基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)智能鴿蛋收集系統(tǒng)

萬偉康 王文博 馬炳曦 時代兒 李伙全 黃海飛

摘 要：近年來，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷拓展，通過與互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等技術(shù)相結(jié)合，人們可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物體的信息跟蹤與共享。當(dāng)今養(yǎng)殖業(yè)仍普遍采用人工采集數(shù)據(jù)的方式，而未來的養(yǎng)殖市場將不只是人工成本的比拼，更在于資源和服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)平臺的實(shí)現(xiàn)將為養(yǎng)殖業(yè)智能化提供更廣闊的應(yīng)用空間。本研究提出了RFID鴿蛋數(shù)據(jù)采集、GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)慕鉀Q方案。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；GPRS；電子標(biāo)簽；肉鴿養(yǎng)殖

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0063-04

0 引 言

肉鴿養(yǎng)殖中鴿子蛋是主要的經(jīng)濟(jì)收入來源，而鴿子每個月下蛋的數(shù)量受鴿子生長情況的限制，有的鴿子每月下蛋多，而有的每月下蛋少，對于那些每月下蛋比較少的或者生病不下蛋的鴿子要及時進(jìn)行動物治療。然而眾多鴿子的管理卻會耗費(fèi)巨大的人力物力資源，并且難以做出較為全面和系統(tǒng)的管理與分析。近年來隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，通過與互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等技術(shù)相結(jié)合，人們可以在全球范圍內(nèi)對物體的信息進(jìn)行跟蹤與共享，這為基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)智能鴿蛋收集系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的肉鴿養(yǎng)殖方式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等便攜式通信設(shè)備技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)了更方便的肉鴿鴿蛋收集功能，將物聯(lián)網(wǎng)的易用性、便捷性加入肉鴿養(yǎng)殖中，互聯(lián)網(wǎng)平臺的搭建將肉鴿養(yǎng)殖的方式拓展到智能化物聯(lián)網(wǎng)時代，用戶和工作人員都能利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方便的管理和查詢?nèi)怿濔B(yǎng)殖狀況。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)RFID智能鴿蛋收集系統(tǒng)使用STM32核心板進(jìn)行開發(fā)，融合了RC522為核心的RFID模塊，SIM800L為核心的GPRS模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳送，綜合實(shí)現(xiàn)了肉鴿鴿蛋的采集功能與無線發(fā)送數(shù)據(jù)功能，并研究搭建了初級形態(tài)的智能鴿蛋收集系統(tǒng)。

應(yīng)用平臺可通過RC522芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過STM32控制器實(shí)現(xiàn)與RFID模塊和GPRS模塊之間的串口通信，通過廣域網(wǎng)服務(wù)器提供的網(wǎng)頁服務(wù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測以及管理每天收集的鴿蛋數(shù)量。

1.2 工作原理

本設(shè)計(jì)搭建的物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)硬件部分包括RFID數(shù)據(jù)采集器、GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸設(shè)備、因特網(wǎng)服務(wù)器端。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主要控制單元，結(jié)合了RC522讀卡器硬件以及基于TCP的HTTP協(xié)議以AT指令的方式實(shí)現(xiàn)了鴿蛋數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸功能，同時在云端使用了基于Apache的服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)頁遠(yuǎn)程查詢管理功能。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了注冊模式、統(tǒng)計(jì)模式以及短信模式三種操作方式。注冊模式將當(dāng)天產(chǎn)蛋的肉鴿的電子標(biāo)簽注冊后利用統(tǒng)計(jì)模式將產(chǎn)蛋數(shù)以刷卡的方式寫入IC射頻卡中，同時系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以串口方式發(fā)送至GPRS模塊以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。當(dāng)遇到肉鴿生病等異常情況時，使用短信模式將肉鴿的電子標(biāo)簽信息發(fā)送至專業(yè)人員處。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)功能效果圖如圖3所示。

