專利名稱：基于rfid的土壤采樣及自動標(biāo)識裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤樣品快速識別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于RFID的土壤采樣及自動標(biāo)識裝置。
背景技術(shù)：
保障我國糧食安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效增收，重在管好土壤。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)普遍存在化肥投入過量，利用率較低、環(huán)境污染大和土壤肥力下降等負(fù)面問題。土壤主要養(yǎng)分信息有效獲取，科學(xué)指導(dǎo)化肥施用，是精細(xì)農(nóng)業(yè)實踐中實現(xiàn)節(jié)本增效、完善測土配方施肥與實施 “沃土工程”的關(guān)鍵。常規(guī)土壤養(yǎng)分信息獲取主要包括田間采樣、樣品前處理和浸提溶液檢測。常規(guī)田間采樣環(huán)節(jié)采用人工手寫方法用紙質(zhì)標(biāo)簽記錄采樣信息，主要存在以下問題1) 土壤養(yǎng)分前處理及測試環(huán)節(jié)信息仍需補(bǔ)充錄入，人工操作效率低，誤操作率較高；2)紙質(zhì)標(biāo)簽信息量小，無法包括土壤樣品地理位置信息、種植作物、土壤類型、以往施肥等重要信息，且易污損，無法重復(fù)利用；3)田間采樣與樣本檢測之間信息脫節(jié)，檢測結(jié)果共享率與利用率低。RFID (Radio Frequency Identification，射頻識別)是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，RFID裝置一般由RFID標(biāo)識標(biāo)簽、讀寫器、天線以及應(yīng)用軟件組成。 RFID標(biāo)識標(biāo)簽附著在被識別的物體上，當(dāng)帶有標(biāo)識標(biāo)簽的被識別物品通過讀寫器可識讀范圍時，讀寫器可自動以非接觸方式讀寫卡中的信息，從而實現(xiàn)自動識別物品或自動收集物品標(biāo)志信息的功能。RFID標(biāo)識標(biāo)簽具有體積小、壽命長、不易污損、可重復(fù)使用、支持快速讀寫及多目標(biāo)識別等優(yōu)點，可以較好彌補(bǔ)紙質(zhì)標(biāo)簽的不足。近年來，RFID技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、物流、供應(yīng)鏈管理、公共信息服務(wù)等眾多領(lǐng)域，大幅提高了管理與運(yùn)作效率、降低成本，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的信息技術(shù)之一。GPS(Global Positioning System，衛(wèi)星定位系統(tǒng))已被廣泛應(yīng)用于陸地、海洋、空間和航天領(lǐng)域內(nèi)各類軍用和民用目標(biāo)的定位、導(dǎo)航和精密測量，并已初步形成了一個新興的高科技產(chǎn)業(yè)。GPS定位系統(tǒng)一般由3部分組成，即GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控和GPS接收機(jī)。用戶部分即為GPS接收機(jī)，主要用于接收、跟蹤、變換和測量GPS信號。目前，GPS已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的很多環(huán)節(jié)發(fā)揮了巨大的作用，如精確播種、精確施肥、精確噴藥、精確收割等。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何實現(xiàn)高效的土壤采樣及土壤樣品信息的自動標(biāo)識。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于RFID的土壤采樣及自動標(biāo)識裝置， 包括土樣標(biāo)識管理模塊、標(biāo)簽讀寫模塊、采樣鉆頭、土樣盒和RFID標(biāo)識標(biāo)簽，所述土樣標(biāo)識管理模塊用于采集土壤樣品信息，并將所采集的土壤樣品信息發(fā)送給所述標(biāo)簽讀寫模塊，所述標(biāo)簽讀寫模塊用于將所述土壤樣品信息寫入所述RFID標(biāo)識標(biāo)簽中；所述標(biāo)簽讀寫模塊和土樣盒均位于所述采樣鉆頭的內(nèi)部；所述RFID標(biāo)識標(biāo)簽位于所述土樣盒的外表面。
