专利名称：基于无线射频识别的在线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)技术的在线检测储运粮食水分含量的装置及方法。
背景技术：
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，结合水不參加导电；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，导致粮食的过早发霉、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的在线检测粮食水分含量的装置和方法，利用埋于待测粮堆表面之下的有源电子标签，通过观测有源电子标签的响应情況，并通过相应计算，间接反映出粮堆水分含量。为了达到上述目的，本发明提供了一种基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的装置，包括读写器、有源电子标签、第一直线移动传感器、第二直线移动传感器、第三直线移动传感器、垂直导轨、滑块、水平连接杆、控制器、壳体及控制模块，其中所述读写器，其上安装有天线，与所述控制模块电气连接；所述读写器实时向所述控制模块发送信号，该信号携帯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；所述有源电子标签，与所述垂直导轨通过水平连接杆物理连接；所述天线的相位中心与所述有源电子标签的相位中心的连线，与粮堆的上水平表
面垂直；所述第一直线移动传感器、所述第二所述直线移动传感器分别固定于所述垂直导轨上，其中，所述第一直线移动传感器在所述垂直导轨上的高度和所述读写器的天线的相位中心的高度相同；所述第二直线移动传感器在所述垂直导轨上的高度与粮食水平表面的高度相同；所述第一直线移动传感器与所述第二直线移动传感器之间的距离用于标识所述读写器的天线与粮食水平表面之间的相对位置；所述滑块，嵌入于所述垂直导轨中，并与所述控制器连接，所述滑块能依所述控制器的指令在所述直线移动传感器下方沿所述垂直轨道自由滑动；所述第三直线移动传感器绑定于所述滑块，所述第三直线移动传感器与所述滑块同步；所述滑块通过所述水平连接杆带动所述有源电子标签同步上下移动，所述第三直线移动传感器和所述第二直线移动传感器之间的间距表征所述有源电子标签与粮食水平表面之间的间距；所述壳体用于存储待测粮堆，所述有源电子标签置于所述壳体内部粮堆的上表面之下；所述读写器、所述垂直导轨、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器、所述第三直线移动传感器、所述滑块、所述控制器及所述控制模块，均位于壳体外部；所述水平连接杆穿透所述壳体，使得所述壳体内部的有源电子标签与所述壳体外部的滑块联动；
所述控制模块，分别与所述控制器、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器连接；所述控制模块根据来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，得到当前读写器的天线与有源电子标签之间的距离，井根据该距离向所述控制器发送指令以控制所述滑块的移动；所述控制模块根据该来自所述读写器的信号携帯的信息从“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”之间互换时的读写器的天线与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，所述控制模块包括相互连接的中间件和上位机；所述上位机与所述控制器连接；所述中间件，分别与所述读写器、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器所述第三直线移动传感器连接，用于接收并处理所述读写器、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器上传的数据，并将处理后的数据传送至所述上位机。实施时，所述读写器为433MHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是433MHz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的在线检测粮食水分含量的方法，其基于上述的装置，包括以下步骤步骤I :读写器实时向控制模块发送信号，该信号携帯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2 :所述控制模块根据来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，向所述控制器发送指令以控制所述滑块的移动；步骤3:当该来自所述读写器的信号携帯的信息从“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，转向步骤4;步骤4 :所述控制模块根据当前来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，測量得到读写器的天线与有源电子标签之间的距离，所述控制模块根据该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4包括以下步骤步骤41，控制模块根据当前来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，測量得到读写器的天线与有源电子标签之间的距离，计算出当前粮层的介电常数し；步骤42，控制模块根据当前粮层介电常数e 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433MHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是433MHz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的在线检测粮食水分含量的装置和方法，可以在保证一定测试精度的同时，操作简便，井能在线给出测试结果，具有一定的经济效益。
