一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法及系统，涉及粮食水分检测技术领域，方法包括：确定已知水分含量的粮食，采集穿过所述粮食的射频信号中的相位数据；对所述相位数据进行数据预处理，得到真实相位值；依据所述真实相位值和电磁波原理，得到所述粮食的介电常数；将粮食的介电常数和对应的水分含量输入到学习模型中进行训练，得到水分检测模型；采集穿过待测粮食的射频信号的相位数据，得到待测粮食的介电常数，将所述待测粮食的介电常数输入到所述水分检测模型中，得到待测粮食的水分含量。本发明专利技术将介质函数的获取转换为相位的获取，通过简单的仪器设备，即可准确检测出粮食水分含量，具有装置简单、成本低、检测精度高等优点。精度高等优点。精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法及系统


[0001]本专利技术涉及粮食水分检测
，更具体的说是涉及一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法及系统。

技术介绍

[0002]在粮食储藏周期中，需要对粮食进行温度、水分、霉变和虫害等一系列的指标检测。其中粮食含水量这一指标的检测是粮食安全储藏中的重中之重。粮食水分的过高或过低会影响粮食的品质与安全。粮食水分过高会发生霉变等变化，过低则会破坏粮食内部的有机物从而影响粮食的加工品质。所以，粮食水分含量的检测对于粮食从储藏到餐桌的整个流通链的不同阶段都是一个很大的挑战。
[0003]现有的小麦水分测量方法大致可以分为两类：直接检测方法和间接检测方法。
[0004]目前直接检测方法较为常用的是热烘干法和化学法。其中热烘干法是使用现有方法将小麦放在特定温度下的烤箱干燥一定的时间来确定小麦水分含量。但是由于这种方法既繁琐又费时，所以不适合小麦交易中大规模使用。而化学法是利用化学反应消耗掉小麦样品中的水分，从而计算出小麦的水分含量。但是存在使用的化学试剂价格高、对仪器有腐蚀伤害、仪器维护费用高的缺点。目前利用化学法进行粮食水分检测的情况很少见到。
[0005]另外一种就是间接测量法，该方法的原理是利用与粮食水分密切相关的物理量来间接对粮食含水率进行检测。当前在本领域和学术界众所周知的主要方法是电容，电阻，中子和微波方法。电容式水分检测方法也非常流行，但是它的检测效果受到很多因素的限制，比如测量值不仅对温度敏感而且还对干燥器中谷物的流速和密度敏感，此外测量结果还可能受到测量过程中其他因素的影响，例如所使用的传感器在长时间使用后需要对其进行重新校准；电阻法所使用的在线电阻式谷物水分检测仪是基于测量频率和谷物水分含量之间的非线性校正方法而设计的，这个检测仪由上位机和下位机组成，下位机主要根据V/F转换检测小麦电阻值，上位机主要用来进行水分含量、测量频率以及温度之间的非线性校正；微波法和中子法具有精度高、检测速度快、无损耗以及非侵入式检测等优点，能够非常容易检测出谷物内部的水分，但是测量装置比较复杂且成本较高。
[0006]由以上概述可知每种方法都有其自身的优势，然而在实现粮食水分检测方面都有一定的局限性，不能实现大范围的推广应用，难以满足粮库的实际应用。
[0007]随着大量的无线设备广泛部署，射频技术(RFID)在我们日常生活中被广泛应用。基于RFID的传感、检测和识别等应用的推广得到了国内外研究者的广泛关注。目前，国内外有很多的研究团队和研究学者都在致力于将RFID技术应用于自己所研究的领域，来进行RFID相关技术的研究。
[0008]近年来，围绕RFID技术的研究和应用在社会各个行业有着广阔的前景。在学术界，RFID用于细粒度的定位，手势识别，材料感知等研究中。例如人体运动跟踪、手势和活动识别、老年人跌倒检测、室内定位等。这些基于射频的传感技术包括高光谱相机、红外质谱和高频X射线等被研究人员利用起来。但是这些硬件设备通常造价昂贵，在大规模粮食水分检
测部署中成本高，效率低。然而，廉价的无源RFID标签仅仅需要5美分甚至更少，每个标签还可以多次重复使用。而阅读器的成本可以在同时使用多个标签来分摊。因此基于RFID的传感应用得到了许多研究者的青睐，例如TagScan中利用RFID信号在目标内部的传播特性来进行材料识别。在实际行业中，智能图书馆使用RFID机器人查找书籍，物流中使用RFID标签来追溯每一件商品以及公交卡，智能车钥匙等等。RFID信号对比其他无线射频信号设备如雷达，X射线，CT，近红外仪器等，RFID标签体积小，更容易部署。RFID信号更是可以穿透非金属，在黑暗环境中运行以及低成本的优点。使它已经成为物联网(IOT)中的关键技术之一。
