基于rfid的果樹個體精準噴藥控制方法及設(shè)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(shè)置在果樹上的電子標簽，處理器根據(jù)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(xiàn)不同果樹個體的精準噴藥，本發(fā)明同時提供了相應(yīng)的精準噴藥控制設(shè)備，包括RFID模塊、核心處理器模塊和噴藥控制模塊，本發(fā)明實現(xiàn)了對果樹個體的唯一身份標識，設(shè)備通過RFID模塊掃描果樹標簽并查詢相應(yīng)果樹的處方信息，噴藥機根據(jù)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(xiàn)了精準的噴藥操作及噴藥參數(shù)的自動記錄，為提高果品質(zhì)量安全及溯源奠定了基礎(chǔ)。
【專利說明】基于RFID的果樹個體精準噴藥控制方法及設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)【技術(shù)領(lǐng)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(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]我國果園種植面積和產(chǎn)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(shù)等因素的影響和限制，病蟲害頻繁發(fā)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(zhì)；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(shù)增加了果園運營的經(jīng)濟成本和果農(nóng)勞動強度。果園施藥環(huán)節(jié)勞動強度大，工作環(huán)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(nóng)藥種類混用、任意提高噴灑濃度和劑量、濫用高毒農(nóng)藥、連續(xù)多次使用同一種藥劑防治同一對象的現(xiàn)象，農(nóng)戶僅憑經(jīng)驗進行噴藥，這對果品及環(huán)境造成了嚴重的影響。近年來，果園噴藥設(shè)施有了長足發(fā)展，出現(xiàn)了果園管道噴藥設(shè)施及對靶噴藥靜電噴霧機、基于ARM的智能噴藥設(shè)備、基于激光掃描的可變速噴霧系統(tǒng)等噴藥設(shè)備，但其沒有根據(jù)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(zhì)及果產(chǎn)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(xiàn)對被識別物體的自動識別，其具有非接觸、感應(yīng)距離遠、穿透力強、能儲存數(shù)據(jù)并能進行讀寫、使用壽命長等特點，其對環(huán)境要求較低，環(huán)境適應(yīng)性好。目前，RFID技術(shù)廣泛應(yīng)用于動物識別與追蹤、食品溯源等領(lǐng)域，通過利用RFID技術(shù)自動識別、存儲數(shù)據(jù)等特點簡化了生產(chǎn)流程，實現(xiàn)了經(jīng)濟利益最大化，這使得該技術(shù)成為近年應(yīng)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(xiàn)噴藥信息的自動存儲提供了技術(shù)基礎(chǔ)。因此針對不同果樹個體建立一個對應(yīng)的電子檔案，對提高果品的產(chǎn)量和質(zhì)量有重要意義。但是目前并沒有相應(yīng)的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)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(shè)備，實現(xiàn)了對果樹個體的唯一身份標識，設(shè)備通過RFID模塊掃描果樹標簽并查詢相應(yīng)果樹的處方信息，噴藥機根據(jù)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(xiàn)了精準的噴藥操作及噴藥參數(shù)的自動記錄，為提高果品質(zhì)量安全及溯源奠定了基礎(chǔ)。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)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(shè)置在果樹上的電子標簽，處理器根據(jù)RFID模塊讀取編號及匹配處方，控制噴藥機的藥物流量，實現(xiàn)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(shè)定的藥物流量對比，實現(xiàn)對噴藥量的實時調(diào)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(fā)明同時提供了一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)備，包括:
[0011]RFID模塊，基于設(shè)置在果樹上的電子標簽，通過無線方式實現(xiàn)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(nèi)存的處方信息進行配對，根據(jù)不同處方輸出相應(yīng)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(shè)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(shè)定藥物用量比較，實現(xiàn)對控制信號的實時調(diào)控，實現(xiàn)精準操作。
[0014]所述RFID模塊以超高頻讀寫芯片AS3990為核心，發(fā)射信號由超高頻讀寫芯片AS3990發(fā)射之后經(jīng)功率放大器進行放大，再經(jīng)隔離器由陶瓷天線發(fā)送，從而提高讀寫距離；接收信號由陶瓷天線接收后，經(jīng)隔離器送至超高頻讀寫芯片AS3990的輸入端，經(jīng)過混頻、增益、濾波、數(shù)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(wěn)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(jù)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(shè)置噴藥參數(shù)，并顯示噴藥參數(shù)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0021]I)本發(fā)明基于RFID技術(shù)，以ARM處理器為核心設(shè)計出一套精準的果園噴藥設(shè)備，該設(shè)備能根據(jù)專家決策系統(tǒng)提供的處方圖進行精準的噴藥作業(yè)，實現(xiàn)了果園果樹細粒度的
噴藥管理。
[0022]2)本發(fā)明噴藥設(shè)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(shù)，突破了人工記錄的粗放問題，為溯源服務(wù)提供了真實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0023]3)由設(shè)備精確噴藥控制實驗得出:設(shè)備在正常工作環(huán)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(fā)明噴藥設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明核心處理器模塊框圖。
[0026]圖3是本發(fā)明RFID模塊硬件結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖4是本發(fā)明噴藥機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5是本發(fā)明噴藥信息管理模塊框圖?！揪唧w實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明一種基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)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(shè)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(tǒng)的控制；RFID模塊實現(xiàn)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(jù)；噴藥控制完成對噴藥機的精準控制，為噴藥操作數(shù)據(jù)提供保障；用戶交互模塊用來用于設(shè)置噴藥參數(shù)，并顯示噴藥參數(shù)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(jié)構(gòu)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(fā)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(shè)置值對電磁閥進行控制，實現(xiàn)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(xiàn)傳感器流量脈沖接收的WAFER連接口 ；實現(xiàn)程序或數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖3所示，以奧地利微系統(tǒng)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(nèi)集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議轉(zhuǎn)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(fā)送。經(jīng)天線接收的信號通過隔離器輸送到AS3990的輸入端MIXS-1N，經(jīng)過混頻、增益、濾波、數(shù)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(wěn)定性。
