基于RFID的農(nóng)田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

周鵬 張步凡 李鑫雨 李輝

摘要：為解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田中做對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的各種問(wèn)題，減輕實(shí)驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的繁重工作，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，縮短實(shí)驗(yàn)周期。結(jié)合RFID技術(shù)、云服務(wù)器及4G通信技術(shù)設(shè)計(jì)出使用與維護(hù)便捷的手持設(shè)備及性能可靠的云服務(wù)器程序，用戶通過(guò)PC或手機(jī)訪問(wèn)云服務(wù)器查看數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，構(gòu)建了完整的農(nóng)田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可以滿足市場(chǎng)需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：對(duì)比實(shí)驗(yàn);RFID;4G通信;云服務(wù)器;MF-RC522

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）27-0224-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田中經(jīng)常需要做各種對(duì)比實(shí)驗(yàn)，存在諸如土壤對(duì)比實(shí)驗(yàn)、肥料對(duì)比實(shí)驗(yàn)、農(nóng)藥對(duì)比實(shí)驗(yàn)及不同品種作物間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)等需求[1]。目前許多實(shí)驗(yàn)基地，仍然采用以塑料標(biāo)簽為主的方式進(jìn)行不同信息的標(biāo)識(shí)。采用塑料標(biāo)簽對(duì)不同土壤、肥料、農(nóng)藥等信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)時(shí)存在以下不足：首先，塑料標(biāo)簽上可寫的信息十分有限，不能完整地記錄實(shí)驗(yàn)信息;其次，塑料標(biāo)簽易受污損，影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行;最后，采用塑料標(biāo)簽時(shí)，仍需要實(shí)驗(yàn)人員在其他媒介上補(bǔ)充記錄其他必要信息，存在記錄的信息與現(xiàn)場(chǎng)的信息對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。將RFID、4G、云服務(wù)器等技術(shù)引入到此類農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田中可以解決上述問(wèn)題，提高農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)的信息化水平，達(dá)到縮短實(shí)驗(yàn)周期，提高實(shí)驗(yàn)可靠性、準(zhǔn)確性等目的[2]。

1 系統(tǒng)的原理及總體設(shè)計(jì)方案

RFID即射頻識(shí)別是指利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)非接觸自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術(shù)之一，根據(jù)射頻信號(hào)頻率的不同可將RFID技術(shù)劃分為低頻、中高頻和超高頻幾類。這幾類RFID技術(shù)各有特點(diǎn)，低頻RFID幾乎沒(méi)有環(huán)境變化引起的性能下降且讀寫器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜，但識(shí)別距離短。超高頻RFID有較遠(yuǎn)的識(shí)別距離且識(shí)別速度快，但對(duì)濕度、沖擊等環(huán)境敏感。中高頻RFID適合短識(shí)別距離，識(shí)別速度適中，且環(huán)境對(duì)其影響不大，比前兩類RFID技術(shù)更適合農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)田這樣的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。目前常用的中高頻RFID讀卡器專用芯片有很多，比如恩智浦公司推出的MF-RC522就是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員，具有低電壓、低成本、體積小等特點(diǎn)，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇[4]。

基于MF-RC522芯片的讀寫器與MIFARE1卡構(gòu)成的系統(tǒng)采用電感耦合的方式，由MF-RC522芯片構(gòu)成的讀寫器將命令調(diào)制到射頻信號(hào)上即載波，發(fā)射該載波信號(hào)以在其周圍空間產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場(chǎng)。當(dāng)MIFAREI卡被放置于讀寫器能識(shí)別的區(qū)域內(nèi)時(shí)，讀寫器電磁場(chǎng)穿越卡的天線橫截面，使天線產(chǎn)生電磁感應(yīng)?？ㄆ瑑?nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，當(dāng)其諧振頻率和讀寫器發(fā)射的頻率相同時(shí)，LC諧振電路產(chǎn)生共振，使得線圈上的感應(yīng)電壓達(dá)到最大。卡內(nèi)的電路對(duì)接收到的射頻載波進(jìn)行解調(diào)，還原出有用的命令信息后加以執(zhí)行。MIFAREl卡將需要回復(fù)的信息調(diào)制到載波上送回讀寫器，最后讀寫器接收MIFAREI卡送回的載波信號(hào)并解調(diào)得到MIFAREI卡的應(yīng)答消息。

