基于rfid的果樹個體精準噴藥控制方法及設備的制作方法
【專利摘要】一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法，利用RFID模塊讀取設置在果樹上的電子標簽，處理器根據讀取的果樹編號及匹配的處方，控制噴藥機的藥物流量，實現不同果樹個體的精準噴藥，本發明同時提供了相應的精準噴藥控制設備，包括RFID模塊、核心處理器模塊和噴藥控制模塊，本發明實現了對果樹個體的唯一身份標識，設備通過RFID模塊掃描果樹標簽并查詢相應果樹的處方信息，噴藥機根據處方信息通過ARM處理器控制打開電磁閥，同時啟動流量傳感器，通過對比流量傳感器反饋的藥量與處方量控制電磁閥的通電時間，并存儲最終流量傳感器采集的藥量，實現了精準的噴藥操作及噴藥參數的自動記錄，為提高果品質量安全及溯源奠定了基礎。
【專利說明】基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法及設備
【技術領域】
[0001]本發明屬于現代農業【技術領域】，特別涉及一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法及設備。
【背景技術】
[0002]我國果園種植面積和產量均居世界第一，但由于果樹品種、種植模式、個體差異和施藥技術等因素的影響和限制，病蟲害頻繁發生卻得不到有效控制，從而造成落果、次果及劣果，嚴重影響果品品質；同時，頻繁粗放的化學藥劑防治以及落后的施藥機具和施藥技術增加了果園運營的經濟成本和果農勞動強度。果園施藥環節勞動強度大，工作環境惡劣，對植保機械化有著迫切的需求。
[0003]目前我國果園的噴藥操作主要依靠人工噴灑的方式，存在農藥種類混用、任意提高噴灑濃度和劑量、濫用高毒農藥、連續多次使用同一種藥劑防治同一對象的現象，農戶僅憑經驗進行噴藥，這對果品及環境造成了嚴重的影響。近年來，果園噴藥設施有了長足發展，出現了果園管道噴藥設施及對靶噴藥靜電噴霧機、基于ARM的智能噴藥設備、基于激光掃描的可變速噴霧系統等噴藥設備，但其沒有根據果樹個體的差異進行精準細致的操作和管理，存在記錄粗放的問題，這對水果品質及果產品信息溯源造成了很大的影響。
[0004]RFID的基本原理 是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別，其具有非接觸、感應距離遠、穿透力強、能儲存數據并能進行讀寫、使用壽命長等特點，其對環境要求較低，環境適應性好。目前，RFID技術廣泛應用于動物識別與追蹤、食品溯源等領域，通過利用RFID技術自動識別、存儲數據等特點簡化了生產流程，實現了經濟利益最大化，這使得該技術成為近年應用方面的研究熱點，自動識別的特點為果樹的自動識別，實現噴藥信息的自動存儲提供了技術基礎。因此針對不同果樹個體建立一個對應的電子檔案，對提高果品的產量和質量有重要意義。但是目前并沒有相應的技術。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法及設備，實現了對果樹個體的唯一身份標識，設備通過RFID模塊掃描果樹標簽并查詢相應果樹的處方信息，噴藥機根據處方信息通過ARM處理器打開電磁閥，同時啟動流量傳感器，通過對比流量傳感器反饋的藥量與處方量控制電磁閥的通電時間，并存儲最終流量傳感器采集的藥量，實現了精準的噴藥操作及噴藥參數的自動記錄，為提高果品質量安全及溯源奠定了基礎。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0007]一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法，利用RFID模塊讀取設置在果樹上的電子標簽，處理器根據RFID模塊讀取編號及匹配處方，控制噴藥機的藥物流量，實現對不同果樹個體的精準噴藥。[0008]在噴藥過程中，實時采集噴藥機的藥物流量，并反饋至處理器，與設定的藥物流量對比，實現對噴藥量的實時調控。
[0009]在噴藥過程中，處理器對每個電子標簽所采取的噴藥方案進行記錄并存儲。
