CN111488954A - 一种基于rfid的蜜蜂动态远程监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其包括:若干待定位电子标签、若干RFID读写器天线、RFID读写器、无线通信模块和数据库服务器;所述活动数据包括:电子标签的对应于若干RFID读写器天线的场强值;所述RFID读写器天线,用于将待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据传递至RFID读写器;所述RFID读写器,用于接收待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据;所述无线通信模块,用于将RFID读写器接收的待监测蜜蜂的活动数据通过移动网络发送至数据库服务器;所述数据库服务器,用于接收、识别、存储待监测蜜蜂的活动数据,并采用预先训练好的神经网络计算出待监测蜜蜂在蜂箱内的位置坐标,获得待监测蜜蜂的位置信息,进而得到待监测蜜蜂的位置数据。
Description
技术领域
本发明属于农业物联网和农业现代化监测技术领域,具体涉及一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统。
背景技术
蜜蜂养殖是指通过人工方式养殖蜜蜂,以生产各种产品,产品主要包括蜂蜜、蜂王乳、花粉、蜂胶、蜂蜡等。一方面养蜂业因投资少、风险小、见效快、收益大等优点,是山区农民增收致富、快速奔小康的实现路径之一;另一方面随着现在人们生活水平和对生活质量的要求日益提高,人们对富含大量营养的蜂产品越来越青睐。因此,良好的经济效益与巨大的消费需求促使蜜蜂养殖业得到飞速的发展。
蜂箱内部有数万只蜜蜂,蜂王在其中的位置很难辨别。传统方法是蜂农凭借经验找到蜂王位置,肉眼观察,关上蜂箱盖后,也就无法得知蜂王位置。如果遇到分蜂,蜂王可能会带走一群蜂,另外建立蜂巢,蜂农就会有经济损失。电子标签(Radio FrequencyIdentification,RFID,又称无线射频识别)技术是20世纪90年代开始兴起的一种非接触式自动识别技术,其利用射频信号通过空间耦合实现无线接触信息传递并通过所传递的信息达到识别物体的自动识别技术。将RFID技术应用于蜂王活动研究,可以准确地探知所标记蜂王的活动规律,获得蜂王的活动数据,利用这些数据可以获得蜂王的行为,防止蜂群流失,避免蜂农产生经济损失,具有传统方法所不具有的优势。
将RFID技术应用于蜜蜂研究是一次有重要意义的技术革新,即对蜜蜂的研究进入了更细化的境界。可以在蜂群处于自然状态下,通过RFID技术对蜂王活动进行细致而准确的观测,精确记录蜂王在巢房内的活动规律。专门的蜜蜂RFID技术在蜜蜂生物学、饲养学及育种学等领域有广泛应用前景,特别是与肉眼观察的数据相比,更为准确,更为科学。目前,现有的大多数的RFID监测系统只能做到监测蜜蜂出入蜂巢,并不能实现实时监测蜜蜂在蜂箱内的位置数据。
发明内容
本发明的目的在于,为解决现有的监测系统存在上述缺陷,本发明提出了一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,通过RFID记录蜂王活动规律,可以获得蜂王在蜂巢内的位置等信息。
为了实现上述目的,本发明提出了一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,所述系统包括:若干待定位电子标签、若干RFID读写器天线、RFID读写器、无线通信模块和数据库服务器;其中,
所述待定位电子标签,用于采集待监测蜜蜂的活动数据;所述活动数据包括:待定位电子标签的对应于若干RFID读写器天线的场强值;其中,所述待定位电子标签对应于RFID读写器天线的场强值指的是RFID读写器接收到的待定位电子标签信号强度,随着距离的增加,信号强度会有所衰减;
所述RFID读写器天线,用于将待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据传递至RFID读写器;
