基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法及系统，涉及非接触式测量相关技术领域，预测方法的步骤具体为：获取数据：获得感知数据；计算标签阻抗：利用多分类SVM方法以及菲涅耳反射系数对感知数据进行处理获得标签阻抗；预测粮食含水量和温度：根据标签阻抗与粮食温湿度之间的相关性，利用线性回归方法或机器学习方法，预测粮食含水量；本申请通过多分类SVM方法以及菲涅耳反射系数对标签阻抗进行修正，使得测量的标签阻抗能够在不同的旋转角度和不同的距离下获得稳定的测量值，保证了粮食温、湿度的预测结果的准确度。湿度的预测结果的准确度。湿度的预测结果的准确度。

【技术实现步骤摘要】
基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及非接触式测量
，更具体的说是涉及一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法及系统。

技术介绍

[0002]粮食储存是满足未来粮食需求、防止战争、饥荒或其他突发事件的有效途径。因此，粮食储备具有重要意义。具体来说，粮食储存安全变得越来越重要，其关键因素(即温度和湿度)对粮食储藏安全有很大影响。然而，如何准确、有效地测量和监测这两个因素，成为消费者和生产者之间以及粮食流通链不同阶段的一个具有挑战性研究问题。
[0003]现有的小麦水分测量技术可分为干燥法、电容法、电阻法、微波法和中子计法。小麦堆温湿度的测量一般采用多线串联传感器方法，一旦测量节点损坏不易更换。因此，传统的基于传感器的测量方法已不能满足当前社会发展的需要。目前，无线感知在物联网(IOT)应用中引起了广泛关注。具体而言，几种无线技术用于非接触式感知应用，包括跟踪、健康监测和定位。在以前的研究中，使用Wi
‑
Fi信号进行非接触式小麦水分和霉菌检测。然而，Wi
‑
Fi信号很容易受到环境变化的影响(例如，人的走动)，这大大降低了小麦水分和霉菌检测系统的鲁棒性。
[0004]最近，RFID标签已用于温度测量方案中。例如，利用标签的易失性存储器提出了符合标准的放电周期测量方案，并建立了放电周期和温度之间的映射模型，以提高稳健性。然而，系统的精度取决于标签电路放电持续时间的长度，而其识别精度受距离的影响。此外，放电持续时间与温度不是线性关系。因此有人提出了一种使用双金属线圈作为温度感知单元的无源RFID温度传感器。此外，还有人构建了一个系统，使用一对标签来抵消其他环境影响。然而，该方法使用许多假定参数计算标签阻抗，忽略了频率对阻抗的影响。此外，利用相位差获得温度易受到周围环境的影响。
[0005]尽管上述基于RFID的传感技术大多利用天线增益或相位差作为特征来感知位置、材料特性、健康监测和温度。然而，它们中的大多数仍然受到RFID系统的距离和角度的影响；因此研发一种能够不受RFID系统的距离和角度的影响的测量方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法及系统，克服了上述缺点。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法，具体步骤为：
[0009]获取数据：获得感知数据；
[0010]计算标签阻抗：利用多分类SVM方法以及菲涅耳反射系数对感知数据进行处理，获得标签阻抗；
[0011]预测粮食含水量和温度：根据标签阻抗与粮食温湿度之间的相关性，利用线性回归方法或机器学习方法，预测粮食含水量。
[0012]可选的，感知数据包括S参数以及谐振频率。
[0013]可选的，利用多分类SVM方法修正标签阻抗的步骤为：
[0014]同时构建训练数据集和测试数据集；
[0015]选择多分类支持向量机的核函数和参数；
[0016]通过训练数据集中的样本对SVM模型进行训练；
[0017]将训练后的SVM模型用于具有随机角度的阻抗分类。
[0018]可选的，核函数为高斯径向基函数。
[0019]可选的，基于菲涅耳反射系数，S参数的表达式为：
[0020][0021]式中，Γ
12
为第一介质和第二介质表面的菲涅耳反射系数，即标签的菲涅耳反射系数，Z
c
表示标签芯片的阻抗，Z
d
表示标签的输入阻抗；表示Z
d
的共轭。
[0022]其中，第一端口的反射系数S11的表达式为：
[0023][0024]式中，d表示第二介质的厚度；γ表示传播常数；E
1r
和E
1i
分别表示第一介质与第二介质交界处的反射波和入射波，τ1、τ2分别表示电磁波在第一介质和第二介质的透射系数；Γ1、Γ2、Γ3分别表示第一介质、第二介质、第三介质的菲涅尔反射系数；