優(yōu)選地，所述土樣標(biāo)識管理模塊包括微處理器模塊和GPS模塊；所述GPS模塊用于采集土壤樣品信息；所述微處理器模塊用于提取GPS模塊采集到的信息，并將該信息傳送至所述標(biāo)簽讀寫模塊。優(yōu)選地，所述裝置還包括手柄和連接桿；所述土樣標(biāo)識管理模塊安裝于所述手柄上；所述連接桿的兩端分別連接所述手柄和采樣鉆頭。優(yōu)選地，所述采樣鉆頭的兩側(cè)開有對稱的把手滑槽，所述把手滑槽包括卡口和滑槽。優(yōu)選地，所述采樣鉆頭的下端為不銹鋼銑齒。優(yōu)選地，距采樣鉆頭內(nèi)部上端一定距離處設(shè)有隔土圈。優(yōu)選地，繞所述采樣鉆頭外圍、不銹鋼銑齒上端至卡口之間標(biāo)有深度刻度表。優(yōu)選地，所述標(biāo)簽讀寫模塊通過螺絲居中固定在采樣鉆頭內(nèi)部頂端。優(yōu)選地，所述裝置還包括固定于所述卡口中的卸樣桿。優(yōu)選地，所述土樣標(biāo)識管理模塊還包括串口擴(kuò)展模塊、無線通信模塊、人機(jī)接口模塊和太陽能供電模塊，所述人機(jī)接口模塊用于接收錄入的土壤樣品信息；所述微處理器模塊通過串口擴(kuò)展模塊與無線通信模塊連接；所述太陽能供電模塊用于給所述土樣標(biāo)識管理模塊的其它模塊供電。(三)有益效果本發(fā)明基于RFID實現(xiàn)了土壤采樣及自動標(biāo)識信息，具有操作簡便，自動化程度高的特點，可在采集土壤樣品的同時，自動實現(xiàn)土壤樣品地理位置信息及其他屬性信息的快速錄入。其中，(1)在采集樣本過程中利用抗金屬RFID標(biāo)識標(biāo)簽對土樣屬性信息進(jìn)行實時標(biāo)識記錄，標(biāo)識標(biāo)簽體積小，信息存儲容量較大，抗污染，解決了傳統(tǒng)土樣管理過程中紙質(zhì)標(biāo)簽易污損、信息容量小、存在人工誤讀寫的問題。(2)裝置內(nèi)嵌GPS模塊，可自動獲取所采集土樣的地理信息位置，并利用讀寫模塊將該位置保存至RFID標(biāo)識標(biāo)簽。同時，所有電子單元由太陽能板供電，自動化、智能、環(huán)保程度高，尤其適用于田間采樣環(huán)境，解決了傳統(tǒng)土壤采樣無法自動錄入地理位置信息的問題。


圖1為本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為土樣標(biāo)識管理模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其與標(biāo)簽讀寫模塊、土樣盒的信息交互不意；圖3為采樣鉆頭的三視圖，其中(a)為主視圖，(b)為左視圖，(C)為俯視圖；圖4為采樣鉆頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
下面對于本發(fā)明所提出的一種基于RFID的土壤采樣及自動標(biāo)識裝置，結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明。為了解決現(xiàn)有常規(guī)土壤田間采樣紙質(zhì)標(biāo)簽信息量小，不包含地理位置信息、易破損，無法保障后續(xù)信息補(bǔ)錄可靠性、效率低等問題，本發(fā)明提供了一種基于RFID的土壤采樣及自動標(biāo)識裝置?；赗FID和GPS技術(shù)，將抗金屬RFID標(biāo)識標(biāo)簽貼于土樣盒上表面，通過內(nèi)嵌式標(biāo)簽讀寫模塊將土壤樣品信息(含地理位置信息)寫入RFID標(biāo)識標(biāo)簽。同時，通過無線通信技術(shù)將RFID標(biāo)識標(biāo)簽中的信息通過網(wǎng)絡(luò)同步傳送至土壤樣品信息管理系統(tǒng)， 為后續(xù)前處理及檢測環(huán)節(jié)提供土樣基礎(chǔ)信息。尤其適用于需要體現(xiàn)采土點地理位置信息的測土配方施肥及土壤養(yǎng)分管理應(yīng)用。