2 硬件部分

2.1 硬件原理

2.1.1 STM32F103RBT6控制芯片

本系統(tǒng)采用基于高性能ARMCortex-M3TM 32位RISC核心的STM32F103RBT6芯片作為系統(tǒng)的主控芯片。STM32F103RBT6工作的電源電壓范圍為23.6 V。他們在–40+85℃的溫度范圍和–40+105℃擴(kuò)展的溫度范圍可用。所有器件提供兩個12位ADC、三通用16位定時器、PWM定時器以及標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)的通訊接口：上兩I2CS和SPI接口，三個串行外設(shè)接口，一個USB和CAN。這些特點(diǎn)使得STM32F103RBT6高介質(zhì)密度性能線微控制器系列擁有廣泛的應(yīng)用范圍，如電機(jī)、應(yīng)用控制、醫(yī)療和手持設(shè)備及工業(yè)上應(yīng)用PLC變頻器和空調(diào)系統(tǒng)等方面。

2.1.2 RC522

MF RC522是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員，利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。它是NXP 公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、小體積的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇 。

2.1.3 SIM800L

系統(tǒng)中GPRS模塊采用SIM800L無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。SIM800L是一款四頻GSM/GPRS模塊，LGA封裝。其性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價比高，能滿足客戶的多種需求。SIM800L工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM800L尺寸為15.8 mm×17.8 mm×2.4 mm，幾乎可以滿足所有用戶在應(yīng)用中對空間尺寸的要求，適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)——聯(lián)網(wǎng)模塊如圖6所示。

3 軟件部分

3.1 軟件原理

3.1.1 原理概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID鴿蛋收集系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控單元，結(jié)合RC522核心的RFID模塊以及基于TCP實(shí)現(xiàn)的HTTP協(xié)議和基于串口的GPRS控制器共同實(shí)現(xiàn)了鴿蛋收集系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能，在云端使用了基于Apache的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)頁顯示功能。

3.1.2 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)功能可通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊來實(shí)現(xiàn)，其最多可支持50個按鍵；擁有一路全功能串口，可根據(jù)需要配置成兩個獨(dú)立的串口；具有一路USB接口，可模擬出一路串口，便于客戶調(diào)試；擁有可編程的通用輸入輸出接口（GPIO）；一路SIM卡接口；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議；支持4頻GSM/GPRS；支持通常用于PPP連接的PAP協(xié)議；支持分組廣播控制信道（PBCCH）；GPRS數(shù)據(jù)上/下行傳輸?shù)淖畲笏俣葹?5.6 Kb/s。

3.1.3 串口通訊及中斷

本系統(tǒng)使用了3個串口，串口接收和發(fā)送使用FIFO環(huán)形緩沖區(qū)，從而有效避免了多串口多中斷的消息丟失問題。各串口功能如表1所列。

3.1.4 服務(wù)器端網(wǎng)頁和php部分

3.1.4.1 服務(wù)器概況、架構(gòu)及體系

我們申請了位于教育網(wǎng)的服務(wù)器，可進(jìn)行自主維護(hù)和管理，安全性和穩(wěn)定性均得到了保障。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用基于RHEL（Red Hat Enterprise Linux，RHEL）內(nèi)核的CentOS，不僅可以兼顧性能及安全，還具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及算法，專門為提供Web服務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。Web服務(wù)器軟件采用Apache+php這一成熟體系，簡單高效，能為用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)。

3.1.4.2 核心腳本文件的作用

核心腳本文件具有如下功能：

（1）在服務(wù)器端的指定目錄中使用index.php接收、處理并存儲單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，返回用戶控制代碼；

（2）view.php提供用戶直接訪問的網(wǎng)頁接口；

（3）data.php用于處理用戶提交的表單和頁面自動發(fā)送的AJAX請求等數(shù)據(jù)。

3.1.4.3 數(shù)據(jù)接收與處理

單片機(jī)采用GET方式發(fā)送HTTP請求，在后臺使用正則表達(dá)式對字符串進(jìn)行處理與過濾。然后使用獨(dú)立文件存儲腳本運(yùn)行狀態(tài)及處理后的數(shù)據(jù)。采用關(guān)鍵字作為驗(yàn)證碼以識別數(shù)據(jù)發(fā)送者的合法性，若檢測到無關(guān)設(shè)備發(fā)送的非法數(shù)據(jù)或發(fā)生錯誤時能及時結(jié)束腳本運(yùn)行并關(guān)閉連接，避免對服務(wù)器安全造成威脅或消耗系統(tǒng)資源，保證服務(wù)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.1.4.4 數(shù)據(jù)讀取與呈現(xiàn)