图I是本发明所述的基于无线射频识别的在线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的在线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、超大規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、软件等方面都有了一定的发展。为了在线准确检测粮食水分，本发明给出一种基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的装置和方法，在保证测试精度的同时，操作简便，能够实时给出检测结果。特别是当前无线射频识别技术在粮库储运环节的大量应用，通用RFID系统检测粮食水分含量，不会额外増加大量设备成本。目前，国际上常用的 RFID 系统大多工作在 ISM(Industrial、Scientific and Medical)，433MHz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，该装置及方法通用性较强，有效地缩短了设计周期，具有较强的实际操作性。本发明提供了一种基于无线射频识别的在线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，同理，粮食的介电常数越大，则对应的水分含量越高。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I所示，本发明所述的基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的装置包括读写器I、有源电子标签2、直线移动传感器3、直线移动传感器4、直线移动传感器5、垂直导轨6、滑块7、水平连接杆8、控制器9、壳体12及控制模块，其中所述读写器1，其上安装有天线1-2，与所述控制模块电气连接；所述读写器I实时向所述控制模块发送信号，该信号携帯所述读写器I是否能接收到来自所述有源电子标签2的应答信号的信息；
所述有源电子标签2，与所述垂直导轨6通过水平连接杆8物理连接；所述天线1-2的相位中心与所述有源电子标签2的相位中心的连线，与粮堆的上水平表面垂直；所述直线移动传感器3、所述直线移动传感器4分别固定于所述垂直导轨6上的相应位置，其中，所述直线移动传感器3在所述垂直导轨6上的高度和所述读写器I的天线1-2的相位中心的高度相同；所述直线移动传感器4在所述垂直导轨6上的高度与粮食水平表面的高度相同；所述直线移动传感器3与所述直线移动传感器4之间的距离用于标识所述读写器I的天线1-2与粮食水平表面之间的相对位置dl ；
所述滑块7，嵌入于所述垂直导轨6中，并与所述控制器9连接，所述滑块7可依所述控制器9的指令在所述直线移动传感器4下方沿所述垂直轨道6自由滑动；所述直线移动传感器5绑定于所述滑块7，所述直线移动传感器5与所述滑块7同
I K
少;所述滑块7通过所述水平连接杆8带动所述有源电子标签2同步上下移动，所述直线移动传感器5和所述直线移动传感器4之间的间距表征所述有源电子标签2与粮食水平表面之间的间距d2 ；所述壳体12用于存储待测粮堆，其中有源电子标签2置于所述壳体12内部粮堆的上表面之下，为了便于操作，所述读写器I、所述天线1-2、所述垂直导轨6、所述直线移动传感器3、所述直线移动传感器4、所述直线移动传感器5、所述滑块7、所述控制器9及所述控制模块，均位于壳体12外部。水平连接杆8穿透壳体12，使得壳体12内部的有源电子标签2与壳体12外部的滑块7联动。所述控制模块，分别与所述控制器9、所述直线移动传感器3、所述直线移动传感器4和所述直线移动传感器5连接；所述控制模块根据来自所述直线移动传感器3、所述直线移动传感器4和所述直线移动传感器5的数据，得到当前读写器I的天线1-2与有源电子标签2之间的距离，所述控制模块根据该距离向所述控制器9发送指令以控制所述滑块7的移动；所述控制模块根据该来自所述读写器I的信号携帯的信息从“所述读写器I能接收到来自所述有源电子标签2的应答信号”与“所述读写器I不能接收到来自所述有源电子标签2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。根据ー种具体实施方式
，所述读写器I为433MHz频段RFID读写器，所述有源电子标签2是433MHz频段RFID有源电子标签。根据ー种具体实施方式
，所述控制模块包括相互连接的中间件10和上位机11 ；所述上位机11与所述控制器9连接；所述中间件10，分别与所述读写器I、所述直线移动传感器3、所述直线移动传感器4和所述直线移动传感器5连接，用于接收所述读写器I、所述直线移动传感器3、所述直线移动传感器4和所述直线移动传感器5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11根据该处理后的数据下发指令于控制器9，控制滑块7的移动，并把相关数据后传至数据库；所述上位机11，用于根据来自所述读写器I的信号以及来自所述直线移动传感器
3、所述直线移动传感器4和所述直线移动传感器5的数据，得到当前读写器I的天线1-2与有源电子标签2之间的距离，所述上位机11根据该距离向所述控制器9发出控制信号，所述控制器9根据该控制信号而控制所述滑块7移动，并所述上位机11根据该来自读写器I的信号携帯的信息从“所述读写器I能接收到来自所述有源电子标签2的应答信号”与“所述读写器I不能接收到来自所述有源电子标签2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。为了减弱检测装置对电磁环境的影响，所述垂直导轨6、所述滑块7、所述水平连接杆8等机械装置，采用低介电參数类材料制成，所述水平连接杆8长度至少为IOcm.。 本发明所述的基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的装置在测试之前，需要根据不同的粮食种类，在不同的状态下建立起标准的数据库，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。中间件10处理采集数据，计算出待测粮层的介电常数，并与数据库相应数据比较，找出相同介电常数对应的水分含量数值，并显示于上位机11。电磁波介质空间衰减(Ls)为
f47r /7)Ls = 20 Ig ——+ 20 Ig (/77) + 20 Ig / [MHz)