[0033]RFID模塊實現(xiàn)功能:1、聯(lián)合核心處理器對電子標簽EPC區(qū)按照標簽代碼結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一、規(guī)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(shè)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(gòu)成閉環(huán)控制，由ARM處理器根據(jù)操作員設(shè)置的噴藥參數(shù)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(chǎn)的UD-C-10型微型電磁閥，其主要技術(shù)參數(shù):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(chǎn)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(zhì)量較輕的塑料外殼型傳感器，其主要技術(shù)參數(shù):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(zhuǎn)換處理，最后送至ARM處理讀取。
[0037]電源模塊對設(shè)備各模塊進行供電，根據(jù)設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換；5V電源采用MC7805芯片構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換。
[0038]用戶交互模塊硬件部分包括LCD觸摸屏和鼠標，實現(xiàn)了對噴藥信息的管理的可視化及參數(shù)設(shè)置的簡易化。設(shè)備采用TFT觸摸屏進行顯示，操作員可通過觸控的方式對設(shè)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(shè)備提供鼠標USB擴展端口，簡化參數(shù)設(shè)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(shù)據(jù)，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(huán)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(guān)、12V蓄電池、調(diào)節(jié)電路及壓力表構(gòu)成，經(jīng)改裝，蓄電池與電源模塊連接，通過不同轉(zhuǎn)換電路得到9V、5V電源電壓，為設(shè)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(shè)計如圖4所示。
[0041]本發(fā)明的設(shè)備運行軟件基于WINCE操作系統(tǒng)，采用Visual Studio2008集成開發(fā)環(huán)境及C#編程語言設(shè)計開發(fā)，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(tǒng)設(shè)置組成。果樹噴藥信息管理模塊實現(xiàn)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(shù)據(jù)；果樹個體編碼即RFID標簽編碼實現(xiàn)果樹的唯一標識，識別算法主要服務(wù)于控制模塊，噴藥時，調(diào)用RFID驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)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(shù)信息進行操作，調(diào)用精準噴藥控制算法實現(xiàn)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(chǔ)；系統(tǒng)設(shè)置模塊主要對設(shè)備時間、RFID掃描模塊參數(shù)等進行設(shè)置。
[0042]果樹信息管理模塊提供信息維護及噴藥參數(shù)設(shè)置功能，包括噴藥記錄管理、噴藥操作參數(shù)設(shè)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(shù)據(jù)庫內(nèi)容，在數(shù)據(jù)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(nèi)容，為后續(xù)噴藥操作提供參考；噴藥操作參數(shù)設(shè)置對噴藥操作的藥物名稱、用量及施用方式進行設(shè)置，為精準操作提供數(shù)據(jù)支持，操作完成后設(shè)置參數(shù)連同系統(tǒng)時間與操作員一同存入后臺數(shù)據(jù)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(xiàn)有專家決策軟件為支持，生產(chǎn)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(jù)實際情況對處方信息修改或刪除。
[0043]為驗證本發(fā)明，2013年3月開始在楊凌蘋果苗圃基地開展內(nèi)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(shè)備通過RFID模塊根據(jù)編碼規(guī)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(shè)置，依次設(shè)置處方量為0.5L、1L、2L、5L、IOL ;開啟噴藥設(shè)備,從I號標簽出發(fā)，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(jié)果控制電磁閥通斷，完成自動控制精準噴藥作業(yè)。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(yīng)標簽的數(shù)據(jù)庫中。
[0045]通過新建噴藥操作，可在參數(shù)設(shè)置界面對藥物名稱、噴藥方式及用量進行設(shè)定，時間及操作員系統(tǒng)自動獲取。噴藥實驗數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如下表所示:
[0046]
【權(quán)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(shè)置在果樹上的電子標簽，處理器根據(jù)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(xiàn)對不同果樹個體的精準噴藥。
2.根據(jù)權(quán)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(shè)定的藥物流量對比，實現(xiàn)對噴藥量的實時調(diào)控。
3.根據(jù)權(quán)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(shè)備，其特征在于，包括: RFID模塊，基于設(shè)置在果樹上的電子標簽，通過無線方式實現(xiàn)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(nèi)存的處方信息進行配對，根據(jù)不同處方輸出相應(yīng)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(shè)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(shè)定藥物用量比較，實現(xiàn)對控制信號的實時調(diào)控，實現(xiàn)精準操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)備，其特征在于，所述RFID模塊以超高頻讀寫芯片AS3990為核心，發(fā)射信號由超高頻讀寫芯片AS3990發(fā)射之后經(jīng)功率放大器進行放大，再經(jīng)隔離器由陶瓷天線發(fā)送，從而提高讀寫距離；接收信號由陶瓷天線接收后，經(jīng)隔離器送至超高頻讀寫芯片AS3990的輸入端，經(jīng)過混頻、增益、濾波、數(shù)字化后由RS232串口送至核心處理器模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)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(wěn)定性。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)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(jù)權(quán)利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)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(jù)果樹編號與來自RFID模塊的讀取編號進行配對識別。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)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(shè)置噴藥參數(shù)，并顯示噴藥參數(shù)和處方信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RFID的果樹個體精準噴藥控制設(shè)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(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】張海輝, 張軍華, 蒲皎月, 程浩, 吳婷婷, 田衛(wèi)鵬, 吳辰星 申請人:西北農(nóng)林科技大學