果园单轨运输机在轨状态感知系统研制

针对山地果园单轨运输机作业环境受限、定位精度较低等问题,该研究基于高频RFID(RadioFrequency Identification)混合测速定位方法,设计了一套果园单轨运输机在轨状态精准感知系统。感知系统以STM32F103RCT6芯片为主控单元,利用双RFID阅读器读取基准定位标签组的时间差,使用混合测速定位方法,实时计算运输机的作业状态信息;设计了移动端监测软件,通过LoRa通信模块远程获取运输机实时作业状态信息。试验结果表明,运输机在平地路况中运行稳定,感知系统计算的全程平均行驶速度为0.49 m/s,依据秒表记录计算的全程平均行驶速度为0.48 m/s,二者速度相差2%;基准定位标签组间距为3.42m时,运输机全程平均定位误差为6.18±0.60cm;基准定位标签组间距为6.84 m时,运输机全程平均定位误差为6.46±1.14 cm。该研究验证了基于高频RFID精准感知单轨运输机在轨状态的可行性,提升了运输机作业安全性和智能性,可为实现果园生产精准作业提供可靠数据支持。     

轮胎嵌入式超高频无源RFID系统的功率传递特性

轮胎嵌入式超高频无源 RFID 系统在轮胎生命周期管理和安全监控中将发挥十分重要的作用。为此,该文研究了轮胎嵌入式超高频无源RFID系统功率传递特性。轮胎嵌入式超高频无源RFID系统中,读写器和电子标签间的无线链路需要穿过空气和轮胎,路径损耗主要包括空气-轮胎界面间的反射损耗和轮胎中的衰减。基于轮胎介电常数和空气-轮胎界面的边界条件,研究轮胎嵌入式超高频无源RFID系统功率传递特性,提出了一种基于终端开路同轴探针的轮胎介电常数的比对测量方法,建立了轮胎嵌入式超高频无源 RFID 系统功率传递模型。数值分析表明,提出的基于端开路同轴探针的轮胎介电常数的比对测量方法误差小,测量、仿真的反射系数差的绝对值小于0.04,而为了提高轮胎嵌入式超高频无源RFID系统读取距离和可靠性,读写器天线应采用水平极化方式,并且尽可能直视电子标签;应合理设计电子标签嵌入轮胎的深度,避免功率传递函数处于波谷位置。该研究可为轮胎嵌入式超高频无源RFID电子标签与胎压监测系统的设计提供参考。     

单轨道山地果园运输机齿条齿形优选

为减小单轨道山地果园运输机能耗及提高运输效率,该文基于动力学理论建立了运输机驱动轮与轨道齿条啮合的动力学模型,并设计、加工制造了链轮齿形齿条、销轮齿形齿条、摆线齿形齿条。以运输机驱动轮旋转角速度、轨道坡度、齿条齿形为考察因素,以驱动轮与不同齿形齿条啮合时所需提供的驱动扭矩为评价指标,探究齿条齿形对单轨道山地果园运输机力学性能的影响,得到在相同条件下驱动轮与链轮齿形齿条啮合时的驱动扭矩最小,且波动幅度最小。在驱动轮转速为+88.08 rad/s、轨道坡度分别为+0?、+6?、+12?时,驱动轮与链轮齿形齿条啮合时的驱动扭矩均值较驱动轮与圆弧齿形齿条啮合时的驱动扭矩均值分别减小33.82%,33.45%,21.59%;在驱动轮转速为-88.08 rad/s、轨道坡度分别为-0?、-6?、-12?时,驱动轮与链轮齿形齿条啮合时的驱动扭矩均值较驱动轮与圆弧齿形齿条啮合时的驱动扭矩均值分别减小35.55%,27.24%,30.43%。试验结果表明,链轮齿形齿条综合性能最优,较圆弧齿形齿条更适宜用于单轨道山地果园运输机的轨道运输中。该研究为单轨道山地果园运输机轨道的结构优化设计提供了参考。     

基于超高频RFID的生猪屠宰数据采集方案

针对中国生猪屠宰加工具有流水作业、环境恶劣和信息自动采集难度大等问题,该研究采用超高频无线射频识别（RFID）技术,即902 MHz RFID标签并配合超高频天线系统,结合Microsoft Visual Studio 2005和 Microsoft Visual Basic 6.0 环境,设计了适合生猪胴体的RFID标签,开发了电子标签在线读写系统,实现了生猪屠宰流水线上猪只胴体的RFID标识和远距离自动识读。通过生猪溯源耳标信息采集、RFID胴体标签信息与屠宰厂Intranet溯源数据记录系统的自动关联,实现了生猪屠宰过程中溯源关键点的生猪屠宰标识信息的可靠采集、传输与处理等,同时拓展解决了进入超市的胴体RFID标签与终端零售产品分割标签的标识转换与打印的衔接。研究获得的系统与技术已经在天津市某屠宰加工厂和猪肉零售超市进行了示范应用,示范猪只累计达1万头以上,RFID标签读写正确率在99.9%以上,读写速度不影响流水线作业,从技术到应用环节探索了超高频RFID技术在猪肉质量溯源体系建设上具有可行性。     