[0009]基于上述关于粮食水分检测的现有技术的缺陷，因此如何创建一种能够快速、准确、简便、低成本的粮食水分检测技术，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0010]有鉴于现有技术中关于粮食水分检测技术的缺陷以及RFID技术的普及，本专利技术提供了一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法及系统，能够低成本、快速、准确地检测出粮食中的水分含量。
[0011]为了实现上述目的，同时由于射频信号穿过不同水分的粮食介质时，其强度损失是材料介电常数的函数，而介电常数又主要取决于材料的水分含量，因此本专利技术提供如下技术方案：
[0012]一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法，包括：
[0013]步骤一、确定已知水分含量的粮食，采集穿过所述粮食的射频信号中的相位数据；
[0014]步骤二、对所述相位数据进行数据预处理，得到真实相位值；
[0015]步骤三、依据所述真实相位值和电磁波原理，得到所述粮食的介电常数；
[0016]步骤四、将所述粮食的介电常数和对应的水分含量输入到学习模型中进行训练，得到水分检测模型；
[0017]步骤五、采集穿过待测粮食的射频信号的相位数据，得到待测粮食的介电常数，将所述待测粮食的介电常数输入到所述水分检测模型中，得到待测粮食的水分含量。
[0018]优选的，使用RFID系统采集穿过粮食的射频信号的相位数据。使用RFID系统进行特征信息的采集，具有体积小、成本低，可以穿透非金属，在黑暗环境中运行等优点。
[0019]优选的，所述RFID系统的电子标签选用AIEN9640无源标签；
[0020]所述RFID系统中阅读器的发射天线选用E9208CR/L天线，天线增益为9dBic。
[0021]所述数据预处理包括异常值检测与替换、相位解缠。
[0022]优选的，使用拉依达法则进行异常值的检测与替换，具体的：
[0023]对所有的相位数据样本求样本均值
[0024]根据所述样本均值求第i个相位样本数据X
i
的幅度残差V
i
和标准差σ；
[0025]若|V
i
|＞3σ，则X
i
为异常值，进而使用X
i
左右临近的两个正常值的算术平均值替代异常值X
i
。
[0026]采用上述方法能够避免因去除异常值造成的数据长度变化的影响。
[0027]使用路径积分法进行相位解缠。
[0028]所述数据预处理还包括数据归一化，具体的：
[0029]对替换异常值之后的相位数据集进行归一化操作，归一化之后的第i个相位样本
数据为Y
i
，
[0030][0031]其中X
i
表示为第i个原始的相位样本数据，X
mean
是替换异常值之后的相位的平均值，X
mean
和X
min
是替换异常值之后的相位的最大值和最小值。
[0032]上述过程对相位数据进行数据预处理，能够获得准确且清晰的相位数据。异常值检测与替换能够去除掉异常数据值，保证数据的准确性，数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法，其特征在于，包括：确定已知水分含量的粮食，采集穿过所述粮食的射频信号中的相位数据；对所述相位数据进行数据预处理，得到真实相位值；依据所述真实相位值和电磁波原理，得到所述粮食的介电常数；将所述粮食的介电常数和对应的水分含量输入到学习模型中进行训练，得到水分检测模型；采集穿过待测粮食的射频信号的相位数据，得到待测粮食的介电常数，将所述待测粮食的介电常数输入到所述水分检测模型中，得到待测粮食的水分含量。2.根据权利要求1所述的一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法，其特征在于，使用RFID系统采集穿过粮食的射频信号的相位数据。3.根据权利要求2所述的一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法，其特征在于，所述RFID系统的电子标签选用AIEN9640无源标签；所述RFID系统中阅读器的发射天线选用E9208CR/L天线，天线增益为9dBic。4.根据权利要求1所述的一种基于射频信号的粮食水分快速检测方法，其特征在于，所述数据预处理包括异常值检测与替换、相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫东，李世锋，徐振强，许德刚，李智，李滨，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：