CN114778608A - 一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法 - Google Patents

一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法。阻抗分析式柔性射频传感器标签包括LCR传感器模块、阻抗测量模块、高频RFID收发模块和微控制器模块；检测方法包括以下步骤，步骤一：将柔性射频传感器标签粘贴在乳品容器上；步骤二：采用具有NFC功能的终端设备靠近检测标签并发射高频射频信号；步骤三：标签初始化；步骤四：阻抗测量模块将阻抗数据和温度数据发送给微控制器模块；步骤五：微控制器模块对接收的数据进行补偿计算和分析，得到检测结果并将检测结果发送给终端设备；步骤六：终端设备显示检测结果。本发明中的方法实现了低成本、非接触、快速、卫生、便捷的检测，能够避免待测乳品样本的浪费问题，应用场景丰富。

Description

一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测 方法
技术领域
本发明属于质量检测技术领域，尤其涉及一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，盒装液态乳品已经成为人们生活中不可缺少的必要消费品。液态乳品所含营养物质易被人体所吸收，且含有提高人体免疫力的多种抗体。乳品具有一定的保质期，宜在保质期内食用，超出保质期时乳品变质、不再适合食用。因此，对乳品的品质进行检测是保证乳品在变质时不再继续销售以及不被食用的重要保障活动。《乳品安全国家标准》中规定蛋白质含量标准为每100克含量2.8克以上，每毫升牛奶中的菌落总数200万个以下。菌群总量增加加大了乳品的安全风险。牛奶中的微生物主要为细菌、酵母菌、霉菌、立克次氏体和病毒，其中细菌最为常见，并在数量和种类上占据优势。乳品在储存中污染了微生物或存放条件不当以及存放时间过长等因素都会使微生物迅速繁殖，造成乳品变质。
乳品变质的检测可通过分析其中的微生物含量来判断，目前应用较广泛的快速检测方法主要包括免疫分析法、聚合酶链式反应法、生物荧光法、流式细胞计数法和电化学阻抗法等。以上微生物检测方法存在普遍问题包括：1)检测过程通常时间较长，导致时间成本高；2)仪器设备昂贵、笨重，不适合普通家庭场合使用；3)检测过的牛奶无法继续饮用，造成了待测样本的浪费问题。
开发设计一种低成本、非接触式的乳品品质检测方法是解决前述技术问题的方向之一，通过非接触式的测量手段实现对乳品品质的快速、卫生、便捷的检测与分析，既可用于工业应用场景又方便家庭或个人实施，具有很好的实际应用价值。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法，对乳品品质进行低成本、非接触、快速、卫生、便捷的检测，同时能够避免接触式检测造成的待测乳品样本浪费问题。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法，阻抗分析式柔性射频传感器标签包括LCR传感器模块、阻抗测量模块、高频RFID收发模块和微控制器模块；检测方法包括以下步骤，步骤一：将柔性射频传感器标签粘贴在乳品容器上；步骤二：采用具有NFC功能的终端设备靠近检测标签并发射高频射频信号；检测标签的高频RFID收发模块接收射频信号的能量并为阻抗测量模块和微控制器模块供电；步骤三：微控制器模块初始化并且指令阻抗测量模块和高频RFID收发模块进行初始化配置；步骤四：阻抗测量模块测量LCR传感器模块的阻抗值，并将阻抗数据和温度数据发送给微控制器模块；步骤五：微控制器模块对接收的阻抗数据和温度数据进行补偿计算和分析，得到乳品变质的检测结果，并将检测结果通过高频RFID收发模块发送给终端设备；步骤六：终端设备通过已有的文本软件显示接收到的检测结果。
优选地：LCR传感器模块由平面线圈电感、叉指电极电容和电阻构成或者由平面线圈电感、平面并行双极板电容和电阻构成；阻抗测量模块包括内置温度传感器的低功耗阻抗测量芯片，阻抗测量芯片选取为阻抗转换器；高频RFID收发模块包括高频RFID芯片、匹配电路和高频RFID天线，高频RFID天线通过匹配电路与高频RFID芯片连接，还包括整流稳压电路，高频RFID天线与整流稳压电路的输入端连接，整流稳压电路的输出端与阻抗测量模块和微控制器模块的电源输入端连接；微控制器模块包括超低功耗控制器，阻抗测量芯片和高频RFID芯片和与超低功耗微控制器连接。
