一種應用于設施農業的有源RFID系統設計

范庭芳，錢松榮

0 引言

設施農業是目前興起的一種利用人工建造的設施，使得傳統農業逐步擺脫自然的束縛走向安全、高產。設施農業控制的核心是改變環境各類參數，例如溫度、濕度和光照等，使得作物能夠生長在合適的環境下，達到最佳生長狀態。但當前的設施農業中對于大棚內各類環境參數的監控是基于人工實地巡查的方法，此法既耗時又耗人力，并且不能實時監控，對于溫室內狀態改變反應較慢，存在很大缺憾。

隨著物聯網（IOT）的快速發展，其帶來的應用逐步深入國民生活的方方面面。而作為物聯網的核心技術之一的射頻識別技術RFID功不可沒。無源RFID目前已經廣泛應用于公交、物流和管理等方面；而有源RFID與無源RFID相比，具有傳輸距離遠、數據傳輸速率快、精度高等的優點。本文設計了一套基于CC430的有源RFID系統，用于實時監控設施農業大棚內的各類環境參數，并根據作物生長模型給出合理建議和報警。

1 系統整體方案設計

本系統主要由帶各類傳感器的有源標簽、基站和PC客戶端組成，系統整體框架如圖1所示。整體系統簡單的由3部分組成：PC客戶端、基站和標簽。PC客戶端包括從USB口收發基站數據、數據庫存儲、動態顯示和報警；基站和標簽組成有源RFID系統，數據傳輸頻段為433Mhz，該頻段為ISM免費頻段，系統使用的芯片是TI公司生產的超低功耗 CC430，該芯片集成了單片機 MSP430和無線傳輸模塊CC1101，比普通的兩塊芯片面積減少 50%的覆蓋面積?；静糠重撠煱ㄅc覆蓋范圍內的標簽通信、數據簡單處理以及和PC客戶端數據通信，是整個系統的中間件；而標簽部分通過外接各類傳感器采集環境參數，并通過一定協議傳送給基站，實現實時控制。

系統在正常工作狀態時，會每隔一定時間更新一組環境參數數據并且在PC客戶端動態顯示，并且在客戶端設定作物生長模型，如果環境參數處于設定的生長模型之外，則會立即報警，提醒農戶進行相應調整，如圖1所示：

圖1 系統框架

2 系統硬件設計

系統硬件主要分為：接口轉換傳輸模塊，基站處理模塊、標簽處理模塊以及和傳感器的接口模塊。

2.1 接口轉換模塊

硬件實物圖如圖2中的2區域所示。因為數據最終要傳輸給PC服務器端，但CC430單片機并不支持直接USB口通信，故而在數據傳輸的時候需要進行接口轉換，如圖所示，使用特定的接口轉換芯片可以將 UART等串口轉換成USB連接，方便數據傳輸。

2.2 基站傳輸模塊

硬件實物圖如圖2中的1區域所示：

圖2 基站&接口轉換模塊

因為CC430的高度集成性，只需要很少的外圍器件即可以組建無線通信模塊。使用26Mhz的貼片晶振以及433Mhz的貼片陶瓷天線。

2.3 標簽及傳感器模塊

標簽的無線信號接收部分和基站相匹配。標簽同時引出接口與各類傳感器相連，圖中所示為光敏傳感器模塊與標簽模塊相連。

在本文涉及的傳感器處理模塊試驗中，使用的光敏傳感器是ROHM公司BH1750FVI，可直接輸出照度值，測量范圍為 1‐65535lx，精度 20%。使用的溫濕度傳感器是Sensirion公司的SHT10，可輸出完全標定的數字信號，包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，可用于測量空氣溫濕度和土壤溫濕度。

3 系統軟件的設計

本文中的系統軟件設計主要包括兩大塊：有源 RFID系統軟件的設計、PC客戶端的界面軟件的設計。

3.1 有源RFID系統軟件設計

有源RFID系統軟件分為基站代碼和標簽代碼兩部分。使用的仿真軟件是IAR for msp430。

3.1.1 基站部分軟件

在基站部分軟件設計中，結合整個系統的實際需要，結合下游標簽、上游PC機的數據傳輸和控制命令的發送之后，分成一定的模塊設計，從方便、節能低功耗等設計思路入手。具體流程圖，如下圖3所示：

圖3 基站代碼流程圖

上圖中，基站先經過對芯片初始化，同時也對無線部分初始化以使得后續步驟可以進行，系統隨之進入低功耗監聽狀態。之后如若有來自PC端或者標簽的信號，則會進入相應中斷進行對應操作。

3.1.2 標簽部分軟件

標簽部分需要在基站軟件的基礎上進行配套設計。由于兩者的功能有顯著差異，所以無論在主程序的設計、傳感器的數據采集、以及無線部分的對接和數據傳輸，都經過特別仔細的考量。

