CN116106334B - 基于rfid的物品含水率无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于RFID的物品含水率无损检测方法,包括以下步骤:S1、将电子标签贴合在待检测物品表面,并将信号读写器布置在电子标签的上方;S2、信号读写器的发射天线向电子标签发送射频信号并将电子标签激活,同时信号读写器的接收天线实时接收电子标签通过内置天线反向散射的信号;S3、信号读写器将接收到的信号向信号处理器处传递。本发明利用不同含水率对反向散射信号的影响,在待检测物品上布置电子标签,通过信号处理器处理反射信息,并传给含水率显示器,根据编号显示待检测物品的实时含水率曲线;该方法整体精确稳定,能有效监控待检测物品的实时含水率,造价低实用性高,从而可以满足人工检测含水率应用的需求。
Description
技术领域
本发明涉及物联网应用技术领域,具体为基于RFID的物品含水率无损检测方法。
背景技术
随着物联网技术的不断发展,许多依赖于人工的复杂工作可以通过物联网技术实现智能检测,从而提高检测效率和准确性。目前国内水分检测技术一般分成两类,一类为有损水分检测,另一类为无损水分检测。
有损水分检测,如定温定时烘干法,双烘法等,在使用有损水分检测时,虽精度高,测量范围宽,但由于检测时间长,时效性较差,且破坏测试物自身,不适用需要快速在线检测的应用场景下使用;无损水分检测,目前有射线法,微波吸收法等,在使用无损水分检测方法时,检测速度快,灵敏度高,并且不破坏测试物本身,但这类方法所用仪器复杂,价格昂贵,限制应用的普及性;
上述两类方法因上述多种缺点都不能很好地满足人工检测含水率应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供基于RFID的物品含水率无损检测方法,以解决不能很好地满足人工检测含水率应用需求的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:包括以下步骤:
S1、将电子标签贴合在待检测物品表面,并将信号读写器布置在电子标签的上方;
S2、信号读写器的发射天线向电子标签发送射频信号并将电子标签激活,同时信号读写器的接收天线实时接收电子标签通过内置天线反向散射的信号;
S3、信号读写器将接收到的信号向信号处理器处传递,且信号处理器对接收到的信号进行预处理,并获取实时信号值;
S4、计算步骤S3获得的实时信号值与初始信号值的相位改变量,并将其相位改变量带入含水率拟合模型公式中获取实时含水率,其中含水率拟合模型公式如下所示:,式中:在固定射频信号频率时A,B和C为常数,/>为信号值相位改变量;
S5、根据步骤S4计算的含水率构建待检测物品含水率变化曲线,并在含水率显示器上实时显示各个待检测物品实时含水率曲线图。
优选的,所述步骤S3中信号处理器对接收到的信号进行预处理,其具体包括以下步骤:
S21、信号处理器获取信号读写器传递的信号值以及对应物品的编号,并获取预设时间内的信号平均值,利用滤波器剔除异常值,并对异常值剔除后缺失的信号值进行插值处理保证获取信息量的变化一致性;
S22、对步骤S21处理后的信号值进行实时滤波,通过高斯滤波进行线性平滑处理实现去噪,降低高频噪声的干扰。
优选的,所述步骤S5中含水率变化曲线采用logistics曲线拟合。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的一种基于RFID的待检测物品含水率无损检测方法,利用不同含水率对反向散射信号的影响,在待检测物品上布置电子标签,通过信号处理器处理反射信息,并传给含水率显示器,含水率显示器根据编号显示每一个待检测物品的实时含水率曲线;该方法整体精确稳定,能有效监控待检测物品的实时含水率,从而减轻人工检测含水率应用需求;
本发明相比于现有的破坏性水分检测类型来说,无疑检测时间更短,同时可实现低功耗在线实时检测,可实现多物品测量,测量范围较宽,还不会对待检测物品造成破坏;
本发明相比于现有的非破坏性水分检测,使用便捷易懂,且造价便宜,适合大范围推广,实用性高。
附图说明
图1为本发明基于RFID的物品含水率无损检测方法整体结构示意图;
图2为本发明信号值相对改变量与含水率拟合模型的曲线图。
图中:1、信号读写器; 2、电子标签; 3、待检测物品; 4、信号处理器; 5、含水率显示器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2,本发明提供一种技术方案:包括以下步骤:
S1、将电子标签2贴合在待检测物品3表面,并将信号读写器1布置在电子标签2的上方;
S2、信号读写器1的发射天线向电子标签2发送射频信号并将电子标签2激活,电子标签2激活后会通过内置天线反向散射信号,同时信号读写器1的接收天线实时接收电子标签2通过内置天线反向散射的信号,由于物品含水率将影响其介电常数,进而导致附着于物品表面的电子标签2的天线阻抗与芯片阻抗的匹配关系发生改变,故可根据其相位改变量与含水率的关联性获取实时含水率,其中物品含水率将影响其介电常数在IEEEInstrumentation&Measurement Magazine中由S. O. Nelson and S. Trabelsi发表的Historical development of grain moisture measurement and other food qualitysensing through electrical properties内有具体说明,同时研究表明,周围环境的含水率改变会影响射频(RF)信号特征,可以作为监测含水率的指标,具体出处为Microwave andOptical Technology Letters中由ALONSO D, ZHANG Q, GAO Y, 等发表的UHF passiveRFID-based sensor-less system to detect humidity for irrigation monitoring内有具体说明;
S3、信号读写器1将接收到的信号向信号处理器4处传递,且信号处理器4对接收到的信号进行预处理,并获取实时信号值;