优选地：步骤二和步骤五中的终端设备为NFC智能手机。
优选地：步骤五中微控制器模块完成数据计算和分析后检测高频RFID芯片是否空闲，若非空闲则继续等待高频RFID收发模块完成射频读写操作，若空闲则关闭高频RFID芯片的射频读写功能并将计算和分析数据更新到高频RFID芯片的数据存储器中。
本发明的优点和积极效果是：
本发明提供了一种低成本、快速、卫生、便捷的基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法，与现有的接触式乳品品质检测方法相比，本检测方法将容器内的待测乳品作为电介质，通过对标签中LCR传感器模块的阻抗值进行测量和分析来计算分析乳品品质情况，因此是一种非接触的测量方式，简化了乳品品质检测的操作负担、减少检测时间，同时能够避免待测乳品样本的浪费问题，方便普通大众用户(家庭和个人)日常使用，也十分适用于工业场景中，因此本检测方法的应用场景丰富。检测标签设置有高频RFID收发模块，因此实现了获取外置高频射频输入能量作为检测标签电源的技术效果，因此本检测方法中的检测标签无需频繁更换电池、使用寿命长，因此本检测方法是一种长效的乳品变质情况检测方法。
附图说明
图1是本发明的检测方法流程图；
图2是本发明中柔性射频传感器标签的结构示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明。
本发明中的检测乳品变质的方法基于阻抗分析式柔性射频传感器标签实现，柔性射频传感器标签粘贴在乳品容器上，检测时采用外置终端设备进行操作，检测标签将检测数据发送给终端设备，终端设备显示乳品变质的检测结论。
请参见图2，阻抗分析式柔性射频传感器标签包括LCR传感器模块、阻抗测量模块、高频RFID收发模块和微控制器模块，各模块均设置在一片PET柔性基层上(标签基层上)，构成了能够灵活弯曲、粘贴使用的柔性标签，同时是一种轻量化、小型化、集成化的检测标签。
该柔性射频传感器标签的检测原理是：将容器内的待测乳品作为电介质，当待测乳品的品质发生变化时，乳品的成分发生特定变化，因而导电介电特性就发生了变化，进而导致标签所在的电磁场环境发生变化，通过检测测量电磁场环境的变化来检测乳品的导电介电特性变化，进而判断乳品品质的变化情况。在将本检测标签应用于特定的乳品类型之前，应通过实验方式获取乳品变质情况与导电介电特性变化情况及电磁场环境变化情况之间的对应关系数据，称之为标定。当获取得到电磁场环境值时，通过与标定数据进行比对，得到乳品变质的情况。
值得说明的是，前述标定数据与容器的类型相关，当更换乳品容器的类型时，容器的材质和壁厚通常会发生变化，因此本检测标签应用于不同类型的乳品容器时通常需要单独进行标定，完成标定后在本类型的乳品容器上可批量应用。
LCR传感器模块通过电磁场感受待测乳品导电介电特性的变化。如前所述，在将本检测标签应用于特定的乳品类型之前，应通过实验方式获取乳品变质变化情况与自身导电介电特性变化情况之间的对应关系数据库，生成曲线，待测乳品的导电介电特性变化时，LCR传感器模块在电磁场环境中的阻抗特性发生变化，因而前述对应关系数据中应进一步将LCR传感器模块的阻抗特性数据与乳品品质的变化数据相关联。
LCR传感器模块由平面线圈电感、叉指电极电容和电阻构成或者由平面线圈电感、平面并行双极板电容和电阻构成。在结构上，LCR传感器模块由外向内依次包括传感器屏蔽层传感器导磁材料层和传感器电路层，在相邻的两层之间以及传感器电路层的外侧均设有传感器粘胶层；由电感、电容和电阻构成的电路位于传感器电路层。
传感器屏蔽层为60um厚度的铜箔材料，其主要作用是避免检测标签的容器外一侧的环境电磁场的变化对检测过程产生干扰，提高测量精度。传感器导磁材料层的作用是使LCR传感器模块产生磁场形成回路，增强磁场强度和检测的灵敏度。传感器电路层为LCR电路，其电容电感为电容极板，由35um厚度的PCB铜箔构成，产生电磁场作用于待测乳品样本，通过阻抗测量感受和分析待测乳品变质的情况，传感器电路层制作在一块PET柔性基层的材料PCB上。传感器粘胶层将传感器屏蔽层、传感器导磁材料层和传感器电路层粘连在一起，并起到向容器壁上进行粘贴的作用。
具有温度检测功能的阻抗测量模块用于检测LCR传感器模块的阻抗特性并将测得的阻抗特性进行模数转换，提供阻抗测量数据和温度数据；其中，温度数据用于对阻抗测量数据进行补偿计算使用，提升阻抗测量的准确性。