[0010]本發明同時提供了一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，包括:
[0011]RFID模塊，基于設置在果樹上的電子標簽，通過無線方式實現果樹的個體識別，并將讀取的編號傳輸至核心處理器模塊；
[0012]核心處理器模塊,接收RFID模塊的傳輸信息，并與內存的處方信息進行配對，根據不同處方輸出相應的控制信號至噴藥控制模塊；
[0013]噴藥控制模塊，包括連接核心處理器模塊控制信號的噴藥機電磁閥和設置于噴藥機噴頭位置處的渦輪流量傳感器，噴藥機電磁閥的啟閉時間由所述控制信號進行控制，渦輪流量傳感器采集噴頭位置實時流量，并返回至核心處理器模塊與處方信息中的設定藥物用量比較，實現對控制信號的實時調控，實現精準操作。
[0014]所述RFID模塊以超高頻讀寫芯片AS3990為核心，發射信號由超高頻讀寫芯片AS3990發射之后經功率放大器進行放大，再經隔離器由陶瓷天線發送，從而提高讀寫距離；接收信號由陶瓷天線接收后，經隔離器送至超高頻讀寫芯片AS3990的輸入端，經過混頻、增益、濾波、數字化后由RS232串口送至核心處理器模塊。
[0015]所述超高頻讀寫芯片AS3990外接有一個壓控振蕩器，以降低相位噪聲，提高芯片穩定性。
[0016]所述核心處理器模塊以RISC處理器S3C2440為核心。
[0017]所述處方信息包括果樹編號、果樹品種、藥物名稱以及藥物用量，依據果樹編號與來自RFID模塊的讀取編號進行配對識別。
[0018]還包括連接核心處理器模塊的用戶交互模塊，用于設置噴藥參數，并顯示噴藥參數和處方信息。
[0019]所述電子標簽為無源電子標簽，采用跳頻工作模式。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0021]I)本發明基于RFID技術，以ARM處理器為核心設計出一套精準的果園噴藥設備，該設備能根據專家決策系統提供的處方圖進行精準的噴藥作業，實現了果園果樹細粒度的
噴藥管理。
[0022]2)本發明噴藥設備能對噴藥操作進行管理，工作時能自動精確記錄果樹操作參數，突破了人工記錄的粗放問題，為溯源服務提供了真實的數據基礎。
[0023]3)由設備精確噴藥控制實驗得出:設備在正常工作環境中， 噴藥量的控制誤差(5%，滿足精確噴藥的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明噴藥設備的硬件結構示意圖。
[0025]圖2是本發明核心處理器模塊框圖。
[0026]圖3是本發明RFID模塊硬件結構圖。
[0027]圖4是本發明噴藥機結構示意圖。
[0028]圖5是本發明噴藥信息管理模塊框圖。【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。
[0030]如圖1所示，本發明一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備主要由核心處理器模塊、RFID模塊、噴藥控制模塊、用戶交互模塊、電源模塊及外圍設備組成。核心處理器模塊完成對果樹信息的管理及噴藥機系統的控制；RFID模塊實現對果樹標簽的自動識別，為核心處理器模塊和噴藥控制模塊控制噴藥機操作提供依據；噴藥控制完成對噴藥機的精準控制，為噴藥操作數據提供保障；用戶交互模塊用來用于設置噴藥參數，并顯示噴藥參數和處方信息等；電源模塊為各個模塊進行供電。
[0031]核心處理器模塊結構如圖2所不,選用Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C2440為核心，為ARM處理器。其完成對果園果樹噴藥信息、處方信息、果樹信息的管理，同時為控制模塊的控制中樞，對噴藥機電磁閥發出控制指令，采集分析流量傳感器的藥量信息，通過比較采集量與處方量或設置值對電磁閥進行控制，實現噴藥操作的通斷，完成噴藥機對果樹的精準噴藥操作。處理器擴展的外圍電路有:直接控制電磁閥開閉的I/O接口 ；RFID模塊的RS232接口 ；實現傳感器流量脈沖接收的WAFER連接口 ；實現程序或數據讀寫的UARTO及用于鼠標擴展的USB 口 ；連接IXD顯示屏的IXD擴展槽；擴展存儲空間的SD擴
展槽?