山地果园单轨运输机超声波避障系统的设计与试验

为避免山地果园单轨运输机运行时碰到前方穿越的移动物体或轨道上的静止障碍物,提高运输机工作的安全性和稳定性,研制了山地果园单轨运输机超声波避障系统。该系统由核心微处理器、超声波探头及收发电路、电源模块、无线通信模块和按键等组成。以规则物块、不规则小石块等作为轨道上的障碍物,以树枝、侧枝较多的盆栽柑橘树作为轨道旁的非障碍物,将超声波探头安装在3个不同位置,使运输机工作在慢、中、快3个不同的速度,测试了避障系统的工作性能。试验结果表明,在一定条件下,避障系统能识别轨道上的障碍物和轨道旁的非障碍物。该研究提升了单轨运输机在轨道上无人驾驶运行的安全性和可靠性。     

双激光雷达温室运输机器人导航系统研制

为解决机器人在温室环境下的自主导航问题,该研究研制了基于双激光雷达的温室运输机器人导航系统,实现温室环境下的地图构建、路径规划和定位导航。融合激光雷达与编码器信息,使用cartographer算法及时定位与地图构建。根据地图与检测点信息,采用Dijkstra算法规划全局路径,使用动态窗口算法规划局部路径,完成自主导航。试验表明,车载系统分别以0.2、0.5和0.8 m/s速度运行时,实际导航路径与目标路径的横向平均偏差小于13 cm,标准差小于5 cm;导航目标点处横向偏差、纵向偏差的平均值不超过9 cm,均方根误差不超过11.2 cm,标准差小于5 cm,航向偏差的平均值小于10°,均方根误差小于12°,标准差小于6°,满足机器人温室运输作业的导航精度需求。     

基于遗传BP算法的温室无线传感器网络定位方法

针对温室移动节点定位的需求,提出了一种基于遗传BP算法的温室无线传感器网络定位方法。该方法主要包括路径损耗指数确定、定位模型训练、未知节点定位3个阶段。首先,锚节点间相互通信,通过高斯校正模型增强定位信息的准确性后,利用最小均方误差估计法确定路径损耗参数;然后,应用遗传BP算法建立未知节点坐标和未知节点至锚节点的距离向量之间的映射关系模型;最后将未知节点接收各锚节点的RSSI值转换为距离向量,输入定位模型中,估算未知节点的位置。试验表明,该方法充分考虑环境对信号传输模型的影响,定位误差≤2m的比例达24%,定位误差≤3.5m的比例达86%,相对定位误差低于4.8%,具有较高的稳定性和定位精度,能够满足实际温室环境的定位需求。     

多路径下桃园射频信号传输特性

为解决无线传感器网络在桃园中的快速部署问题,该文研究了2.4 GHz无线射频信号在桃园中的传播特性。依据角度选取4条传输路径,在3种(0.5、1.5、2.5 m)典型的天线高度,同时测量丢包率和路径损耗情况,分析表明两者具有明显的相关性,天线高度和通信距离是路径损耗的主要影响因素。在天线高度为0.5和1.5 m时,可靠传输距离为6个行距(27 m);在天线高度为2.5 m时,可靠传输距离大于14个行距(63 m),因此冠层顶部为布设天线的最佳位置。对路径损耗数据进行回归分析,发现其在每种天线高度,每条传输路径下对数模型最适合作为路径损耗模型,模型的R2最大为0.945,最小为0.732。为研究节点部署于桃园任意位置时的路径损耗情况,便于节点快速灵活地部署,在3种天线高度下对路径损耗数据进行对数回归分析,R2最大为0.976,最小为0.939。最后对2组模型进行了验证,表明模型可以预测射频信号在桃园中的路径损耗情况,该文研究结果为无线传感器网络在桃园中的部署提供了参考。     