阻抗测量模块包括内置温度传感器的低功耗阻抗测量芯片，阻抗测量芯片选取为阻抗转换器及其***配置。阻抗测量芯片选取为12位阻抗转换器，是一种具有250kHz的采样率，内嵌温度传感器的低功耗器件，在低至2.7v电压供电情况下能够正常工作，可实现10kΩ～10MΩ阻抗的直接测量。
LCR传感器模块与阻抗测量模块连接，两者构成了阻抗分析仪结构，并且与阻抗分析仪的工作原理相同。阻抗测量模块的阻抗测量芯片控制LCR传感器模块发送信号并接收信号，之后根据接收到的信号对LCR传感器模块进行阻抗测量。
高频RFID收发模块接收外置的高频射频能量输入(NFC智能手机产生的高频信号)并向其它模块供应电源，同时向外置接收器(NFC智能手机)发送检测数据。
高频RFID收发模块包括高频RFID芯片、匹配电路和高频RFID天线，高频RFID芯片与微控制器模块的超低功耗微控制器连接，高频RFID天线通过匹配电路与高频RFID芯片连接；还包括整流稳压电路，高频RFID天线与整流稳压电路的输入端连接，整流稳压电路的输出端与阻抗测量模块和微控制器模块的电源输入端连接。结构上，高频RFID收发模块由外向内依次包括绝缘层、射频电路层、射频导磁材料层和射频屏蔽层，在相邻两层之间以及射频屏蔽层的外侧设有射频粘胶层；高频RFID芯片、匹配电路、高频RFID天线和整流稳压电路位于射频电路层内。
高频RFID收发模块由13.56MHz的高频RFID天线、匹配电路、RF-DC型整流稳压电路、高频RFID芯片组成。其中，高频RFID天线和匹配电路通过与读写器的天线磁场(NFC智能手机)谐振耦合产生感应交流电压，同时用于完成射频信号的发送与接收。匹配电路是用于达到高频RFID天线和高频RFID芯片内部阻抗的共轭匹配，达到最高无线能量传输效率。RF-DC型整流电路将所产生交流电信号变换为直流电压，为阻抗检测模块和微控制器模块供电。高频RFID天线用来接收NFC智能手机无线供电并进行无线通信数据的收发，高频RFID天线采用方形线圈单层电路。
高频RFID芯片为微控制器模块的可读写操作集成电路，与微控制器模块完成功能配置和数据交互，最终通过负载调制实现与读写器(NFC智能手机)之间通过射频信号进行数据传输的功能。高频RFID芯片的数据通信采用NFC NDEF格式，将检测结果编码并存储在NDEF存储器中，支持NFC功能的智能手机获取信息后解析出检测数据，之后生成乳品变质情况的结论。
微控制器模块与阻抗测量模块和高频RFID收发模块连接，接收阻抗测量模块发送的阻抗测量数据和温度数据并进行温度补偿计算，控制高频RFID收发模块向接收器(NFC智能手机)发送数据。
微控制器模块设有I2C串行通信总线，阻抗测量模块的阻抗测量芯片和高频RFID收发模块的高频RFID芯片通过I2C串行通信总线与微控制器模块的超低功耗微控制器通信连接。
微控制器模块选取超低功耗、小型化、具有I2C串行通信总线的微控制器，通过I2C串行总线配置阻抗检测模块并采集转换数据，通过I2C串行总线配置高频RFID芯片并控制其功能逻辑、通过温度传感器对测得阻抗值进行温度补偿并将其更新到高频RFID芯片存储器中，最后使能高频RFID收发模块的NFC读写功能完成射频读写操作。微控制器模块作为主控模块完成功能模块功能配置，完成LCR传感器模块的阻抗实部、虚部的测量分析与温度数据的读取、对测量数据进行温度补偿及其在高频RFID芯片存储器中的更新，控制高频RFID收发模块的逻辑功能。
请参见图1中给出的方法流程图，可以看出：
检测方法包括以下步骤，
步骤一：将柔性射频传感器标签粘贴在乳品容器上；
对于标准化的乳品产品而言，柔性射频传感器标签可以出厂时即设置在乳品容器上并随着乳品产品一起流通；对于家庭和个人的应用场景而言，柔性射频传感器标签可以采购后粘贴在乳品包装上使用。
步骤二：采用具有NFC功能的终端设备靠近检测标签并发射高频射频信号；检测标签的高频RFID收发模块接收射频信号的能量并为阻抗测量模块和微控制器模块供电；
本步骤中的终端设备为NFC智能手机。
步骤三：微控制器模块初始化并且指令阻抗测量模块和高频RFID收发模块进行初始化配置；本步骤中进行超低功耗微处理器的初始化配置、阻抗测量模块的阻抗测量芯片初始化配置以及高频RFID收发模块的高频RFID芯片初始化配置。
步骤四：阻抗测量模块测量LCR传感器模块的阻抗值，并将阻抗数据和温度数据发送给微控制器模块；
具体地，阻抗测量模块控制LCR传感器模块主动发射信号(在待测乳品内产生电磁场)和接收信号(待测乳品与电磁场作用后电磁场发生变化，LCR传感器模块感受这个电磁场的变化而表现出相应的阻抗特性)，阻抗测量模块测量LCR传感器模块的阻抗特定并同时提供温度值。