[0032]RFID模塊結構如圖3所示，以奧地利微系統公司研制的AS3990芯片為核心，該芯片具有集成度高、低功耗的特點，芯片內集成了接收電路、發送電路、協議轉換單元，支持IS018000-6B、EPC CLASS 1G2標準電子標簽讀寫，工作頻率范圍300_928MHz，符合遠距離讀寫要求。模塊采用專用外接陶瓷天線提高讀寫距離，通過PA放大后的信號通過隔離器由天線發送。經天線接收的信號通過隔離器輸送到AS3990的輸入端MIXS-1N，經過混頻、增益、濾波、數字化后由RS232串口送至S3C2440處理。為降低相位噪聲對讀寫性能的影響，電路外接一個壓控振蕩器(VOC)提高芯片穩定性。
[0033]RFID模塊實現功能:1、聯合核心處理器對電子標簽EPC區按照標簽代碼結構進行統一、規范的修改；2、通過無線識別的方式完成果樹的個體識別，并將讀取的編號傳回ARM核心處理器進行處方信息查詢，以完成精準噴藥操作。
[0034]噴藥控制模塊，包括接核心處理器模塊控制信號的噴藥機電磁閥和設置于噴藥機噴頭位置處的渦輪流量傳感器。噴藥控制模塊完成對噴藥量的定量控制，其由ARM處理器、電磁閥、渦輪流量傳感器構成閉環控制，由ARM處理器根據操作員設置的噴藥參數或RFID所掃描果樹編號查詢出的處方信息，通過I/O 口控制繼電器開啟電磁閥，同時分析對比流量傳感器反饋噴藥信息與處方量，對電磁閥通電時間進行精確控制。
[0035]電磁閥采用永鵬閥門生產的UD-C-10型微型電磁閥，其主要技術參數:額定工作電壓12VDC，型式:常閉型，工作壓力O~10kg/cm2，流量孔徑10mm。由于ARM處理器I/O口輸出電壓為3.3V，所以通過I/O 口控制繼電器，接通或斷開電磁閥兩端12V直流電源，完成對電磁閥的控制。
[0036]噴頭噴藥量采用華信流量儀表有限公司生產的LWGYA型渦輪流量傳感器測量，其有金屬和塑料外殼兩種，選用質量較輕的塑料外殼型傳感器，其主要技術參數:工作電壓DC5-12V,公稱通徑4-200mm，輸出形式為脈沖形式，流量測量范圍0.04~800m3/h，測量精度±0.5%。由于ARM處理器的I/O 口只能接收幅值為3.3V電壓信號，而渦輪流量傳感器輸出電壓脈沖為8V左右，通過WAFER接口接收信號后由光電隔離芯片TLP521對流量傳感器的信號進行轉換處理，最后送至ARM處理讀取。
[0037]電源模塊對設備各模塊進行供電，根據設備各模塊需求，其中渦輪流量傳感器、電磁閥、離心泵額定電壓12V，掃描模塊額定電壓9V，ARM核心處理器及用戶交互模塊額定電壓5V。設備采用12V直流蓄電池，渦輪流量傳感器、電磁閥、離心泵直接通過12V電源供電；9V電壓通過ECG184三極管電路進行轉換；5V電源采用MC7805芯片構成的轉換電路進行轉換。
[0038]用戶交互模塊硬件部分包括LCD觸摸屏和鼠標，實現了對噴藥信息的管理的可視化及參數設置的簡易化。設備采用TFT觸摸屏進行顯示，操作員可通過觸控的方式對設備進行操作，同時ARM中信息可映射至屏幕進行顯示，如噴藥信息、處方信息等。由于觸摸屏中顯示虛擬鍵盤較小，觸摸準確度不高，設備提供鼠標USB擴展端口，簡化參數設置、選擇等操作。
[0039]RFID電子標簽可分為有源電子標簽與無源電子標簽兩類，其典型工作頻率為433.92MHz, 862 (902)~928MHz，2.45GHz，5.8GHz。用 915MHz 無源電子標簽，其采用跳頻工作模式，具有抗干擾能力，用戶可自定義讀寫標準數據，識別距離一般為4~7m，最遠可達IOm以上，無源標簽具有成本低、體積小、可靠性高、對環境要求低等特點，符合實際需求。
[0040]噴藥機采用市下牌20L電動噴霧器，額定工作電壓12V，電路主要由離心泵2、開關、12V蓄電池、調節電路及壓力表構成，經改裝，蓄電池與電源模塊連接，通過不同轉換電路得到9V、5V電源電壓，為設備掃描模塊及核心處理器模塊供電；離心泵2從藥箱I中汲取藥液，電磁閥3安裝于離心泵2出水口處，通過繼電器控制12V電源供電，用于控制噴藥的通斷；渦輪流量傳感器4安裝于噴頭處，通過導線與核心處理器模塊及電源相連，用于對噴藥量的實時采集，由核心處理器模塊分析處理后完成對噴藥機的精準控制。噴藥機設計如圖4所示。
[0041]本發明的設備運行軟件基于WINCE操作系統，采用Visual Studio2008集成開發環境及C#編程語言設計開發，主要由果樹噴藥信息管理模塊軟件、果樹個體編碼與識別算法、果樹精準噴藥控制算法、系統設置組成。果樹噴藥信息管理模塊實現對噴藥信息、處方信息、果樹信息的管理，同時為控制模塊的控制提供操作數據；果樹個體編碼即RFID標簽編碼實現果樹的唯一標識，識別算法主要服務于控制模塊，噴藥時，調用RFID驅動程序實現果樹的自動識別，為控制模塊的精準操作提供保障；控制模塊依托噴藥信息管理模塊噴藥參數信息進行操作，調用精準噴藥控制算法實現精準噴藥控制，并將實際操作信息進行儲存，為管理提供信息基礎；系統設置模塊主要對設備時間、RFID掃描模塊參數等進行設置。