等待用戶請求，讀取文件并提取關(guān)鍵的字符串，將其轉(zhuǎn)換為所需的文字信息、百分比等格式的數(shù)值，并以較為友好的方式呈現(xiàn)給用戶。

3.1.4.5 用戶訪問接口頁面

采用AJAX方式與后端進(jìn)行實(shí)時交互，及時獲取最新的數(shù)據(jù)，向用戶實(shí)時顯示相關(guān)提示信息，并及時將用戶控制指令返回到后端處理，之后發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制動作。

3.2 原理框圖

4 系統(tǒng)整體功能測試連接先前調(diào)試好的各個部件進(jìn)行整體功能測試，包括如下內(nèi)容：

（1）接通設(shè)備電源，打開RIFD鴿蛋搜集系統(tǒng)，等待設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)。

（2）注冊模式：用已連接裝置記錄有產(chǎn)蛋的鴿蛋標(biāo)簽。

（3）收集模式：根據(jù)鴿蛋數(shù)目，將標(biāo)簽（IC白卡）向RFID裝置刷相應(yīng)次數(shù)，同時無線網(wǎng)絡(luò)模塊詳細(xì)記錄并發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

（4）LCD顯示屏顯示當(dāng)前刷卡信息（模式；標(biāo)簽；鴿蛋數(shù)）。

（5）短信模式：當(dāng)肉鴿出現(xiàn)異常情況時，即可用短信模式將該鴿子信息發(fā)送至相關(guān)人員請求幫助。

4.1 測試設(shè)備

測試設(shè)備包括RFID模塊、開發(fā)與調(diào)試用電腦與指定號碼手機(jī)一臺、用于連接互聯(lián)網(wǎng)的GPRS模塊、ARM開發(fā)板、STM32開發(fā)板及串口模塊、提供公網(wǎng)IP的服務(wù)器、IC射頻卡。

4.2 軟件配置

4.2.1 串口調(diào)試助手軟件

在Microsoft Windows平臺上使用串口調(diào)試助手對操作SIM800L的AT指令進(jìn)行修改和調(diào)試。

4.2.2 單片機(jī)開發(fā)與調(diào)試軟件

在Microsoft Windows平臺上選用Keil mVision5作為開發(fā)軟件對RFID和STM32以及GPRS模塊進(jìn)行開發(fā)。

4.2.3 服務(wù)器操作系統(tǒng)與HTTP服務(wù)器軟件

（1）本地采用wamp軟件包進(jìn)行PHP調(diào)試。

（2）公網(wǎng)服務(wù)器選用基于Red Hat Enterprise Linux的CentOS 6.5作為服務(wù)器操作系統(tǒng)，并安裝配置 Apache 2.2.24和php 5.3.3提供HTTP和Web服務(wù)。

4.3 測試數(shù)據(jù)

4.4 結(jié)果分析

測試結(jié)果如下所示：

（1）使用IC射頻卡注冊后能進(jìn)行計(jì)數(shù)操作（在液晶顯示器上顯示）。

（2）網(wǎng)頁接收到刷卡后上傳的數(shù)據(jù)：時間、卡編號、鴿蛋數(shù)量（GPRS模塊正常）。

（3）短信模式下固定手機(jī)號碼能正常接收到短信提示。

（4）單片機(jī)向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)能被正常解析并存儲，在網(wǎng)頁上可以實(shí)時刷新顯示。

（5）單片機(jī)能接收到服務(wù)器返回的控制碼并做出正常響應(yīng)，表明系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié) 語

本文使用以ARMCortex處理器為核心的STM32控制芯片通過串口通信將RFID電子標(biāo)簽的信息傳送給GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸功能。注冊模式、統(tǒng)計(jì)模式與短信模式均良好運(yùn)行，后期對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與分析，使得本設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性，同時對提高現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的數(shù)據(jù)智能化管理水平有很大幫助。

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