Kノ= -27.56 + IOlgfr +2Q\gd{m) + 2Q\gf (MHz)其中，h为介质相对介电常数，C为光速(3X108米/秒)，d(m)为介质中读写器I和有源电子标签2的垂直距离，f (MHz)为以MHz为单位的电磁波频率。对于f = 433MHz的电磁波，其自由空间衰减r L°s )为
f47r /7)ぺ=201g~+ 20\gd(m) + 20\gf(MHz)
< j= 20 Ig ——+ IOXgdl {m\ + 201g433
V c ノ= 25.17 + IQXgd^m)其中，Cl1 (m)为自由空间中读写器I与粮堆表面之间的垂直距离。而对于同频率的电磁波，于粮食介质空间时的衰减(Ls)为
(Ati /7)Ls = 20 Ig ——+ 20 Ig (W) + 20 lg/(M//z)
Vノ
(A7r^=20 Ig — +201gt/2(w) + 201g433 +IOlg^r
いノ
= 25.17 + 201g<i2 (w) + IOlgfr其中，d2(m)为自由空间中粮堆表面与有源电子标签2之间的垂直距离，e 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，完全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433MHz RFID系统，读写器发射功率设为Ptl = +IOdBm,接收灵敏度 P' =_110dBm。当有源电子标签2置于粮堆表面d2(m)深度处，假设有源电子标签2响应返回的电磁能量在Cl1 (m)处为已，则读写器收到响应信号，需满足以下条件Pr 彡 P'。
·
以し=8为例，若读写器I距离粮堆表面距离Cl1 (m) = 2m，有源电子标签2置于粮堆表面d2(m)深度，则可以推导出读写器I能读到有源电子标签2前提下的d2(m)的最大距离。假设有源电子标签2从接收到读写器I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AP = 3dB，则在最大可读距离d2(m)处P0=P' + 2* (L0s + Ls)+ AP可推出d2 = 0.45m。而当e ^ = 3时，同样条件下可得d2 = 0. 74m。若同等情形下，当有源电子标签置2于某仓储稻米表面d2 = 0. 5m时，读写器I接收不到有源电子标签2响应信号，则可由此推导出此仓储稻米的介电常数e r = 6. 55，继而推断出其水分含量约为8%。实际应用中，不同地区的粮食作物具有不同的測量基准值，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数据库，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。本发明提供了一种基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的方法，其基于上述的装置，包括以下步骤步骤I :读写器I实时向控制模块发送信号，该信号携帯所述读写器I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2 :所述控制模块根据来自所述第一直线移动传感器3、所述第二直线移动传感器4和所述第三直线移动传感器5的数据，向所述控制器9发送指令以控制所述滑块7的移动；步骤3 :当该来自所述读写器I的信号携帯的信息从“所述读写器I能接收到来自所述有源电子标签2的应答信号”与“所述读写器I不能接收到来自所述有源电子标签2的应答信号”之间互换时，转向步骤4;步骤4 :所述控制模块根据当前来自所述第一直线移动传感器3、所述第二直线移动传感器4和所述第三直线移动传感器5的数据，測量得到读写器I的天线与有源电子标签2之间的距离，所述控制模块根据该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。
根据ー种具体实施方式
，步骤4包括以下步骤步骤41，控制模块根据当前来自所述第一直线移动传感器3、所述第二直线移动传感器4和所述第三直线移动传感器5的数据，測量得到读写器I的天线1-2与有源电子标签2之间的距离，计算出当前粮层的介电常数し；步骤42，控制模块根据当前粮层介电常数e 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。根据ー种具体实施方式
，所述读写器I为433MHz频段RFID读写器，所述有源电子标签2是433MHz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系统在线检测粮食水分含量的方法，包括以下步骤步骤SI :水平固定读写器I的位置，直线位移传感器3置于垂直导轨6—端，并保 持与读写器I上的天线1-2水平；步骤S2 :水平固定直线位移传感器4于空气界面和粮食水平界面位置，直线位移传感器3和直线位移传感器4的间距记为Cl1 (m)；步骤S3 :把直线位移传感器5固定于滑块7上，滑块7与水平连接杆8 一端相接，水平连接杆8的另一端与有源电子标签2相接，直线位移传感器5与有源电子标签2处于同一水平面，直线位移传感器5、滑块7、水平连接杆8及有源电子标签2可沿垂直导轨6同步移动，直线位移传感器4和直线位移传感器5之间的距离记为d2(m)；步骤S4 :系统初始化，d2 (m)清零；步骤S5:启动读写器I;步骤S6 :判断有源电子标签2是否可读，若可读则转步骤S7，若不可读则转步骤S8 ；步骤S7 :上位机11控制控制器9以驱动滑块7带动有源电子标签2及直线位移传感器5同步沿垂直导轨6下移一歩,记录当前d2 (m)值,并转步骤S6 ；步骤S8 :保留当前d2(m)值，判断系统是否故障，若系统故障则转步骤S9，若非故障，则转步骤SlO ；步骤S9:系统报警；步骤SlO :由当前d2(m)值确定待测粮食介电常数e p并由上位机显示所测介电常数h及粮食水分含量。另外，本发明所述的基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的方法也可以用于检测其他介质中的水分含量，例如土壌、烟草等。以上所述实施例，只是本发明较优选的具体实施方式
的ー种，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。
权利要求