如圖1所示，本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)如下(需要說明的是，圖1中的土樣盒8未置于采樣鉆頭6內(nèi)，因此其為非工作狀態(tài)時的分解圖)包括土樣標(biāo)識管理模塊1、手柄2、連接桿3、標(biāo)簽讀寫模塊4、卸樣桿5、采樣鉆頭 6、鋁制土樣盒8、抗金屬RFID標(biāo)識標(biāo)簽9。采樣鉆頭兩側(cè)開有對稱的把手滑槽7。所述土樣標(biāo)識管理模塊1由微處理器模塊、串口擴(kuò)展模塊、GPS模塊、無線通信模塊、人機(jī)接口模塊和太陽能供電模塊組成，用于完成土壤樣品信息(地理位置信息及其他屬性信息)的快速采集。微處理器模塊提取GPS模塊采集到的經(jīng)度、緯度和高程等地理位置信息和人機(jī)接口錄入的土樣其它屬性信息后，通過RS485串口傳送至安裝于采樣鉆頭內(nèi)部頂端的標(biāo)簽讀寫模塊4 ；標(biāo)簽讀寫模塊4將土樣信息寫入土樣盒上表面粘貼的標(biāo)識標(biāo)簽； 完成標(biāo)簽讀寫操作后，微處理器通過串口擴(kuò)展模塊與無線通信模塊連接，可將標(biāo)簽內(nèi)信息傳送至土壤樣品信息管理系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述微處理器模塊選用低功耗單片機(jī)MSP430F149，該單片機(jī)有6組端口(Pl P6)，2組串口 USARTO和USARTl，60KB Flash和2KB RAM。微處理器模塊可對標(biāo)簽讀寫模塊進(jìn)行初始化(主要負(fù)責(zé)對射頻基站部分的初始化工作)，并通過控制標(biāo)簽讀寫模塊，完成對粘貼于土樣盒表面的RFID標(biāo)識標(biāo)簽的讀寫操作。串口擴(kuò)展模塊采用低功耗UART多串口擴(kuò)展芯片SP2338DP，實現(xiàn)將一個UART串口擴(kuò)展為3個全雙工異步工作UART串口。其中，2個擴(kuò)展串口分別用于連接GPS模塊和無線通信模塊。GPS模塊選用Garmin GPS25LP，采用差分定位方式，通過RS232串行通訊方式將數(shù)據(jù)傳給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。無線通信模塊選用SIM300D，與微處理器之間采用RS232串口連接，可通過GPRS/ GSM方式將標(biāo)簽內(nèi)的信息直接發(fā)送至土壤樣品信息管理中心。太陽能供電模塊選用太陽能板的規(guī)格為9V3W，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路輸出3. 3V1. 5W的電源信號供給其它模塊。人機(jī)接口模塊主要包括LMCU864I液晶顯示屏、2 X 2鍵盤、5個按鈕(復(fù)位按鈕、 GPS讀取按鈕、信息錄入按鈕、標(biāo)簽讀寫按鈕及無線通信按鈕)和4個LED指示燈(電源指示燈、GPS指示燈、標(biāo)簽指示燈和無線指示燈)。標(biāo)簽讀寫模塊使用SLRM900芯片，符合IS0/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)控制指令直接驅(qū)動基于13. 56MHz的非接觸式天線，檢測距離范圍達(dá)到土樣識別應(yīng)用需求(0 IOcm)。RFID標(biāo)識標(biāo)簽選用高頻段RFID芯片SLI2 ICS20,具體頻率為13. 56M Hz，遵循IS0/IEC 15693協(xié)議，感知距離為0 10cm?？▋?nèi)可存儲IK bit，其中896bit用于用戶數(shù)據(jù)。本發(fā)明將采樣員、采樣地理位置、農(nóng)戶信息、作物類型、以往施肥、采樣日期、檢測項目、土壤類型、配送信息、檢驗員、檢測日期、前處理參數(shù)、檢測結(jié)果等信息加密成一串16位 ASCII字符，并將該字符串作為土壤樣品的唯一標(biāo)識符儲存在RFID標(biāo)識標(biāo)簽中。上述技術(shù)方案中，土樣標(biāo)識管理模塊1被安置于裝置上端的手柄2中部，手柄為橫向裝置；裝置中間為連接桿，中空結(jié)構(gòu)；下端為采樣鉆頭，中空結(jié)構(gòu)；把手滑槽由卡口 6-1和滑槽6-3兩部分組成。采樣鉆頭下端為超硬不銹鋼銑齒6-4 ；距采樣鉆頭內(nèi)部上端預(yù)設(shè)一定位置處，焊有兩段環(huán)形的隔土圈6-2，用于在取土過程中隔擋土樣盒；繞采樣鉆頭外圍(銑齒上端至把手滑槽卡口之間)標(biāo)有明顯深度刻度表；標(biāo)簽讀寫模塊用螺絲居中固定在采樣鉆頭內(nèi)部頂端。采土過程中，鋁制土樣盒被塞入采樣鉆頭內(nèi)部。采樣鉆頭三視圖如圖3所