所述RFID读写器,用于接收待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据;
所述无线通信模块,用于将RFID读写器接收的待监测蜜蜂的活动数据通过移动网络发送至数据库服务器;
所述数据库服务器,用于接收、识别、存储待监测蜜蜂的活动数据,并采用预先训练好的神经网络计算出待监测蜜蜂在蜂箱内的位置坐标,获得待监测蜜蜂的位置信息,进而得到待监测蜜蜂的位置数据,供用户调取和分析待监测蜜蜂的活动。
作为上述系统的改进之一,所述待定位电子标签固定在待监测蜜蜂的身上,用于接收待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据。具体地,所述待定位电子标签固定在待监测蜜蜂的背部,或所述待定位电子标签通过生物胶固定在待监测蜜蜂的身上。具体地,
通过待定位电子标签采集的活动数据,可以实时监控蜂王在分蜂时的出巢行为,避免蜂王带走部分蜂群而造成对蜂农的经济损失。另外,待定位电子标签与RFID读写器天线之间相互传输时钟、数据和能量。所述时钟,就是指待定位电子标签与RFID读写器的工作次序,本次使用的待定位电子标签是无源标签,需要RFID读写器首先唤醒该待定位电子标签;具体地,RFID读写器先发送一个时间戳,例如,201801171512,待定位电子标签接收到该时间戳之后,会在该时间戳后面加上一个蜜蜂的编号,例如,001,那么发回来给RFID读写器的数据就是时间戳+编号,即201801171512_001。所述数据,就是该待定位电子标签已经写上的待监测蜜蜂的编号,RFID读写器天线接收到的数据包括该待定位电子标签的编号以及待定位电子标签相应于RFID读写器天线的场强值;所述能量,本次使用的无源标签,就是待定位电子标签本身没有电源,其工作能量需由阅读器发射的电磁场来提供,可以理解为向待定位电子标签发射电磁波,待定位电子标签接收后再返回电磁波。
作为上述系统的改进之一,所述若干RFID读写器天线布设在蜂箱外部,用于采集待定位电子标签的场强值,并将待定位电子标签的场强值、待定位电子标签的位置坐标输入BP神经网络进行训练,获得训练好的BP神经网络。
作为上述系统的改进之一,所述若干RFID读写器天线与RFID读写器连接,且若干RFID读写器天线布设在蜂箱的底部或四角。所述RFID读写器,还用于将蜜蜂编号写入待定位电子标签中,并通过RFID读写器天线接收待监测蜜蜂的活动数据。
作为上述系统的改进之一,所述数据库服务器进一步包括:接收单元、识别单元和数据处理单元;其中,
所述接收单元,用于获取RFID读写器发送的待监测蜜蜂的活动数据;
识别单元,用于识别RFID读写器发送的待监测蜜蜂的活动数据;
数据处理单元,将RFID读写器发送的每个待定位电子标签的场强值输入到预先训练好的BP神经网络,计算出该待定位电子标签在蜂箱内部的位置,获得该待定位电子标签对应的位置坐标,得到粘贴有该待定位电子标签的待监测蜜蜂的位置信息,获得待监测蜜蜂的监测数据。
当携带有待定位电子标签的待监测蜜蜂接近RFID读写器天线时,RFID读写器会通过RFID读写器天线发出微波查询信号,待定位电子标签收到查询信号后,将该查询信号与待定位电子标签采集的活动数据信息合成一体反射回来,经RFID读写器读取出来,并将数据通过无线通信模块发送到数据库服务器,通过训练后的BP神经网络,计算待监测蜜蜂在蜂箱中所处的位置信息并存储,供用户调取和分析待监测蜜蜂的活动。
本发明的优点在于:
通过本发明的监测系统,可以利用RFID技术,系统地研究蜂王在蜂箱内部的发育行为、分蜂行为、防御行为等,可以对蜂王的活动时间和在蜂箱内的位置进行实时监控,对研究蜂王生活规律以及蜂群内在的生物学特性、疾病防控等具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统的数据传输示意图;
图2是本发明的一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统的待定位电子标签位于蜂箱内、以及RFID读写器位于蜂箱四周的结构示意图;