基于GNSS的农机自动导航路径搜索及转向控制

为提高农机自动导航系统性能,提出了一种基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的农机自动导航路径搜索方法和基于预瞄点搜索的纯追踪模型。根据农机不同作业需求,导航系统可选择直线路径搜索或曲线路径搜索,实现农机直线和曲线自动导航作业;建立基于预瞄点搜索的纯追踪模型,并将其用于农机转向控制,该模型不涉及复杂的控制理论,适用性较强。为验证路径搜索方法和纯追踪模型性能,以John Deere拖拉机为试验平台,进行了农机直线跟踪和转向控制导航试验。结果表明:直线路径跟踪导航试验,车速为0.8、1.0和1.2 m/s时,导航均方根误差分别为3.79、4.28和5.39 cm;转向导航试验,车速为0.6 m/s时,在弓形转弯和梨形转弯导航方式下,导航均方根误差分别为25.23和14.42 cm;与模糊控制方法对比试验,直线路径导航方式下,应用该文方法和模糊控制方法的导航均方根误差分别为4.30和5.95 cm,在曲线路径导航方式下,应用该文方法和模糊控制方法的导航均方根误差分别为13.73和21.40 cm;基于GNSS的农机自动导航路径搜索方法和预瞄点搜索的纯追踪模型可以得到较好的定位控制精度,可满足田间实际作业的要求。     

小麦田中天线高度对2.4GHz无线信道传播特性的影响

探索农田环境下无线信道传播特性,将为无线传感器网络部署与功率控制方面的研究打下基础。该研究在小麦田地中实地测试了不同生育期 2.4GHz 无线信号的功率衰减情况和丢包率,进而得出传输范围及路径损耗,并用MATLAB对路径损耗进行了回归分析。研究表明,小麦田中,信号衰减的速度随天线高度的变化单调递减,而传输距离随天线高度的变化单调递增,因此,天线的较优位置应略高于成熟植株（1.2 m左右）。同一天线高度下,小麦生长后期无线信号的衰减大于前期。2.4GHz 无线信号的衰减情况可用对数距离路径损耗模型来预测,理论值与测量值的相关系数在0.961～0.996之间。路径损耗指数与天线高度呈现对数衰减趋势;在同一天线高度下,路径损耗指数随着小麦的生长而增大。     

有机RFID标签在动物食品溯源中的应用前景

无线射频识别(RFID)标签的高成本一直制约着RFID技术的普及应用,有机RFID标签因其成本较低而备受各国关注。该文对新型有机RFID标签在动物食品溯源过程应用的特点进行分析,并与传统的条码、无机RFID标签进行比较。对动物性食品溯源系统的各主要环节特点及其对标签技术的需求进行论证,并对3种标签技术在各环节中的应用进行分析,提出在溯源过程中引进有机RFID标签降低成本,以促进动物性食品追溯技术的广泛应用。     

RFID食品安全可追溯系统读取率优化策略研究

RFID食品安全可追溯系统应用的瓶颈之一是读取率问题.采用粗糙集理论渐进优化正交试验结果,对影响RFID系统读取率及读卡数的距离、偏离高度、速度、行数和列数等5个因素进行渐进正交试验优化,探索低成本RFID食品安全可追溯系统读取率及读卡数的优化策略.根据粗糙集理论的依赖度找出对读取率影响大的因素,重点搜索这些因素的水平值区间,反复调整水平值并进行正交试验,使结果逐渐逼近最优正交试验的水平组合.研究表明:粗糙集渐进优化正交试验方法能有效解决RFID系统读取率及读卡数的优化问题,读取率达到了99.3%以上.该成果为RFID系统的推广应用提供了有力的技术支持.     

农产品质量溯源RFID标签批量识别

在农产品质量溯源中采用批量标签识别可极大提高系统效率。然而,基于成本和使用寿命的考虑,目前在溯源系统中使用射频标签通常选择无源标签,标签之间缺乏协作通道,不可避免会发生标签碰撞。该研究设计了基于射频识别技术的农产品追溯系统,针对所设计的追溯系统应用环境,提出一种可自适应动态调整帧长度的动态帧时隙Aloha标签防碰撞方法。只需在第一帧识别后,利用统计得到的首帧成功时隙、空闲时隙和碰撞时隙数对初始标签规模进行估计,并据此优化调整后续帧长度,实现最优识别。仿真结果表明,提出的防碰撞算法应用于所设计的农产品追溯系统,识别效率得到了显著提高,与目前广泛使用的国际标准相比,全局吞吐量性能提高了30%以上。     

基于RFID及二维条码技术的物资实时监控系统

为了提高物流环节的信息化水平,引入无线网络、移动终端、RFID、汉信码技术,解决了条码编码、移动终端的远程数据访问、预警保护、RFID标签定义和天线架设等关键技术,实现了一套基于RFID及二维条码技术的物资实时监控系统。     