農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田中實(shí)驗(yàn)的種類繁多，以肥料實(shí)驗(yàn)為例，分析一般對(duì)比實(shí)驗(yàn)共通的基本需求以用于農(nóng)田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通常在試驗(yàn)田中的不同區(qū)域內(nèi)會(huì)使用不同的肥料，在同一區(qū)域內(nèi)雖然使用同樣的肥料，但在不同子區(qū)域肥料使用量又有區(qū)別。針對(duì)各個(gè)區(qū)域，在其對(duì)應(yīng)標(biāo)簽內(nèi)寫入肥料品種以及用量等信息，使用設(shè)計(jì)的專用手持設(shè)備可以很方便地在田間讀取不同區(qū)域的肥料使用情況。這種在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手持設(shè)備了解不同區(qū)域肥料使用情況及通過(guò)人工判斷相應(yīng)區(qū)域作物生長(zhǎng)情況的方式雖然解決了實(shí)驗(yàn)的基本需求，但實(shí)驗(yàn)人員仍然需要在現(xiàn)場(chǎng)做大量的記錄工作，工作量大且容易出錯(cuò)，不能很好地體現(xiàn)信息化對(duì)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)的促進(jìn)作用。因此在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化。在RFID標(biāo)簽中寫入地址信息，在手持設(shè)備中加入4G模塊，該模塊帶有4G通信和GPS定位功能，使用手持讀寫器終端設(shè)備即可讀取RFID標(biāo)簽內(nèi)包括地址信息在內(nèi)的所有信息，并將信息傳輸至云服務(wù)器[5]。此時(shí)使用手持讀寫器終端的拍照功能采集現(xiàn)場(chǎng)照片信息，并將信息傳輸至云服務(wù)器。在云服務(wù)器端，可以根據(jù)接收到的不同子區(qū)域肥料使用信息和作物生長(zhǎng)圖片來(lái)分析不同肥料及相同肥料不同用量對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響。

農(nóng)田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由手持讀寫器終端、RFID標(biāo)簽、云服務(wù)器及PC或手機(jī)終端組成。手持讀寫器終端在整個(gè)系統(tǒng)中起到連接農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田現(xiàn)場(chǎng)與云服務(wù)器、PC或手機(jī)用戶的橋梁，擔(dān)負(fù)著收集現(xiàn)場(chǎng)位置、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖片等各種信息的重要職責(zé)。手持讀寫器終端設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)收集的原始數(shù)據(jù)一般都存放在云服務(wù)器上，云服務(wù)器除了保存大量的現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)外還需要對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選與分析，便于得出準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]。政府相關(guān)機(jī)構(gòu)、肥料廠商和種植戶可以使用PC或手機(jī)借助互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)云服務(wù)器直接獲取試驗(yàn)田中的各項(xiàng)或部分權(quán)限允許的數(shù)據(jù)，共享服務(wù)器對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，便于實(shí)時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行糾正及對(duì)肥料等產(chǎn)品的效果做出科學(xué)評(píng)估。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由STM32F103VET6主控電路、RFID讀寫器接口電路、4G模塊接口電路、攝像頭接口電路、液晶屏接口電路及電源電路等組成，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。SIM7600C模塊及攝像頭模塊可以通過(guò)串口與STM32F103VET6進(jìn)行連接，而本系統(tǒng)所選用的STM32F103VET6芯片帶有5個(gè)串口，足以滿足本應(yīng)用的需求。

由于該系統(tǒng)存在使用3.3V和5V兩種不同電壓的模塊，因此采用5v的電源適配器供電后采用AMS1117-3.3V芯片將Sv轉(zhuǎn)為3.3V，為不同模塊進(jìn)行供電。為防止意外短路或元器件故障導(dǎo)致的短路，在開關(guān)之后增加的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，以提高系統(tǒng)的安全可靠性，具體電路如圖2所示。