S4、计算步骤S3获得的实时信号值与初始信号值的相位改变量,并将其相位改变量带入含水率拟合模型公式中获取实时含水率,其中含水率拟合模型公式如下所示:/>,式中:在固定射频信号频率时A,B和C为常数,/>为信号值相位改变量;
S5、根据步骤S4计算的含水率构建待检测物品3含水率变化曲线,并在含水率显示器5上实时显示各个待检测物品3实时含水率曲线图。
优选的,所述步骤S3中信号处理器4对接收到的信号进行预处理,其具体包括以下步骤:
S21、信号处理器4获取信号读写器1传递的信号值以及对应物品的编号,并获取预设时间内的信号平均值,利用窗口大小为7的Hampel滤波器剔除异常值,并对异常值剔除后缺失的信号值进行插值处理保证获取信息量的变化一致性;
S22、对步骤S21处理后的信号值进行实时滤波,通过高斯滤波进行线性平滑处理实现去噪,降低高频噪声的干扰。
优选的,所述步骤S21对异常值剔除后缺失的信号值进行插值处理所用的函数为:,式中:Xs为输入信号异常值,mi为异常值周围窗口中位数,即将周围窗口的信号值按大小顺序排列,窗口数量为奇数时选取最中间的信号值,且当窗口数量为偶数时,则选取最中间两个信号值的平均值作为异常值周围窗口中位数,σ为异常值周围窗口的标准偏差,其中式中含义为如果输入信号异常值Xs与异常值周围窗口中位数mi的差的绝对值大于3倍的标准偏差σ,则采用异常值周围窗口中位数mi填补异常值剔除后缺失的信号值,其中异常值周围窗口的标准偏差数值为0.02。
优选的,所述步骤S5中含水率变化曲线采用logistics曲线拟合。
为验证本发明的有效性,在室温25℃下,使用干燥的玉米芯垫料进行含水率检测实验,结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明:
S1:玉米芯外包装袋外竖直部署一个无源RFID标签作为电子标签2,电子标签2由工作人员竖直附着于外包装袋表面,或由生产商在加工过程中添加至外包装袋表面,射频阅读器作为信号读写器1布置在待检测玉米芯的上方;
S2:信号读写器1向电子标签2发射信号,由于玉米芯含水率改变,导致标签的反向散射信号值产生偏差,并随着含水率的持续改变发生规律变化;
S4:信号读写器1每间隔一段时间接收一次反向散射信号,随着含水率改变,信号读写器1接收到各标签反向散射信号发生变化,将实时信号经预处理,并将第N个标签在第M时刻时的信号记为,由公式/>计算实时信号与初始信号的差值得到相位改变量/>,具体数值如下表1所示:
表 1 :
S5:根据初始信息和实时信息的相位改变量,代入公式,其A为1.108,B为71.15,C为0.3122,得到含水率估计值/>,根据下文中计算含水率相对误差/>的公式将含水率估计值/>与真实含水率/>比较,获得含水率相对误差/>,相对误差均小于5%,如下表2所示,计算含水率拟合模型的拟合度为0.99,表明该模型准确率高达99%;
表2:
上述方法相比于现有的有损水分检测类型来说,无疑检测时间更短,同时可实现低功耗在线实时检测,可实现多物品测量,测量范围较宽,还不会对待检测物品3造成破坏;
上述方法相比于现有的无损水分检测,使用便捷易懂,且造价便宜,适合大范围推广,实用性高。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.基于RFID的物品含水率无损检测方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、将电子标签(2)贴合在待检测物品(3)表面,并将信号读写器(1)布置在电子标签(2)的上方;
S2、信号读写器(1)的发射天线向电子标签(2)发送射频信号并将电子标签(2)激活,同时信号读写器(1)的接收天线实时接收电子标签(2)通过内置天线反向散射的信号;
S3、信号读写器(1)将接收到的信号向信号处理器(4)处传递,且信号处理器(4)对接收到的信号进行预处理,并获取实时信号值;
S4、计算步骤S3获得的实时信号值与初始信号值的相位改变量,并将其相位改变量带入含水率拟合模型公式中获取实时含水率,其中含水率拟合模型公式如下所示:,式中:在固定射频信号频率时A,B和C为常数,/>为信号值相位改变量;
S5、根据步骤S4计算的含水率构建待检测物品(3)含水率变化曲线,并在含水率显示器(5)上实时显示各个待检测物品(3)实时含水率曲线图。
2.根据权利要求1所述的基于RFID的物品含水率无损检测方法,其特征在于:所述步骤S3中信号处理器(4)对接收到的信号进行预处理,其具体包括以下步骤:
S21、信号处理器(4)获取信号读写器(1)传递的信号值以及对应物品的编号,并获取预设时间内的信号平均值,利用滤波器剔除异常值,并对异常值剔除后缺失的信号值进行插值处理保证获取信息量的变化一致性;
S22、对步骤S21处理后的信号值进行实时滤波,通过高斯滤波进行线性平滑处理实现去噪,降低高频噪声的干扰。
5.根据权利要求1所述的基于RFID的物品含水率无损检测方法,其特征在于:所述步骤S5中含水率变化曲线采用logistics曲线拟合。
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Application publication date: 20230512 Assignee: Inner Mongolia Qidi Clean Energy Technology Research Co.,Ltd. Assignor: CIVIL AVIATION University OF CHINA Contract record no.: X2024980002337 Denomination of invention: RFID based non-destructive testing method for moisture content of items Granted publication date: 20230609 License type: Common License Record date: 20240228 |