基于MSP430和RFID 的小型化智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章若冰

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲412001）

基于MSP430和RFID 的小型化智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章若冰

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲412001）

本文針對(duì)我國(guó)溫室農(nóng)業(yè)"小而散"的分布特征，提出基于MSP430和RFID的小型化智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以微控制器S3C2440作為讀卡器的核心控制器，超低功耗單片機(jī)MSP430作為有源標(biāo)簽的核心控制器，CYRF6936射頻芯片作為無(wú)線模塊。標(biāo)簽通過(guò)溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度傳感器采集環(huán)境信息，傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)。

MSP430；RFID；光照強(qiáng)度傳感器；智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但農(nóng)業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量與世界先進(jìn)水平還存在巨大的落差，表現(xiàn)為生產(chǎn)技術(shù)落后、產(chǎn)品質(zhì)量不高、產(chǎn)品過(guò)剩和短缺并存[1]。在WTO的市場(chǎng)框架下，面對(duì)全球的農(nóng)業(yè)市場(chǎng)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)如何發(fā)展關(guān)系到我國(guó)全面小康社會(huì)建設(shè)的成敗、農(nóng)業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定。利用智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)升級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，能夠有效的提高我國(guó)農(nóng)業(yè)的整體技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)與趨勢(shì)，對(duì)環(huán)境實(shí)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制的設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然途徑之一[2-3]；此外我國(guó)農(nóng)業(yè)分布呈“小而散”的特點(diǎn)，存在很多小型化的溫室生產(chǎn)模式，因此，研制成本低廉、操作簡(jiǎn)單、可靠性高的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是我國(guó)現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵[4-5]，文中設(shè)計(jì)提出一種基于MSP430和RFID的小型化智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的系統(tǒng)方案。由PC機(jī)作為上位機(jī)、以S3C2440為核心控制芯片的讀卡器和有源標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)組成的溫室集群控制系統(tǒng)。

1　總體方案

本系統(tǒng)主要由有源標(biāo)簽、讀卡器、上位機(jī)顯示控制部分組成。如圖1所示。

圖1　小型化智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在溫室環(huán)境中各處安放有源標(biāo)簽，通過(guò)溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度傳感器對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行采集，系統(tǒng)控制方面設(shè)定門(mén)限值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集到的信息高于或低于門(mén)限值時(shí)，由讀卡器控制溫室中溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能控制[6-8]。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1讀卡器設(shè)計(jì)

讀卡器主要由核心處理器、SDRAM和FLASH共同組成，將CYRF6936模塊嵌入系統(tǒng)中，并基于Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)RF模塊驅(qū)動(dòng)程序及上層應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)RF底層通信功能和上層相關(guān)RF通信協(xié)議，使讀卡器與標(biāo)簽之間進(jìn)行無(wú)線通信[9]。讀卡器架構(gòu)如圖2所示。

圖2　讀卡器系統(tǒng)架構(gòu)

2.2有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)

有源標(biāo)簽采用MSP430F2122單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)SPI接口與CYRF6936實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，從而與讀卡器進(jìn)行無(wú)線通信，在無(wú)線通信中采用CRC算法對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校驗(yàn)。有源標(biāo)簽通過(guò)環(huán)境溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度傳感器采集環(huán)境因子信息，并將數(shù)據(jù)上傳給讀卡器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因子的檢測(cè)與控制[10]。

2.2.1溫濕度測(cè)量電路

本設(shè)計(jì)中采用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，全標(biāo)定、數(shù)字輸出、低能耗、具有極高的可靠性與穩(wěn)定性，它通過(guò)單總線形式與標(biāo)簽的MCU相連。

2.2.2光照強(qiáng)度測(cè)量電路

TSL2561是第二代環(huán)境光照傳感器。TSL2561內(nèi)置了兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），分別對(duì)流經(jīng)兩個(gè)光電二極管的電流進(jìn)行積分。其中通道0對(duì)可見(jiàn)波段和紅外波段敏感，通道2僅對(duì)紅外波段敏感。兩個(gè)二極管通道的積分是同時(shí)進(jìn)行的，同時(shí)TSL2561光照傳感器具備高速、低功耗、寬量程、可編程且可以根據(jù)用戶(hù)靈活配置等優(yōu)勢(shì)，TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2.3CO2測(cè)量電路

T6004型CO2模塊通過(guò)3種信號(hào)輸出方式，本文采用模擬信號(hào)輸出方式。T6004芯片體型小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗小，所以特別適合安全檢測(cè)或便攜儀器使用。CO2測(cè)量電路如圖4所示。

圖4　CO2測(cè)量電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)軟件兩個(gè)部分。上位機(jī)主要完成以下兩項(xiàng)工作：數(shù)據(jù)顯示和配置文件設(shè)置。配置文件包括系統(tǒng)工作模式選擇，溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度門(mén)限值設(shè)置，外部設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)設(shè)定。數(shù)據(jù)顯示主要包括實(shí)時(shí)顯示各溫室環(huán)境參數(shù)，提供將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)功能，用戶(hù)可通過(guò)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL中進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)功能。