7J\ ο采樣鉆頭6內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。上述技術(shù)方案中卡口 6-1開設(shè)在距離采樣鉆頭末端預(yù)設(shè)一定距離處，可將卸樣桿固定在該位置，采樣時每次都將采樣鉆頭推入土壤內(nèi)部， 直至預(yù)定采樣深度(推入采樣鉆頭至采樣點土壤，一般直至卸樣把手與地面接觸，保證每次土樣盒內(nèi)取土深度皆在25cm左右)；滑槽6-3由水平和垂直兩部分組成(如圖3中(b) 所示)，滑槽6-3的水平部分與卡口 6-1連接，卸樣桿5可在滑槽6-3內(nèi)上下自動滑動，方便采樣后助力推出鋁制土樣盒。所述鋁制土樣盒為圓柱中空結(jié)構(gòu)。其上端封口，封口的一端正中央粘貼標(biāo)識標(biāo)簽。 下端開口。土樣盒配有封土鋁制盒蓋。本發(fā)明的操作方法如下(1)將標(biāo)簽粘貼于土樣盒上端外表面正中位置；(2)田間采樣前，將土樣盒塞入本發(fā)明裝置的采樣鉆頭中，使土樣盒下緣與采樣鉆頭銑齒上端平齊，卸樣桿放置于采樣鉆頭的卡口中；( 田間采樣時，若土壤呈砂型或土質(zhì)松軟，用力按壓手柄，并輕微轉(zhuǎn)動，直至目標(biāo)深度；若土壤為粘土或土質(zhì)硬實，則可用力按壓手柄的同時，略微用腳踩踏卸樣桿，增大取土力量，直至目標(biāo)采樣深度；(4)采樣鉆頭到達(dá)目標(biāo)深度后，利用土樣標(biāo)識管理模塊及標(biāo)簽讀寫模塊將GPS信息及其他土樣屬性信息寫入土樣盒表面的RFID標(biāo)識標(biāo)簽中，同時將該土樣信息利用無線通信方式上傳至土樣信息管理中心；(5)標(biāo)識操作完成后，用力向上提拉手柄，將采樣鉆頭從土壤中拔出，將卸樣桿從卡口中取出，沿滑槽向下拉拽，使土樣盒從采樣鉆頭中滑出；(6)用封土盒蓋扣住土樣盒下端開口，該樣品采樣完畢。如進(jìn)行下一樣品采集，重復(fù)步驟O)，如樣品采集完畢，關(guān)閉電源。步驟G)，田間采樣過程中利用本發(fā)明裝置進(jìn)行土樣信息自動標(biāo)識及標(biāo)簽讀寫操作的具體過程如下(4-1)采樣鉆頭到達(dá)目標(biāo)深度后，輕按復(fù)位按鈕，初始化本發(fā)明裝置中的各個電子模塊，土樣標(biāo)識管理模塊中的人機(jī)接口液晶屏顯示“ hitializing”，指示燈全部熄滅；(4-2)輕按GPS讀取按鈕，提取采樣點經(jīng)度、緯度和高程信息，并將該信息存入土樣標(biāo)識管理模塊微處理器的緩存中。采集過程中，液晶屏顯示“GPS Collecting”，GPS指示
6燈閃爍。GPS信息存入緩存后，液晶屏顯示“GPS Saved”，GPS指示燈常亮；(4-3)輕按信息錄入按鈕，然后鍵盤錄入土壤樣品標(biāo)識碼(16位ASCII碼，以“*” 鍵起始，“ #”鍵結(jié)束，中間14位為“0” “1”，將采樣員、采樣地理位置、農(nóng)戶信息、作物類型、 以往施肥、采樣日期、檢測項目、土壤類型、配送信息、檢驗員、檢測日期、前處理參數(shù)、檢測結(jié)果等信息編碼為唯一表征該土樣屬性信息的字符串)，并存入土樣標(biāo)識管理模塊中微處理器的緩存中，液晶屏顯示該字符串，如“*00101010011111#”；(4-4)輕按標(biāo)簽讀寫按鈕，將微處理器緩存中的地理位置信息及其他屬性信息通過RS485串口傳送至標(biāo)簽讀寫模塊，并寫入標(biāo)識標(biāo)簽中。以上操作過程中，液晶屏顯示 “writing”，同時標(biāo)簽指示燈閃爍。寫入完成后，液晶屏顯示“written”，標(biāo)簽指示燈常亮；(4-5)輕按無線傳輸按鈕，將微處理器緩存中的地理位置信息及其他屬性信息通過串口傳送至無線通信模塊，然后利用GPRS無線通信方式將該土樣信息傳送至土樣信息管理中心。無線數(shù)據(jù)傳送過程中，液晶屏顯示“Sending”，同時無線指示燈閃爍。傳送完畢， 液晶屏顯示“knt”，無線指示燈常亮；(4-6)以上操作完成后，輕按復(fù)位按鈕，再次初始化本裝置中各電子模塊。