图3是本发明的一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统的待定位电子标签位于蜂箱内、以及RFID读写器位于蜂箱底部的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
在本实施例中,所述待监测蜜蜂为蜂王。如图1所示,本发明提出了一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,所述系统包括:若干待定位电子标签、若干RFID读写器天线、RFID读写器、无线通信模块和数据库服务器;其中,
所述待定位电子标签,用于采集待监测蜜蜂的活动数据;所述活动数据包括:待定位电子标签的对应于若干RFID读写器天线的场强值;其中,所述待定位电子标签对应于RFID读写器天线的场强值指的是RFID读写器接收到的待定位电子标签信号强度,随着距离的增加,信号强度会有所衰减;
所述RFID读写器天线,用于将待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据传递至RFID读写器;
所述RFID读写器,用于接收待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据;
所述无线通信模块,用于将RFID读写器接收的待监测蜜蜂的活动数据通过移动网络发送至数据库服务器;其中,移动网络具体为GPRS移动网络或无线WI-FI网络;
所述数据库服务器,用于接收、识别、存储待监测蜜蜂的活动数据,并采用预先训练好的神经网络计算出待监测蜜蜂在蜂箱内的位置坐标,获得待监测蜜蜂的位置信息,进而得到待监测蜜蜂的位置数据,供用户调取和分析待监测蜜蜂的活动。
作为上述系统的改进之一,所述待定位电子标签固定在待监测蜜蜂的身上,用于接收待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据。具体地,所述待定位电子标签固定在待监测蜜蜂的背部,或所述待定位电子标签通过生物胶固定在待监测蜜蜂的身上。具体地,
通过待定位电子标签采集的活动数据,可以实时监控蜂王在分蜂时的出巢行为,避免蜂王带走部分蜂群而造成对蜂农的经济损失。另外,待定位电子标签与RFID读写器天线之间相互传输时钟、数据和能量。所述时钟,就是指待定位电子标签与RFID读写器的工作次序,本次使用的待定位电子标签是无源标签,需要RFID读写器首先唤醒该待定位电子标签;具体地,RFID读写器先发送一个时间戳,例如,201801171512,待定位电子标签接收到该时间戳之后,会在该时间戳后面加上一个蜜蜂的编号,例如,001,那么发回来给RFID读写器的数据就是时间戳+编号,即201801171512_001。所述数据,就是该待定位电子标签已经写上的待监测蜜蜂的编号,RFID读写器天线接收到的数据包括该待定位电子标签的编号以及待定位电子标签相应于RFID读写器天线的场强值;所述能量,本次使用的无源标签,就是待定位电子标签本身没有电源,其工作能量需由阅读器发射的电磁场来提供,可以理解为向待定位电子标签发射电磁波,待定位电子标签接收后再返回电磁波。
作为上述系统的改进之一,所述若干RFID读写器天线布设在蜂箱外部,用于采集待定位电子标签的场强值,并将待定位电子标签的场强值、待定位电子标签的位置坐标输入BP神经网络进行训练,获得训练好的BP神经网络。
如图2和图3所示,蜂箱的尺寸为0.47m*0.37m;RFID读写器天线用于采集待定位电子标签的场强值,并将场强值通过无线通信模块发送到数据库服务器,数据库服务器将待定位电子标签的场强值、待定位电子标签的坐标位置输入BP神经网络进行训练,获得训练好的BP神经网络。其中,所述BP神经网络指的是反向误差传播神经网络,即BackPropagation神经网络。一个待定位电子标签对应的是若干个RFID读写器天线与蜂箱内坐标位置,如图2和图3所示,蜂箱周边有若干个RFID读写器天线,每一个RFID读写器天线都能监测到蜂箱内部某个待定位电子标签的场强值,使用测得的待定位电子标签的若干个场强值、待定位电子标签的坐标位置训练BP神经网络,获得待定位电子标签的场强值与坐标位置的对应关系,完成BP神经网络的训练。如果待监测蜜蜂的背部固定一个待定位电子标签,将该待定位电子标签的场强值输入至训练后的BP神经网络,就可以计算出该待定位电子标签在蜂箱内部的位置坐标。