[0042]果樹信息管理模塊提供信息維護及噴藥參數設置功能，包括噴藥記錄管理、噴藥操作參數設置、處方信息維護及果樹信息維護。如圖5所示，噴藥記錄管理提供歷史噴藥操作信息查看功能，通過讀取后臺數據庫內容，在數據表中顯示每次操作的果樹編號、藥物名稱、藥物用量、操作員、操作方式、操作日期等內容，為后續噴藥操作提供參考；噴藥操作參數設置對噴藥操作的藥物名稱、用量及施用方式進行設置，為精準操作提供數據支持，操作完成后設置參數連同系統時間與操作員一同存入后臺數據庫中；果樹信息維護提供新增果樹功能，同時可刪除已死亡或移栽的果樹的信息，充分利用編碼空間；處方信息維護以現有專家決策軟件為支持，生產果樹處方信息，或通過專家指導建立處方信息，為合理精準的噴藥操作提供保障，用戶可根據實際情況對處方信息修改或刪除。
[0043]為驗證本發明，2013年3月開始在楊凌蘋果苗圃基地開展內部測試實驗，實驗采用5個電子標簽分別編號為1、2、3、4、5號，并將其按順序掛在相距3-5m間隔的果樹上，標簽正面正對過道并固定，對標簽附近樹葉樹枝及其他遮擋物進行清理，防止對讀取性能的干擾。
[0044]設備通過RFID模塊根據編碼規則對標簽進行I~5編號，并在5個標簽下進行處方信息的設置，依次設置處方量為0.5L、1L、2L、5L、IOL ;開啟噴藥設備,從I號標簽出發，逐次對各個標簽的噴藥操作，渦輪流量傳感器實時對噴藥量進行采集，每隔0.1s采集一次，對比采集量與處方量，通過ARM處理器分析對比結果控制電磁閥通斷，完成自動控制精準噴藥作業。噴藥量以實際采集量為準，操作完成后將檢測值保存至相應標簽的數據庫中。
[0045]通過新建噴藥操作，可在參數設置界面對藥物名稱、噴藥方式及用量進行設定，時間及操作員系統自動獲取。噴藥實驗數據及分析結果如下表所示:
[0046]
【權利要求】
1.一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法，其特征在于，利用RFID模塊讀取設置在果樹上的電子標簽，處理器根據RFID模塊讀取的編號及匹配的處方，控制噴藥機的藥物流量，實現對不同果樹個體的精準噴藥。
2.根據權利要求1所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法，其特征在于，在噴藥過程中，實時采集噴藥機的藥物流量，并反饋至處理器，與設定的藥物流量對比，實現對噴藥量的實時調控。
3.根據權利要求1所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法，其特征在于，在噴藥過程中，處理器對每個電子標簽所采取的噴藥方案進行記錄并存儲。
4.一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，其特征在于，包括: RFID模塊，基于設置在果樹上的電子標簽，通過無線方式實現果樹的個體識別，并將讀取的編號傳輸至核心處理器模塊； 核心處理器模塊，接收RFID模塊的傳輸信息，并與內存的處方信息進行配對，根據不同處方輸出相應的控制信號至噴藥控制模塊； 噴藥控制模塊，包括連接核心處理器模塊控制信號的噴藥機電磁閥和設置于噴藥機噴頭位置處的渦輪流量傳感器，噴藥機電磁閥的啟閉時間由所述控制信號進行控制，渦輪流量傳感器采集噴頭位置實時流量，并返回至核心處理器模塊與處方信息中的設定藥物用量比較，實現對控制信號的實時調控，實現精準操作。
5.根據權利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，其特征在于，所述RFID模塊以超高頻讀寫芯片AS3990為核心，發射信號由超高頻讀寫芯片AS3990發射之后經功率放大器進行放大，再經隔離器由陶瓷天線發送，從而提高讀寫距離；接收信號由陶瓷天線接收后，經隔離器送至超高頻讀寫芯片AS3990的輸入端，經過混頻、增益、濾波、數字化后由RS232串口送至核心處理器模塊。
6.根據權利要求5所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，其特征在于，所述超高頻讀寫芯片AS3990外接有一個壓控振蕩器，以降低相位噪聲，提高芯片穩定性。
7.根據權利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，其特征在于，所述核心處理器模塊以RISC處理器S3C2440為核心。
8.根據權利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，其特征在于，所述處方信息包括果樹編號、果樹品種、藥物名稱以及藥物用量，依據果樹編號與來自RFID模塊的讀取編號進行配對識別。
9.根據權利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，其特征在于，還包括連接核心處理器模塊的用戶交互模塊，用于設置噴藥參數，并顯示噴藥參數和處方信息。
10.根據權利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設備，其特征在于，所述電子標簽為無源電子標簽，采用跳頻工作模式。
【文檔編號】A01M7/00GK103461307SQ201310364239
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】張海輝, 張軍華, 蒲皎月, 程浩, 吳婷婷, 田衛鵬, 吳辰星 申請人:西北農林科技大學