標簽在上電初始化之后，會進入一個認證過程，如圖4所示：

圖4 認證過程

首先標簽會循環發送請求入網命令，如果覆蓋范圍內有基站收到，則標簽在收到基站回傳數據之后會進入認證模式，發送認證請求，請求中包含標簽的ID和相應密碼。如若基站對標簽的申請通過，標簽接受到基站的確認命令之后，則表示標簽正式入網可以進行數據傳輸了。

在標簽部分的代碼中，還涉及到對傳感器的操作部分，本文中，光敏BH1750FVI和溫濕度傳感器SHT10均不是標準的串口，對其操作要參照其數據手冊進行嚴格的時序控制。

任何的數據通信都離不開協議，本文中也不例外。我們針對本系統的功能設計了一套協議。CC430發送的無線數據幀結構包括 8*n的前導比特、16/32比特的同步字節、8比特的長度、8比特的地址字節、8*n比特的數據域和16比特的CRC校驗。

在本文的傳輸協議中，根據合適的基站和標簽的數量設定了符合實際的bytes數。此外以防基站覆蓋范圍內標簽數量很多，設置了若干bytes的類別ID。其他還有諸如命令類型、命令、節點狀態和數據等，包含發送何種命令、此時節點的狀態和數據等信息。

在有源RFID軟件設計中，無線數據傳輸均使用128bit的AES加密，同時利用輪詢方式來控制標簽沖突。

3.2 PC客戶端軟件設計

PC客戶端管理系統是利用window7下得Visual Studio 2010開發的。利用Microsoft SQL Server 2005作為Dbms。利用DGI+接口和現有模塊化工具箱編寫而成。該客戶端可以將溫濕度、光照等傳感器采集到的數據畫成曲線并實時的在PC端。為了專注于模塊化設計，我們僅使用了基本功能模塊，包括基本CGM模塊和基本環境參數記錄。界面如圖5所示：

圖5 PC客戶端顯示

在客戶端顯示界面中，左邊的為選項按鈕，可以選擇顯示的圖像的信息，包括溫度、濕度、光照和CO2含量等；中間的黑色區域為信息顯示區域，可以將環境參數畫成圖像，該區域也設置了警報線，警報線的設置是根據作物生長模型計算而得，由上圖也可以看到報警彈出框；此外為了方便具體的應用，我們也將收到的原始數據列于界面下方，便于對照查看。

4 作物生長模型簡介

在設施農業中，作物生長模型的研究對產量和品質的提高有著相當重要的作用。30多年來，世界上很多國家都對其進行了相當的研究，主要的內容是對作物的影響較大的太陽輻射、溫濕度、CO2、水肥養分等因素進行定量定時分析。對作物的光合作用、呼吸作用、干物質分配和植株生長以及衰老等基本生理生態過程進行研究，目前主要研究的對象有小麥、玉米、高粱和棉花等主流作物。比較著名的模型有荷蘭的Wageningen模型，其在作物生產系統的4種生產水平的假設上進行研究；美國DSSAT系列模型和GOSSYM模型，上述兩種模型具有一些通用的模塊，但由于每一個作物都有自己的特點，所以它們也具有一些特定的模塊，目前功能模擬17種作物，主要用于控制土壤、氣候和其他的一些管理措施；澳大利亞的APSIM模型，其與DSSAT類似，把各種不同的作物模型集成到一個公用的平臺來實現。

本文中采用方法結合了上述3種方法的特點，并根據實際情況進行了簡化處理，主要針對環境因素如溫濕度、光照和水肥量等數據進行了不同作物的模擬設定，主要思想是根據作物特性和歷史經驗，利用線性或者二次方的簡單運算，同時利用前一天的增量，來判斷下一天的環境參數并進行警報設定。

5 總結和展望

本文中設計的一套系統是基于物聯網的核心內容有源RFID來實現的。使用超低功耗CC430芯片實現良好的數據傳輸控制。經試驗測試基站和標簽在空曠環境下可以實現70m左右的數據通信，足以用于設施農業。同時本文還結合作物生長模型，設計了PC客戶端的管理軟件，更加方便和人性化。

今后工作的目標是更加完善整套系統，并且在作物的生長模型上提出更加精確、適用于更加多作物的模型，以方便系統使用。

[1]MSP430 Hardware Tools User’s Guide.SLAU278F-May 2009- Revised December 2010,Texas Instruments.

[2]Datasheet,SHT1x (SHT10,SHT11,SHT 15)Humidity and Temperature Sensor.Version 4.2,April,2009.www.sensirion.com

[3]鄭賢忠，曹小華，鄭文立，有源 RFID系統中的電子標簽設計，[j]《港口裝卸》，2008年第2期

[4]唐力堅，孫志鋒，有源RFID系統的防碰撞算法設計，[j]《江南大學學報》，2008年12月

[5]林忠輝，莫興國，項月琴，作物生長模型研究綜述，[j]《作物學報》，2003年9月