具体地,由于RFID读写器天线是放置在蜂箱周边的,通过分布在蜂箱周边的RFID读写器天线来定位蜂箱内部的待监测蜜蜂的位置坐标,而RFID读写器是通过导线与RFID读写器天线连接。另外,所述BP神经网络指的是反向误差传播神经网络,即Back Propagation神经网络;一个待定位电子标签对应若干个RFID读写器天线到电子标签的场强值,根据图2和图3所示,每一个待定位电子标签会对应若干个场强值;蜂箱周边有若干根RFID读写器天线,每一根RFID读写器天线都能监测到蜂箱内部待定位电子标签的场强值,总共有若干个场强值;使用训练好的BP神经网络,获得场强值与坐标位置的对应关系,如果待监测蜜蜂的背部固定一个待定位电子标签,通过BP神经网络就可以计算出该待定位电子标签在蜂箱内部的位置。具体地,如果每个参考电子标签在蜂箱内的坐标都是已知的,则会有如下表格(其中,ai,j表示参考电子标签i的第j个场强值):
待定位电子标签位置 | 天线1场强值 | 天线2场强值 | …… | 天线m场强值 |
位置1(x<sub>1</sub>,y<sub>1</sub>) | a<sub>1,1</sub> | a<sub>1,2</sub> | …… | a<sub>1,m</sub> |
位置2(x<sub>2</sub>,y<sub>2</sub>) | a<sub>2,1</sub> | a<sub>2,2</sub> | …… | a<sub>2,m</sub> |
…… | …… | …… | …… | …… |
位置n(x<sub>n</sub>,y<sub>n</sub>) | a<sub>n,1</sub> | a<sub>n,2</sub> | …… | a<sub>n,m</sub> |
在上表中,若干组RFID读写器天线布置在蜂箱周边(四周或者底部),可以接收到蜂箱内部待定位电子标签的信号。以位置1为例,天线1接收到一个场强值a1,1,天线2接收到一个场强值a1,2,以此类推,天线m接收到一个场强值a1,m。这m个场强值对应于待定位电子标签1所在蜂箱内部位置,以此类推,形成一个矩阵;上表中每一行的m个场强值和待定位电子标签位置坐标都是对应的,如果把这m个场强值和待定位电子标签的位置坐标(x,y)输入到神经网络中进行训练,获得场强值和位置坐标之间的对应关系,进而建立一种非线性的复杂对应关系,完成BP神经网络的训练。在完成训练后,此时如果有新的m个场强值,将其输入至训练后的BP神经网络,计算新的m个场强值对应的待定位电子标签的位置坐标,获得新的待定位电子标签的位置。因为场强值虽然有计算公式,但是公式较为复杂,并且受到实际环境的影响较大,如果完全使用公式来计算,误差会比较大。因此,采用BP神经网络,就可以充分考虑现场的情况,能够根据现场的场强值和位置的对应关系,进而得到比较符合实际现场的位置坐标,减小误差。
以下是上面表格的公式表现形式,其中的x、y为电子标签的坐标,a为测量的场强值。将该矩阵输入到BP神经网络,即可完成训练。
作为上述系统的改进之一,所述若干RFID读写器天线与RFID读写器连接,且若干RFID读写器天线布设在蜂箱的底部或四角。所述RFID读写器,还用于将蜜蜂编号写入待定位电子标签中,并通过RFID读写器天线接收待监测蜜蜂的活动数据。
作为上述系统的改进之一,所述数据库服务器进一步包括:接收单元、识别单元和数据处理单元;其中,
所述接收单元,用于获取RFID读写器发送的待监测蜜蜂的活动数据;
识别单元,用于识别RFID读写器发送的待监测蜜蜂的活动数据;
数据处理单元,将RFID读写器发送的每个待定位电子标签的场强值输入到预先训练好的BP神经网络,计算出该待定位电子标签在蜂箱内部的位置,获得该待定位电子标签对应的位置坐标,得到粘贴有该待定位电子标签的待监测蜜蜂的位置信息,获得待监测蜜蜂的监测数据。