本系統(tǒng)的主要功能模塊是RFID讀寫器模塊，通過(guò)該模塊讀取現(xiàn)場(chǎng)不同區(qū)域內(nèi)MIFAREI卡的信息。該讀寫器模塊采用的是恩智浦公司推出的MF-RC522芯片，該芯片與STM32F103VET6主控電路通過(guò)SPI接口進(jìn)行連接，具體電路如圖3所示。RFID讀寫器模塊與STM32F103VET6主控電路的具體連接為MF522_MOSI和MF522_MISO兩根數(shù)據(jù)線，另外MF522_SCK、MF522_SS、MF522_RST分別為時(shí)鐘線、片選線和復(fù)位線。

考慮手持設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)顯示信息的需求及產(chǎn)品成本等因素，本系統(tǒng)選用性價(jià)比高且應(yīng)用廣泛的12864液晶屏，12864液晶屏與STM32F103VET6主控電路通過(guò)8根并口數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接，并可通過(guò)可變電阻來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示屏的亮度，具體電路如圖4所示。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一方面需要在手持設(shè)備上開發(fā)基于STM32F103VET6的各模塊應(yīng)用程序，另一方面需要在云端編寫服務(wù)器程序。PC或手機(jī)用戶可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)服務(wù)器，也可以為PC或手機(jī)用戶訪問(wèn)服務(wù)器開發(fā)相應(yīng)的App程序。

手持設(shè)備硬件程序設(shè)計(jì)主要圍繞RFID讀寫器模塊、液晶顯示模塊、攝像頭模塊及SIM7600C通信模塊進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)4種模塊與STM32F103VET6的連接方式可以分析出通過(guò)調(diào)用ST公司提供的SPI、GPIO及串口相關(guān)的庫(kù)函數(shù)即可完成4種模塊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。結(jié)合具體應(yīng)用可以設(shè)計(jì)出圖5所示的系統(tǒng)程序流程圖。

手持設(shè)備采集的現(xiàn)場(chǎng)MIFARE1卡的數(shù)據(jù)及攝像頭采集的相應(yīng)區(qū)域圖片通過(guò)SIM7600C通信模塊傳輸至云服務(wù)器，購(gòu)買的云服務(wù)器上一般運(yùn)行的Linux操作系統(tǒng)，因此需要開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器程序。服務(wù)器程序負(fù)責(zé)對(duì)socket服務(wù)器進(jìn)行封裝，并在請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，對(duì)請(qǐng)求的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。應(yīng)用程序則負(fù)責(zé)具體的邏輯處理。為了方便應(yīng)用程序的開發(fā)，可選用Django、Flask、web.py等Web框架。WSGI（ Web ServerGateway Interface）是一種規(guī)范，它定義了使用PVthon編寫的web應(yīng)用程序與web服務(wù)器程序之間的接口格式，實(shí)現(xiàn)web應(yīng)用程序與web服務(wù)器程序間的解耦。web應(yīng)用程序除需要完成接收現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)外，還需借助MySOL數(shù)據(jù)庫(kù)保存上述現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)供后續(xù)的分析及PC或手機(jī)的客戶端訪問(wèn)查詢。

4 結(jié)束語(yǔ)

此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿足試驗(yàn)田中經(jīng)常進(jìn)行的各種對(duì)比實(shí)驗(yàn)的需求，減少實(shí)驗(yàn)人員的工作量，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。將RFID技術(shù)、云服務(wù)及4G通信技術(shù)等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)的普遍推廣進(jìn)行了有益的嘗試。本系統(tǒng)在便捷性、可維護(hù)性、信息化程度和成本控制上都有了很大提升，在已有的平臺(tái)上還有更多地可以加入其中的新思路和構(gòu)想，未來(lái)將做更多嘗試以滿足不斷發(fā)展的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需求。

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【通聯(lián)編輯：梁書】