1.一种基于无线射频识别的在线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、第一直线移动传感器、第二直线移动传感器、第三直线移动传感器、垂直导轨、滑块、水平连接杆、控制器、壳体及控制模块，其中 所述读写器，其上安装有天线，与所述控制模块电气连接； 所述读写器实时向所述控制模块发送信号，该信号携帯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； 所述有源电子标签，与所述垂直导轨通过水平连接杆物理连接； 所述天线的相位中心与所述有源电子标签的相位中心的连线，与粮堆的上水平表面垂直； 所述第一直线移动传感器、所述第二所述直线移动传感器分别固定于所述垂直导轨上，其中， 所述第一直线移动传感器在所述垂直导轨上的高度和所述读写器的天线的相位中心的高度相同； 所述第二直线移动传感器在所述垂直导轨上的高度与粮食水平表面的高度相同； 所述第一直线移动传感器与所述第二直线移动传感器之间的距离用于标识所述读写器的天线与粮食水平表面之间的相对位置； 所述滑块，嵌入于所述垂直导轨中，并与所述控制器连接，所述滑块能依所述控制器的指令在所述直线移动传感器下方沿所述垂直轨道自由滑动； 所述第三直线移动传感器绑定于所述滑块，所述第三直线移动传感器与所述滑块同所述滑块通过所述水平连接杆带动所述有源电子标签同步上下移动，所述第三直线移动传感器和所述第二直线移动传感器之间的间距表征所述有源电子标签与粮食水平表面之间的间距； 所述壳体用于存储待测粮堆，所述有源电子标签置于所述壳体内部粮堆的上表面之下；所述读写器、所述垂直导轨、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器、所述第三直线移动传感器、所述滑块、所述控制器及所述控制模块，均位于壳体外部；所述水平连接杆穿透所述壳体，使得所述壳体内部的有源电子标签与所述壳体外部的滑块联动；所述控制模块，分别与所述控制器、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器连接； 所述控制模块根据来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，得到当前读写器的天线与有源电子标签之间的距离，所述控制模块根据该距离向所述控制器发送指令以控制所述滑块的移动； 所述控制模块根据该来自所述读写器的信号携帯的信息从“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”之间互换时的读写器的天线与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。
2.如权利要求I所述的基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的装置，其特征在于，所述控制模块包括相互连接的中间件和上位机； 所述上位机与所述控制器连接；所述中间件，分别与所述读写器、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器所述第三直线移动传感器连接，用于接收并处理所述读写器、所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器上传的数据，并将处理后的数据传送至所述上位机。
3.如权利要求2所述的基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的装置，其特征在于，所述读写器为433MHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是433MHz频段RFID有源电子标签。
4.一种基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的方法，其基于如权利要求I所述的装置，其特征在于，包括以下步骤 步骤I :读写器实时向控制模块发送信号，该信号携帯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2 :所述控制模块根据来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，向所述控制器发送指令以控制所述滑块的移动； 步骤3:当该来自所述读写器的信号携帯的信息从“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，转向步骤4; 步骤4 :所述控制模块根据当前来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，測量得到读写器的天线与有源电子标签之间的距离，所述控制模块根据该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。
5.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4包括以下步骤 步骤41，控制模块根据当前来自所述第一直线移动传感器、所述第二直线移动传感器和所述第三直线移动传感器的数据，測量得到读写器的天线与有源电子标签之间的距离，计算出当前粮层的介电常数 步骤42，控制模块根据当前粮层介电常数し，以及预先存储的校准回归曲线，得到当前粮层的水分含量。
6.如权利要求5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433MHz频段RFID读写器，所述有源电子标签是433MHz频段RFID有源电子标签。
全文摘要
本发明公开一种基于无线射频识别的在线检测粮食水分含量的装置和方法，该装置包括读写器、有源电子标签、第一直线移动传感器、第二直线移动传感器、第三直线移动传感器、垂直导轨、滑块、水平连接杆、控制器、壳体及控制模块。本发明所述的装置和方法利用埋于待测粮堆表面之下的有源电子标签，通过观测有源电子标签的响应情况，并通过相应计算，间接反映出粮堆水分含量。本发明可以在保证一定测试精度的同时，操作简便，并能在线给出测试结果，具有一定的经济效益。
文档编号G06K17/00GK102759546SQ20111010690
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者李其均, 王宏伟, 王晓华 申请人:航天信息股份有限公司