CN111707679A - 一种基于x波段的粮仓苞谷含水率检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于大型粮仓中，能够实现实时、在线、无损检测苞谷含水率的方法，克服了现有的多数检测方法存在随机取样，损坏苞谷品质等问题。本发明主要以大型粮仓为研究背景，苞谷含水率为研究对象，包括多个检测探头和显示模块。首先采集粮仓的基本图形信息，依据Smart3DCapture全自动三维建模系统绘制出模型图，导入到显示模块；接着将检测探头放置在粮仓的不同位置，获取粮仓不同位置处苞谷含水率对应的数据，并通过蓝牙模块传输到显示模块；在显示模块中的粮仓三维模型图中标记检测探头的位置和探头之间的距离；无线传输数据经过接收端中ARM单片机处理后显示相应的含水率大小；最后利用数据拟合和结合粮仓模型显示模块绘制出粮仓整体含水率分布图。
Description
技术领域
本发明涉及X波段即微波含水率检测方法，尤其针对大型粮仓苞谷的检测方法。
背景技术
粮食是国家经济发展和社会稳定的基石，是人类社会赖以生存和延续的物质基础，随着农业的发展，粮食出现剩余，逐渐由粮食的加工发展到粮食的贮藏，据不完全统计，粮食粮仓贮藏平均损失率为7.9％，高于发达国家损失水平，其中苞谷损失率最高，平均损失率为11％，苞谷是极其宝贵的粮食，需求排名仅次于水稻和小麦之后，由于苞谷的胚较大耐储性差，比水稻和小麦难保管，在苞谷贮藏过程中，水分含量高于安全贮藏水分，生物活性增强，引起苞谷发芽很容易霉变变质，过低则会对内部的有机结构有较大的损害，品质下降，直接导致种子活性偏低，发芽率低。
微波检测技术成为粮食含水率研究的热点，目前微波检测更多的应用于纸张、煤、铁矿的含水率的检测，粮食检测方面主要用于结构均匀，体积较小，堆积均匀的粮食，比如麦类、豆类、稻类，很少有用于苞谷等不规则形状的粮食的含水量的检测。
粮仓苞谷储存过程中，需要对含水率进行在线无损检测，同时对整个储存过程实行实时在线控制，因此研制实时在线，快速无损含水率检测方法是一项急待解决的科研问题，具有广阔的应用价值。
发明内容
给出本发明的简要概述，以便于提供关于本发明有些方面的基本理解，应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述，它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围，其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明是一种能够实时、在线、无损检测粮仓中苞谷水分的方法，以解决当今在粮食检测领域大多数检测仪器和方法检测时间长、检测有损粮食品质和不能在线检测等的缺点。
为实现上述目的，本发明提供一种基于X波段的粮仓中苞谷含水率的检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
(1)如图1所示，拍摄粮仓照片，使用Smart3DCapture生成粮仓模型图，并将模型图导入到显示装置；
(2)将多个检测探头放置在粮仓的不同位置，检测得到苞谷含水率对应的电压值经AD转换成对应的数字信号，通过蓝牙模块发送数据到接收端；
(3)在生成的粮仓模型图中标记检测探头的位置和相互之间的距离；
(4)将传输来的探头数值通过接收端中ARM拟合出苞谷含水率；
(5)计算出检测探头所处位置的含水率，通过粮仓中苞谷含水率随位置的变化趋势使用拟合算法计算出粮仓整体的含水率分布，在显示装置的粮仓模型中显示含水率的整体分布。
进一步地，所述步骤(1)拍摄粮仓照片，如图1，所示利用Smart3DCapture生成粮仓的三维模型图，并将三维模型图导入到显示装置的步骤如下：
①照片的拍摄：使用影像分辨率高、清晰度高的手机或者照相机在光照条件好的情况下进行拍摄，保证拍摄的照片色彩清晰、重叠度高；
②smart3D的建模：smart3D软件基本为全自动进行三维建模的软件，在拍摄照片满足上述要求情况下进行自动建模，生成粮仓的三维模型；
③3D模型图的导入：依据上述生成的粮仓的三维模型图的信息，对显示装置中的ARM进行编程，在显示屏幕上显示粮仓的三维模型。