果树无线射频标签不同悬挂方式对读取率的影响

无线射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）可作为单株果树标识的合适选择,但其悬挂位置对读取率具有重要影响。该文通过在山东某苹果园搭建测试环境,分别测试了RFID标签与读写器天线不同距离（条件1）、标签悬挂于果树不同垂直高度（条件2）与水平距离（条件3）及果树遮挡（条件4）4个处理条件下的读取成功次数。结果表明随着标签与读写器天线之间的距离增大其读取成功次数降低,在2.0?m范围内其读取效果较好,但在3?、3.5?m时读取率下降显著,读取率不到50%;在垂直高度（条件2）和水平位置（条件3）下,标签离天线平面中心线越远其读取成功次数越低;而在不同遮挡（条件4）情况下,叶遮挡的读取成功次数＞枝遮挡的读取成功次数＞果遮挡的读取成功次数。基于应用测试结果,在对单株果树进行悬挂RFID标签时,应尽可能选择离行间近的侧枝上、离地距离约1.2～1.4?m、面向行间且无遮挡的地方。     

无线射频所有权转移协议在中药材溯源中的应用

针对现有的所有权转移协议,大多只涉及到单个标签的所有权转移过程,普遍存在隐私数据泄露、所有权转移过程不稳定等问题,该文在轻量级加密算法的基础上,提出一种改进的共享所有权转移协议(TSOTP,TTP model shared ownership transfer protocol),采用基于可信第三方(TTP,trusted third party)的对称加密机制,在完成初始标签认证后,通过TTP授权认证,使用对称加密算法,产生群组对称密钥,新所有者利用共享群组密钥对标签身份进行认证,然后为标签分配新的密钥,从而最终获得授权,读取标签中包含的药材敏感数据.TSOTP协议能够提高标签在所有权转移过程中的稳定性,很好地实现所有权在共享用户之间的安全转移,保证标签的数据安全,减少隐私数据泄露、Dos攻击、重放攻击等风险,提高前向与后向安全性,同时可以避免所有权重复转移,简化了标签认证计算量.经过试验证明,TSOTP协议与群组所有权转移协议(GOT,group ownership transfer)协议相比,标签数据库认证消耗时间节省57％,标签计算量消耗时间节省38％,能够成功阻止重放攻击和异步攻击等,具备较好的稳定性和认证效率,可以满足中药材质量溯源系统的研究需要,研究结果为建立中药材质量溯源系统的标签安全机制提供了技术参考.     

基于RFID的热带特色农业田间信息采集系统

海南的农业生产相对比较落后,主要依靠人力,生产力比较低,科技含量不高,且生产和管理不规范,直接影响消费者的权益和热带特色农业的声誉。针对这些问题,本文提出将RFID技术应用到海南热带特色农业中,结合传感器技术、LabVIEW虚拟仪器技术和单片机技术等,实现对热带特色农业生产过程中的环境信息和农作物自身的特征信息进行实时数据采集,将采集到的数据以编码的形式存储到电子标签中,以达到实现农业生产的高效管理,保证农产品的品质,进行农产品的质量追溯的目的。该文通过对贴有电子标签的琼中绿橙的信息的成功识别试验,验证了     

基于温度感知RFID标签的冷链厢体中温度监测

针对温度感知RFID(radio frequency identification)标签应用于冷链物流温度监测中缺乏有效数据验证的问题,该研究通过将42个温度感知RFID标签部署于冷链模拟平台中,划分了7个横截面、3个纵截面和两个层,设置了机械降温-冷链维持-自然回温3个不同阶段,同时在42个监测位点中选择7个位点同步部署了便携式温度记录仪,获取了不同条件下的温度监测数据,并与便携式温度记录仪数据和CFD(computational fluid dynamics)模拟数据进行了比较。7个温度感知RFID标签与便携式温度记录仪同步监测位点的数据表明,两种监测方法温差分布于±0.5℃范围内的数据点最多,占43.6%,温差分布于-1.0~-0.5℃区间的数据占了24.6%,考虑到2种设备自身的温度采集精度,温差在±0.8℃范围内可接的,其比例占71.3%,因此利用温度感知RFID标签进行冷链温度监测是可行的。对42个位点在3个不同阶段的温度监测数据表明,机械降温阶段各位点用时在1 h以内、冷链维持阶段大部分位点表现出温度在在0~4℃之间振荡的特征、自然回温阶段用时约49 h。深入分析机械降温阶段及冷链维持阶段不同截面的温度监测数据,结果表明3种截面均表现为降温初始阶段温度差值不稳定、稳定后具有明显的分布特征且离出风口较近降温较快的特点。以横截面2和横截面6平均温度为例,将温度感知RFID标签数据采集数据与CFD模拟数据进行比较,去除测量精度的干扰,截面2的均方根误差为0.73℃、平均相对误差为13.58%、截面6的均方根误差为0.56℃、平均相对误差为10.94%,具有较好的空间一致性。研究结果可为实现冷链物流中低成本、连续的温度监测奠定基础。