$

$=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}\right)+20\lg d_2\left(m\right)+20\lg 2450+10\lg {\mathrm{\ϵ}}_r$

$=40.22+20\lg d_2\left(m\right)+10\lg {\mathrm{\ϵ}}_r;$

其中，d₂(m)为介质空间中读写器1与有源电子标签2之间的垂直距离，ε_r为介质相对介电常数。

从上可以看出，电磁能量在介质空间的衰减程度要大于自由空间衰减，而衰减程度的大小，取决于介质的相对介电常数。针对不同粮食不同程度的干燥等级，其整体介电常数具有较大差异。如，仓储稻米的介电常数一般介于3～8之间。

一般而言，对于通用2.45GHz RFID系统，读写器1的发射功率设为P₀＝0dBm，接收灵敏度P′＝-90dBm。

当有源电子标签2置于粮层表面d₂(m)深度处，假设有源电子标签2响应返回的电磁能量在d₁(m)处为P_r，则读写器1收到响应信号，需满足以下条件：

P_r≥P′。

若针对水分含量(MC)为12.5％的粮层，当读写器1距离粮层表面距离d₁(m)＝0.1m，有源电子标签2置于粮层表面d₂(m)深度时，有源电子标签2处于可读与不可读的临界状态，则可以推导出最大可读距离d₂(m)下的粮层介电常数(ε_r)。

假设有源电子标签2从接收到读写器1发射的电磁波到有源电子标签2发出响应信号过程的收发损耗ΔP＝3dB，在最大可读距离d₂＝0.0524m处：

$P_0=P^{\′}+2\×(L_s^0+L_s^{\′})+\mathrm{\ΔP};$

可推出ε_r＝8。

而当MC＝4.5％，d₂＝0.0856m时，同样条件下可得ε_r＝3。

若同等情形下，当有源电子标签2置于某仓储稻米表面d₂＝0.075m时，读写器1接收不到有源电子标签2的响应信号，则可由此推导出此仓储稻米的介电常数ε_r＝4，假定校准回归曲线为推断出其水分含量(MC)约为6.1％。

由于应用频率f、水分含量MC、体密度ρ、环境温度T，以及读写器及电子标签的相关参数(包括发射功率P₀、接收灵敏度P′、标签收发功率损耗ΔP与设定值的一致性)、粮层上表面的平整度和粮层介电常数相关，进而影响粮食水分含量的准确性。故实际应用中，需根据当前测试环境对系统预校准，包括温度、功率、频率等相关参数补偿。另外，不同地区的粮食作物具有不同的测量基准值，因此在测试之前，需要根据不同的粮食种类，在不同的状态下建立起标准的校准回归曲线，这些数据可以预先存入系统中，也可以由用户根据标准现场设定。

本发明还提供了一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法，其上述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：平扫器具6保持壳体3内粮层上表面呈水平状态；

步骤2：控制模块控制进料控制模块5开始进料；

步骤3：测距器具7实时测量所述壳体3内粮食上表面与底层的有源电子标签2之间的距离，读写器1实时向控制模块发送信号，该信号携带所述读写器1是否能接收到的来自所述有源电子标签2的应答信号的信息；

步骤4：所述控制模块根据来自所述读写器1的信号以及来自所述测距器具7的距离，向所述进料控制模块5发出控制信号，所述进料控制模块5根据该控制信号而控制进料口的开关以及进料速度，并当该来自读写器的信号携带的信息在“所述读写器1能接收到来自所述有源电子标签2的应答信号的信息”与“所述读写器1不能接收到来自所述有源电子标签2的应答信号的信息”之间互换时，转向步骤5；

步骤5：所述控制模块根据当前测距器具7测量得到的壳体3内粮食上表面与底层的有源电子标签之间的距离，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮食水分含量。

本发明所述的基于射频识别技术检测粮食水分含量的方法，应用电磁波在自由空间及粮层中传输的路径损耗差异原理，通过测试埋于粮层中的无线射频识别系统电子标签的可识别距离，推算出待测粮层的介电常数，继而快速得出粮食样本的水分含量。