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種基于RFID的土壤采樣及自動標(biāo)識裝置，其特征在于，包括土樣標(biāo)識管理模塊(1)、標(biāo)簽讀寫模塊(4)、采樣鉆頭(6)、土樣盒(8)和RFID標(biāo)識標(biāo)簽 (9)；其中，所述土樣標(biāo)識管理模塊(1)用于采集土壤樣品信息，并將所采集的土壤樣品信息發(fā)送給所述標(biāo)簽讀寫模塊G)，所述標(biāo)簽讀寫模塊(4)用于將所述土壤樣品信息寫入所述RFID 標(biāo)識標(biāo)簽(9)中；所述標(biāo)簽讀寫模塊(4)和土樣盒(8)均位于所述采樣鉆頭(6)的內(nèi)部；所述RFID標(biāo)識標(biāo)簽(9)位于所述土樣盒(8)的外表面。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述土樣標(biāo)識管理模塊(1)包括微處理器模塊和GPS模塊；所述GPS模塊用于采集土壤樣品信息；所述微處理器模塊用于提取GPS模塊采集到的信息，并將該信息傳送至所述標(biāo)簽讀寫模塊⑷。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括手柄(2)和連接桿(3)；所述土樣標(biāo)識管理模塊(1)安裝于所述手柄(2)上；所述連接桿(3)的兩端分別連接所述手柄( 和采樣鉆頭(6)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述采樣鉆頭(6)的兩側(cè)開有對稱的把手滑槽(7)，所述把手滑槽包括卡口(6-1)和滑槽(6-3)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述采樣鉆頭(6)的下端為不銹鋼銑齒 (6-4)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，距采樣鉆頭(6)內(nèi)部上端一定距離處設(shè)有隔土圈(6-2)。
7.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，繞所述采樣鉆頭(6)外圍、不銹鋼銑齒 (6-4)上端至卡口(6-1)之間標(biāo)有深度刻度表。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述標(biāo)簽讀寫模塊(4)通過螺絲居中固定在采樣鉆頭(6)內(nèi)部頂端。
9.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括固定于所述卡口(6-1)中的卸樣桿(5)。
10.如權(quán)利要求1 9中任一項所述的裝置，其特征在于，所述土樣標(biāo)識管理模塊(1) 還包括串口擴(kuò)展模塊、無線通信模塊、人機(jī)接口模塊和太陽能供電模塊，所述人機(jī)接口模塊用于接收錄入的土壤樣品信息；所述微處理器模塊通過串口擴(kuò)展模塊與無線通信模塊連接；所述太陽能供電模塊用于給所述土樣標(biāo)識管理模塊(1)的其它模塊供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及土壤樣品快速識別技術(shù)領(lǐng)域。公開了一種基于RFID的土壤采樣及自動標(biāo)識裝置，包括土樣標(biāo)識管理模塊(1)、標(biāo)簽讀寫模塊(4)、采樣鉆頭(6)、土樣盒(8)和RFID標(biāo)識標(biāo)簽(9)，所述土樣標(biāo)識管理模塊(1)用于采集土壤樣品信息，并將所采集的土壤樣品信息發(fā)送給所述標(biāo)簽讀寫模塊(4)，所述標(biāo)簽讀寫模塊(4)用于將所述土壤樣品信息寫入所述RFID標(biāo)識標(biāo)簽(9)中；所述標(biāo)簽讀寫模塊(4)和土樣盒(8)均位于所述采樣鉆頭(6)的內(nèi)部；所述RFID標(biāo)識標(biāo)簽(9)位于所述土樣盒(8)的外表面。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高效的土壤采樣及土壤樣品信息的自動標(biāo)識。
文檔編號G06K17/00GK102507255SQ20111030514
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月10日
發(fā)明者劉剛, 張麗楠, 張淼, 汪懋華, 盛明婭 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)