3.1上位機(jī)軟件工作流程

上位機(jī)軟件工作流程如圖5所示。在設(shè)置配置文件后，配置文件的數(shù)據(jù)會(huì)傳送給讀卡器，完成讀卡器的配置；接收讀卡器傳回的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)返回后，上位機(jī)將其寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并判斷返回?cái)?shù)據(jù)中是否包含報(bào)警信息。報(bào)警信息的消除有兩種模式，人工控制模式和自動(dòng)控制模式，人工模式下，系統(tǒng)將等待工作人員手動(dòng)操作，若為自動(dòng)控制模式，系統(tǒng)將根據(jù)警報(bào)情況自動(dòng)向讀卡器發(fā)送控制命令，操作控制模塊。

3.2應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

讀卡器在應(yīng)用程序?qū)又饕ㄖ骶€程、對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備操作線程、對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的線程、與上位機(jī)通訊線程。在應(yīng)用程序?qū)幼x卡器調(diào)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊進(jìn)行無(wú)線通信，然后由控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備模塊通過(guò)SPI口采集CYRF6936射頻模塊上的通信數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)好原始數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理，并最后通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊與上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，向上位機(jī)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，上位機(jī)根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，執(zhí)行相關(guān)的控制命令。應(yīng)用程序操作流程如圖6所示。

4　效益分析與結(jié)論

我國(guó)糧食供應(yīng)方面，在未來(lái)幾年可能出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀況；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，我國(guó)灌溉水利用率僅47%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，此外，化肥、農(nóng)膜和農(nóng)藥使用量都呈現(xiàn)上升的態(tài)勢(shì)。主要因?yàn)樵O(shè)施智能化水平低，農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備落后，沒(méi)有做到科學(xué)的，精細(xì)化的種植，生產(chǎn)管理粗放。如圖7所示。

目前，大棚布局還比較分散，存在很多小型化的溫室，針對(duì)這種小型化農(nóng)業(yè)，生產(chǎn)仍處于較低水平，設(shè)施不規(guī)范。本設(shè)計(jì)在生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益3個(gè)方面都存在比較大優(yōu)勢(shì)。使其更容易在小型溫室農(nóng)業(yè)農(nóng)戶(hù)中得到普及和市場(chǎng)推廣。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，本監(jiān)控系統(tǒng)下的智能溫室在環(huán)境能量的消耗上相比露地少40%，比普通溫室也少20%的能量消耗；農(nóng)產(chǎn)品的整體產(chǎn)量也翻倍增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通溫室，并且提高了質(zhì)量。

圖5　上位機(jī)軟件工作流程圖

圖6　應(yīng)用程序操作流程

圖7　農(nóng)產(chǎn)量預(yù)測(cè)圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)。具有良好的市場(chǎng)價(jià)值。

[1]陳福民.基于RFID的小型化智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].通訊世界，2014（3）:127-129.

[2]史國(guó)濱.GPS和GIS技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（10）:1948-1950.

[3]鄧美琛.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究[D].上海：東華大學(xué)，2014.

[4]呂文艷.李金瑩.楊宏業(yè).基于ZigBee的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，24（7）:19-22

[5]張偉.面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[6]高峰.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[7]尚明華，黎香蘭，王風(fēng)云，等.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及其在設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控中的應(yīng)用[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，44（9）:13-16.

[8]高峰，盧尚瓊，徐青香，等.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及其在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用緊張[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào).2010，27（5）:762-769.

[9]嚴(yán)潔，鄭慶紅.智能菇房溫濕度調(diào)控系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（10）：103-106.

[10]韋孝云，盧缸.面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代電信科技，2012（6）:50-55.

Intelligent agricultural monitoring system designed based on MSP430 and RFID

ZHANG Ruo-bing
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

“Small and messy”is the feature of the greenhouse agriculture in China，so a intelligent agriculture monitoring system based on MSP430 and RFID was put forward.The system took the S3C2440 as the main controller of the reader、MSP430 made by TI corporation acted as the controller of the tag and the CYRF6936 RF chip made by CYPRESS company as the wireless module.The tag collected the information of the environment such as the temperature、density of the CO2and the intensity of the light by kinds of sensors，then transfer to the monitoring center.The system has characteristics of simple structure，low cost，good real-time performance，simple operation，easy maintenance，high economic benefit.

MSP430F413；RFID；light intensity sensor；intelligent agricultural monitoring system

TN830

A

1674－6236（2016）22-0180-03

2015-11-19稿件編號(hào)：201511193

章若冰（1984—），女，湖南株洲人，講師。研究方向：智能儀器與儀表，電子技術(shù)應(yīng)用。