在具体实施时，如图2所示，本发明所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法，包括以下步骤：

步骤S1：系统初始化，设备归位；

步骤S2：确定当前环境下的参数补偿及确定校准回归曲线；

步骤S3：设备开启，读写器1及有源电子标签2开始工作，上位机9实时显示有源电子标签2的读取情况；

步骤S4：判断所述有源电子标签2是否可读，如可读，转步骤S6，如不可读则转步骤S5；

步骤S5：判断是否设备故障，如故障则报警，如无故障则转步骤S10；

步骤S6：进料控制模块5开启，控制进料口开关及进料流速；

步骤S7：判断进料控制模块5步进时序是否结束，若结束则转S8，若无则转S6；

步骤S8：平扫器具6开启，保持壳体3内粮层上表面呈水平状态；

步骤S9：判断平扫器具6的工作时序是否结束，若结束则转S4，若无则转S8；

步骤S10：启动测距器具7，测量读写器1与粮层上表面之间的距离d1(m)，计算粮层深度d2(m)，在壳体3内部读写器1和有源电子标签2之间的间距固定，记为d0(m)，则d0(m)＝d1(m)+d2(m)；上传有源电子标签2由可读转变为不可读时的临界粮层深度d2(m)至中间件8，并中间件8根据该临界粮层深度计算出当前粮层的介电常数ε_r；

步骤S11：查表，上位机9根据当前粮层介电常数ε_r，代入后台数据库中存储的相关校准回归曲线，得到并打印当前粮层的水分含量。

步骤S12：打开卸料口，清空检测粮食水分含量的装置，检测完毕。

另外，本发明所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法也可以用于检测土壤中的水分含量。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部分进行的改变和等同变换都应包含在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置，其特征在于，包括读写器、有源电子标签、壳体、平面吸波材料、进料控制模块、平扫器具、测距器具和控制模块，其中，

所述读写器，其上安装有天线，与所述控制模块连接，并实时向所述控制模块发送信号，该信号携带所述读写器是否能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息；

所述壳体是由金属铝或铜围成密闭的筒状金属壳体；

所述平面吸波材料附着于所述壳体内壁；

所述读写器安装于所述壳体的上表面内侧，所述读写器的几何中心与所述壳体的上表面圆心重合；

所述有源电子标签位于所述壳体下表面内侧，所述有源电子标签的几何中心与所述壳体的下表面的中心重合；

所述读写器的天线正对所述有源电子标签；

所述进料控制模块，与所述控制模块连接，用于控制待测粮食进料开关与进料速度；

所述平扫器具，用于保持粮层表面与所述读写器的表面及所述有源电子标签的表面平行；

所述测距器具，与所述控制模块连接，实时测量所述壳体内粮层上表面与底层的有源电子标签之间的距离，并将该距离上传至所述控制模块；

所述控制模块，用于根据来自所述读写器的信号以及来自所述测距器具的距离，向所述进料控制模块发出控制信号，所述进料控制模块根据该控制信号而控制进料口的开关以及进料速度，并所述控制模块根据该信号携带的信息从“所述读写器能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息”与“所述读写器是否不能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息”之间互换时的距离，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮食水分含量。

2.如权利要求1所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置，其特征在于，

所述控制模块包括中间件和上位机，所述中间件和所述上位机相互连接；

所述中间件分别与所述读写器和所述测距器具连接，用于处理来自所述读写器的信号和来自所述测距器具的距离，并将处理后的数据传送至所述上位机。

3.如权利要求1或2所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置，其特征在于，

所述平面吸波材料附着于所述壳体内壁，并围成倒置梯形筒状空间，用以吸收所述壳体内侧面反射的电磁波。

4.如权利要求3所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的装置，其特征在于，所述读写器为2.45GHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是2.45GHz频段RFID有源电子标签。

5.一种基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法，其基于如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：控制模块控制进料控制开关开始进料；

步骤2：平扫器具保持壳体内粮层上表面呈水平状态；

步骤3：测距器具实时测量所述壳体内粮层上表面与底层的有源电子标签之间的距离，读写器实时向控制模块发送信号，该信号携带所述读写器是否能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息；

步骤4：所述控制模块根据来自所述读写器的信号以及来自所述测距器具的距离，向所述进料控制模块发出控制信号，所述进料控制模块根据该控制信号而控制进料口的开关以及进料速度，并当该信号携带的信息在“所述读写器能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息”与“所述读写器是否不能接收到的来自所述有源电子标签的应答信号的信息”之间互换时，转向步骤5；

步骤5：所述控制模块根据当前测距器具测量得到的壳体内粮层上表面与底层的有源电子标签之间的距离，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮食水分含量。

6.根据权利要求4所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法，其特征在于，步骤5包括以下步骤：

步骤51，控制模块根据当前测距器具测量得到的壳体内粮食上表面与底层的有源电子标签之间的距离，计算出当前粮层的介电常数ε_r；

步骤52，控制模块根据当前粮层介电常数ε_r，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮层的水分含量。

7.如权利要求6所述的基于无线射频识别技术的检测粮食水分含量的方法，其特征在于，所述读写器为2.45GHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是2.45GHz频段RFID有源电子标签。