作为上述系统的改进之一,所述待定位电子标签采用13.56MHz,所述待定位电子标签通过昆虫胶固定在待监测蜜蜂的背部。通过待定位电子标签采集的活动数据可以实时监控蜂王在分蜂时的出巢行为,避免蜂王带走部分蜂群而造成对蜂农的经济损失。其中,在读取数据的时候,RFID读写器天线接收数据,待定位电子标签发送数据;在写数据的时候,RFID读写器天线发送数据,待定位电子标签接收数据。
当携带有待定位电子标签的待监测蜜蜂接近RFID读写器天线时,RFID读写器会通过RFID读写器天线发出微波查询信号,待定位电子标签收到查询信号后,将该查询信号与待定位电子标签采集的活动数据信息合成一体反射回来,经RFID读写器读取出来,并将数据通过无线通信模块发送到数据库服务器,通过训练后的BP神经网络,计算待监测蜜蜂在蜂箱中所处的位置信息并存储,供用户调取和分析待监测蜜蜂的活动。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其特征在于,所述系统包括:若干待定位电子标签、若干RFID读写器天线、RFID读写器、无线通信模块和数据库服务器;其中,
所述待定位电子标签,用于采集待监测蜜蜂的活动数据;所述活动数据包括:电子标签的对应于若干RFID读写器天线的场强值;
所述RFID读写器天线,用于将待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据传递至RFID读写器;
所述RFID读写器,用于接收待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据;
所述无线通信模块,用于将RFID读写器接收的待监测蜜蜂的活动数据通过移动网络发送至数据库服务器;
所述数据库服务器,用于接收、识别、存储待监测蜜蜂的活动数据,并采用预先训练好的神经网络计算出待监测蜜蜂在蜂箱内的位置坐标,获得待监测蜜蜂的位置信息,进而得到待监测蜜蜂的位置数据。
2.根据权利要求1所述的基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其特征在于:所述待定位电子标签固定在待监测蜜蜂的身上,用于接收待定位电子标签采集的待监测蜜蜂的活动数据。
3.根据权利要求2所述的基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其特征在于:所述待定位电子标签固定在待监测蜜蜂的背部。
4.根据权利要求2所述的基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其特征在于,所述待定位电子标签通过生物胶固定在待监测蜜蜂的身上。
5.根据权利要求1所述的基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其特征在于,
所述若干RFID读写器天线布设在蜂箱外部,用于采集待定位电子标签的场强值,并将待定位电子标签的场强值、待定位电子标签的位置坐标输入BP神经网络进行训练,获得训练好的BP神经网络。
6.根据权利要求5所述的基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其特征在于,
所述若干RFID读写器天线与RFID读写器连接,且若干RFID读写器天线布设在蜂箱的底部或四角。
7.根据权利要求1或5所述的基于RFID的蜜蜂动态远程监测系统,其特征在于,所述数据库服务器进一步包括:接收单元、识别单元和数据处理单元;其中,
所述接收单元,用于获取RFID读写器发送的待监测蜜蜂的活动数据;
所述识别单元,用于识别RFID读写器发送的待监测蜜蜂的活动数据;
所述数据处理单元,将RFID读写器发送的每个待定位电子标签的场强值输入到预先训练好的BP神经网络,计算出该待定位电子标签在蜂箱内部的位置,获得该待定位电子标签对应的位置坐标,得到粘贴有该待定位电子标签的待监测蜜蜂的位置信息,获得待监测蜜蜂的监测数据。
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