进一步地，所述步骤(2)将多个检测探头放置在粮仓的不同位置，检测得到苞谷含水率对应的电压值经AD装换成对应的数字信号，通过蓝牙模块发送数据到接收端，取五个以上的检测探头放置在粮仓垂直方向的上部、中部、底部等间距的位置处，在底部的水平方向沿直线等间距放置三个检测探头，也可以增加检测探头的数量来提高检测的准确性，如图2所示，探头内部包括X波段的传感器，ADSTM32F103单片机和蓝牙模块，X波段的传感器接触苞谷，含水率不同传感器的电压数值不同，含水率越高传感器的电压数值越小，传感器测量的电压值经过STM32F103处理后装换为数字信号，通过蓝牙模块传输到接收端。
进一步地，所述步骤(3)在生成的粮仓模型图中标记检测探头的位置和相互之间的距离，在显示装置中标记出检测探头的位置和距离之间的关系可以根据含水率的变化特征为后续的粮仓整体水分分布图提供数据依据。
进一步地，所述步骤(4)将传输来的检测探头电压数值经过显示装置中ARM核中嵌入的数据拟合算法拟合出苞谷含水率，检测探头测得苞谷含水率的数值经过AD转换和STM32F103芯片的转换，再经过蓝牙的传输传输到显示装置，显示装置中内嵌FPGA的处理芯片将传输过来的数据进行处理，利用数据拟合出整体粮仓苞谷水分分布。
进一步地，所述步骤(5)计算出检测探头所处位置的含水率，通过粮仓中苞谷含水率随位置的变化趋势使用拟合算法计算出粮仓整体的含水率分布，在显示装置的粮仓模型中显示含水率的整体分布，通过COMSOL的粮仓内部苞谷含水率仿真得出粮仓内含水率的渐变规律，根据渐变规律构建数学模型，对比传统的拟合算法，找到合适的拟合算法并进行参数的修正，最后通过FPGA的处理，在三维粮仓模型图中绘制出粮仓苞谷含水率的整体分布图。
对于现在粮仓中大对数的粮食含水率检测装置，大多数均存在检测时间长，有损粮食品质和不能实现实时在线检测的缺点，本发明采用X波段的检测传感器，检测时间极短，且无损满足检测要求，更能适应现在粮仓粮食含水率实时在线、快速、无损检测的要求。
本发明与其他电阻、电容等粮仓粮食含水率检测装置相比，具有以下优点和效果，与传统的检测装置相比，具有检测时间短，实时在线和无损的优点，相较于X波段的粮仓苞谷含水率检测装置，本发明涉及到X波段传感器的选择，粮仓模型的搭建，STM32F103和FPGA数据的处理，蓝牙数据的传输，可快速检测苞谷含水率，通过数学拟合算法能够推算出粮仓整体的水分分布，可以在数据实时检测的基础上，预测粮仓在一段时间内的苞谷含水率的变化，实现对粮仓苞谷含水率预测，能够及时去除掉不在安全水分范围内的苞谷，减少经济的损失。
附图说明
本发明可以结合附图所给出的描述进行更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明仪器包含在本发明中，从而形成了本说明书的一部分，以此来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。
在附图中：
图1为粮仓苞谷含水率检测中检测探头和显示装置的结构图；
图2为本发明实现使用Smart3DCapture实现粮仓三维模型建立的流程图。
本领域技术人员应当理解，附图仅仅是为了简答和清楚起见而示意性给出的，而不用于对本发明的技术方案进行限制。
工作原理在下文中结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明提供了一种适合在大型粮仓中，能够实现实时、在线、无损检测苞谷含水率的方法，克服了现有的多数检测方法及设备取样检测，损坏苞米品质等问题；本发明主要以大型粮仓为研究背景，苞谷含水率为研究对象，包括多个检测探头和显示装置；首先采集粮仓的基本图形信息，依据Smart3DCapture全自动三维建模系统绘制出模型图，并导入到显示装置；接着将检测探头放置在粮仓的不同位置，获取粮仓不同位置处苞谷含水率对应的数字信号大小，并通过蓝牙模块传输到显示装置；在显示装置中的粮仓模型图中标记检测探头的位置和探头之间的距离；蓝牙传输数据经过接收端中ARM单片机处理后显示相应的含水率大小；最后利用线性拟合和结合粮仓模型显示装置绘制出粮仓整体含水率分布图。
结合图一的装置结构图详细叙述基于X波段的粮仓苞谷含水率检测方法中最重要的硬件各部分的名称及其工作流程：
如图1所示，左半部分为苞谷含水率检测方法中使用的检测装置，分为探头部分和接收端；
探头检测粮仓中苞谷的含水率，经过STM32单片机处理后转换为数字信号，后进过接收端的收集、处理、拟合然后通过接收端的的显示屏显示粮仓苞谷整体含水率的分布；