[0025]令τ＝τ1τ2，C＝e
‑
2γd
，则式(3)化简为：
[0026][0027]可选的，利用菲涅耳反射系数对标签阻抗进行修正的步骤具体为：
[0028]步骤21、当Γ1为空气界面的菲涅耳反射系数；τ1为空气界面到粮食界面的透射系数；Γ2为粮食界面菲涅耳反射系数；τ2为粮食界面到空气界面的透射系数；ε
air
为空气的介电常数；ε
wheat
为粮食的介电常数，根据菲涅耳反射系数和磁波传输线理论，获得：
[0029][0030][0031][0032]根据公式(5)、(6)和(7)，得到：
[0033][0034]步骤22、将金属板置于目标盒后，即Γ3＝
‑
1；由式(3)和式(4)得，放置金属板后的S
11
可表示为：
[0035][0036]步骤23、移除金属板；根据定义可得Γ1＝
‑
Γ3，根据公式(3)，无金属板S
11
可表示为：
[0037][0038]步骤24、根据表达式(8)、(9)和(10)，得到三元方程组为：
[0039][0040]步骤25、公式(11)求解得到的反射系数Γ1，代入公式(2)获得与距离无关的标签阻抗值。
[0041]一种基于RFID标签识别粮食含水量和温度的系统，包括：数据感知模块、数据预处理模块、多分类支持向量机模块、温度和湿度预测模块；其中，
[0042]数据感知模块，用于读取测量目标的S参数以及标签阻抗；
[0043]数据预处理模块，用于获得与距离无关的标签阻抗值；
[0044]多分类支持向量机模块，用于获得无关角度的标签天线阻抗；
[0045]温度和湿度预测模块，分别利用线性回归和机器学习预测粮食的温度和湿度。
[0046]可选的，感知模块包括RFID标签，RFID标签为移除电路芯片的RFID标签，RFID标签与多分类支持向量机模块连接。
[0047]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法及系统，通过多分类SVM方法以及菲涅耳反射系数对标签阻抗进行修正，使得测量的标签阻抗能够在不同的旋转角度和不同的距离下获得稳定的测量值，保证了粮食温、湿度的预测结果的准确度。
附图说明
[0048]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0049]图1为本专利技术的预测系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法，其特征在于，具体步骤为：获取数据：获得感知数据；计算标签阻抗：利用多分类SVM方法以及菲涅耳反射系数对感知数据进行处理，获得标签阻抗；预测粮食含水量和温度：根据标签阻抗与粮食温湿度之间的相关性，利用线性回归方法或机器学习方法，预测粮食含水量。2.根据权利要求1所述的一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法，其特征在于，感知数据包括S参数以及谐振频率。3.根据权利要求1所述的一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法，其特征在于，利用多分类SVM方法修正标签阻抗的步骤为：同时构建训练数据集和测试数据集；选择多分类支持向量机的核函数和参数；通过训练数据集中的样本对SVM模型进行训练；将训练后的SVM模型用于具有随机角度的阻抗分类。4.根据权利要求3所述的一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法，其特征在于，核函数为高斯径向基函数。5.根据权利要求2所述的一种基于RFID标签的粮食含水量和温度的预测方法，其特征在于，基于菲涅耳反射系数，S参数的表达式为：式中，Γ
12
为第一介质和第二介质表面的菲涅耳反射系数，即标签的菲涅耳反射系数，Z
c
表示标签芯片的阻抗，Z
d
表示标签的输入阻抗；表示Z
d
的共轭；其中，第一端口的反射系数S11的表达式为：式中，d表示第二介质的厚度；γ表示传播常数；E
1r
和E
1i
分别表示第一介质与第二介质交界处的反射波和入射波，τ1、τ2分别表示电磁波在第一介质和第二介质的透射系数；Γ1、Γ2、Γ3分别表示第一介质、第二介质、第三介质的菲涅尔反射系数；令τ＝τ1τ2，C＝e
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫东，沈二波，李智，朱春华，赵会义，段珊珊，李明星，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：