本步骤中，阻抗测量模块的阻抗测量芯片完成LCR传感器模块的阻抗实部、虚部的测量分析操作，阻抗测量芯片自身的温度传感器测量得到待测乳品的温度数据，温度数据用于进行补偿计算使用，提升准确性。
步骤五：微控制器模块对接收的阻抗数据和温度数据进行补偿计算和分析，得到乳品变质的检测结果，并将检测结果通过高频RFID收发模块发送给终端设备；
本步骤中的终端设备同步骤二中的NFC智能手机，超低功耗微控制器进行阻抗数据的前置补偿计算以及分析工作。
在微控制器模块内预置有数据库，存储有标定数据，微控制器模块对阻抗数据进行补偿计算并将计算结果与标定数据进行分析比对，完成对乳品变质结果的分析工作，即得到乳品变质的检测结果。
本步骤中，微控制器模块的超低功耗微控制器完成数据计算和分析后检测高频RFID芯片是否空闲，若非空闲则继续等待高频RFID收发模块完成射频读写操作，若空闲则关闭高频RFID芯片的射频读写功能并将计算和分析数据更新到高频RFID芯片的数据存储器中。高频RFID芯片的数据通信采用NFC NDEF格式，将检测结果编码并存储在芯片的NDEF存储器中。
步骤六：终端设备通过已有的文本软件显示接收到的检测结果。
在本步骤中，NFC智能手机关联已有的文本编辑软件(如记事本)直接显示检测结果。
本发明中采用了由检测标签完成乳品品质的计算分析工作并直接由NFC智能手机的文本编辑软件进行检测结果显示的处理方式，其优点是：用户无需在NFC智能手机上安装额外的管理APP，NFC智能手机只需要获取检测结果并进行显示即可。
另一种可以想到的处理方式为：
由检测标签完成数据的前置计算分析工作(主要指阻抗数据的温度补偿计算)，在NFC智能手机上安装管理APP，将标定数据库内置在管理APP中，检测标签将前置计算分析数据发送给NFC智能手机，由NFC智能手机的管理APP完成数据的进一步分析比对工作，管理APP完成数据的分析比对工作后，将乳品变质的检测结果在软件界面上进行显示。

Claims (4)

1.一种基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法，其特征是：阻抗分析式柔性射频传感器标签包括LCR传感器模块、阻抗测量模块、高频RFID收发模块和微控制器模块；检测方法包括以下步骤，
步骤一：将柔性射频传感器标签粘贴在乳品容器上；
步骤二：采用具有NFC功能的终端设备靠近检测标签并发射高频射频信号；检测标签的高频RFID收发模块接收射频信号的能量并为阻抗测量模块和微控制器模块供电；
步骤三：微控制器模块初始化并且指令阻抗测量模块和高频RFID收发模块进行初始化配置；
步骤四：阻抗测量模块测量LCR传感器模块的阻抗值，并将阻抗数据和温度数据发送给微控制器模块；
步骤五：微控制器模块对接收的阻抗数据和温度数据进行补偿计算和分析，得到乳品变质的检测结果，并将检测结果通过高频RFID收发模块发送给终端设备；
步骤六：终端设备通过已有的文本软件显示接收到的检测结果。
2.如权利要求1所述的基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法，其特征是：LCR传感器模块由平面线圈电感、叉指电极电容和电阻构成或者由平面线圈电感、平面并行双极板电容和电阻构成；阻抗测量模块包括内置温度传感器的低功耗阻抗测量芯片，阻抗测量芯片选取为阻抗转换器；高频RFID收发模块包括高频RFID芯片、匹配电路和高频RFID天线，高频RFID天线通过匹配电路与高频RFID芯片连接，还包括整流稳压电路，高频RFID天线与整流稳压电路的输入端连接，整流稳压电路的输出端与阻抗测量模块和微控制器模块的电源输入端连接；微控制器模块包括超低功耗控制器，阻抗测量芯片和高频RFID芯片和与超低功耗微控制器连接。
3.如权利要求2所述的基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法，其特征是：步骤二和步骤五中的终端设备为NFC智能手机。
4.如权利要求3所述的基于阻抗分析式柔性射频传感器标签的乳品变质检测方法，其特征是：步骤五中微控制器模块完成数据计算和分析后检测高频RFID芯片是否空闲，若非空闲则继续等待高频RFID收发模块完成射频读写操作，若空闲则关闭高频RFID芯片的射频读写功能并将计算和分析数据更新到高频RFID芯片的数据存储器中。
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