右半部分为探头和接收端的详细内部结构，探头采用铁质材料的圆筒状设计，方便放入粮仓中，与粮仓苞谷接触探头面采用氧化铝陶瓷覆盖，探头内部包括X波段传感器、STM32单片机、电池、蓝牙模块、若干固定架、定位环等；接收端采用铁质材料制作，内部包括显示屏、FPGA单片机、按键若干(功能按键，电源开关)。
工作原理：
1.头放置在粮仓合适位置，探测苞谷的含水率，将探头传来的电压信号经过STM32单片机进行AD转换以后转换为数字信号；电池提供单片机的蓝牙的工作电压；
2.块传输来的数字信号传给接收端，经过接收端内部FPGA单片机的处理和数据拟合，后在显示屏上的粮仓三维模型中显示粮仓苞谷含水率的整体分布。
Claims (6)
1.一种基于X波段的粮仓苞谷含水率检测方法，其特征在于所述方法检测含水率包括如下步骤；
拍摄粮仓照片，使用Smart3DCapture生成粮仓模型图，并将模型图导入到显示装置；
将多个检测探头放置在粮仓的不同位置，检测得到苞谷含水率对应的电压值经AD转换成对应的数字信号，通过蓝牙模块发送数据到接收端；
在生成的粮仓模型图中标记检测探头的位置和相互之间的距离；
将传输来的探头数值通过接收端中ARM拟合出苞谷含水率；
计算出检测探头所处位置的含水率，通过粮仓中苞谷含水率随位置的变化趋势使用拟合算法计算出粮仓整体的含水率分布，在显示装置的粮仓模型中显示含水率的整体分布。
2.根据权利要求书1所述的一种基于X波段的粮仓苞谷含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤(1)拍摄粮仓照片，利用Smart3DCapture生成粮仓的三维模型图，并将三维模型图导入到显示装置的步骤如下：
①照片的拍摄：使用影像分辨率高、清晰度高的手机或者照相机在光照条件好的情况下进行拍摄，保证拍摄的照片色彩清晰、重叠度高；
②smart3D的建模：smart3D软件基本为全自动进行三维建模的软件，在拍摄照片满足上述要求情况下进行自动建模，生成粮仓的三维模型；
③3D模型图的导入：依据上述生成的粮仓的三维模型图的信息，对显示装置中的ARM进行编程，在显示屏幕上显示粮仓的三维模型。
3.根据权利要求书1所述的基于X波段的粮仓苞谷含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤(2)将多个检测探头放置在粮仓的不同位置，检测得到苞谷含水率对应的电压值经AD装换成对应的数字信号，通过蓝牙模块发送数据到接收端，取五个以上的检测探头放置在粮仓垂直方向的上部、中部、底部等间距的位置处，在底部的水平方向沿直线等间距放置三个检测探头，也可以增加检测探头的数量来提高检测的准确性，探头内部包括X波段的传感器，ADSTM32F103单片机和CC2541模块,X波段的传感器接触苞谷，含水率不同传感器的电压数值不同，含水率越高传感器的电压数值越小，传感器测量的电压值经过STM32F103处理后装换为数字信号，通过蓝牙模块传输到接收端。
4.根据权利要求书1所述的基于X波段的粮仓苞谷含水率的检测装置，其特征在于，所述步骤(3)在生成的粮仓模型图中标记检测探头的位置和相互之间的距离，在显示装置中标记出检测探头的位置和距离之间的关系可以根据含水率的变化特征为后续的粮仓整体水分分布图提供数据依据。
5.根据权利要求书1所述的基于X波段的粮仓苞谷含水率的检测装置，其特征在于，所述步骤(4)将传输来的探头数值通过接收端中ARM拟合出苞谷含水率，检测探头测得苞谷含水率的数值经过STM32F103芯片的转换成数字信号，在经过蓝牙的传输传输到显示装置的接收端，显示装置中内嵌FPGA的处理芯片将传输过来的数据进行处理，拟合出检测探头苞谷含水率分布。
6.根据权利要求书1所述的基于X波段的粮仓苞谷含水率的检测装置，其特征在于，所述步骤(5)计算出检测探头所处位置的含水率，通过粮仓中苞谷含水率随位置的变化趋势使用拟合算法计算出粮仓整体的含水率分布，在显示装置的粮仓模型中显示含水率的整体分布，通过COMSOL的粮仓内部苞谷含水率仿真得出粮仓内含水率的渐变规律，根据渐变规律构建数学模型，对比传统的拟合算法，找到合适的拟合算法并进行参数的修正，最后通过FPGA的处理，在三维粮仓模型图中绘制出粮仓苞谷含水率的整体分布图。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200925 |