基于MSP430和RFID 的小型化智能農業監控系統設計

章若冰

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲412001）

基于MSP430和RFID 的小型化智能農業監控系統設計

章若冰

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲412001）

本文針對我國溫室農業"小而散"的分布特征，提出基于MSP430和RFID的小型化智能農業監控系統。系統以微控制器S3C2440作為讀卡器的核心控制器，超低功耗單片機MSP430作為有源標簽的核心控制器，CYRF6936射頻芯片作為無線模塊。標簽通過溫濕度、CO2濃度、光照強度傳感器采集環境信息，傳輸到地面監控中心。本系統具有結構簡單、成本低廉、實時性好、操作簡單、易于維護、經濟效益高的特點。

MSP430；RFID；光照強度傳感器；智能農業監控系統

我國是一個農業大國，但農業技術和產品質量與世界先進水平還存在巨大的落差，表現為生產技術落后、產品質量不高、產品過剩和短缺并存[1]。在WTO的市場框架下，面對全球的農業市場，我國的農業如何發展關系到我國全面小康社會建設的成敗、農業安全和經濟基礎的穩定。利用智能化農業信息技術，促進農業生產的技術升級，逐步實現我國農業生產快速發展，能夠有效的提高我國農業的整體技術水平和產業競爭力。根據國外發達國家現代化農業發展的經驗與趨勢，對環境實行自動監測控制的設施農業是現代農業發展的必然途徑之一[2-3]；此外我國農業分布呈“小而散”的特點，存在很多小型化的溫室生產模式，因此，研制成本低廉、操作簡單、可靠性高的設施農業環境監測控制系統是我國現代化設施農業的一個關鍵[4-5]，文中設計提出一種基于MSP430和RFID的小型化智能農業生產的系統方案。由PC機作為上位機、以S3C2440為核心控制芯片的讀卡器和有源標簽節點組成的溫室集群控制系統。

1　總體方案

本系統主要由有源標簽、讀卡器、上位機顯示控制部分組成。如圖1所示。

圖1　小型化智能農業監控系統總體結構圖

在溫室環境中各處安放有源標簽，通過溫濕度、CO2濃度、光照強度傳感器對溫室內的環境信息進行采集，系統控制方面設定門限值，當節點采集到的信息高于或低于門限值時，由讀卡器控制溫室中溫濕度、CO2濃度、光照強度調節設備的打開和關閉，進而實現智能控制[6-8]。

2　系統硬件設計

2.1讀卡器設計

讀卡器主要由核心處理器、SDRAM和FLASH共同組成，將CYRF6936模塊嵌入系統中，并基于Linux操作系統，通過設計RF模塊驅動程序及上層應用程序，實現RF底層通信功能和上層相關RF通信協議，使讀卡器與標簽之間進行無線通信[9]。讀卡器架構如圖2所示。

圖2　讀卡器系統架構

2.2有源標簽設計

有源標簽采用MSP430F2122單片機作為主控芯片，通過SPI接口與CYRF6936實現數據交互，從而與讀卡器進行無線通信，在無線通信中采用CRC算法對數據的正確性進行校驗。有源標簽通過環境溫濕度、CO2濃度、光照強度傳感器采集環境因子信息，并將數據上傳給讀卡器，實現對環境因子的檢測與控制[10]。

2.2.1溫濕度測量電路

本設計中采用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，全標定、數字輸出、低能耗、具有極高的可靠性與穩定性，它通過單總線形式與標簽的MCU相連。

2.2.2光照強度測量電路

TSL2561是第二代環境光照傳感器。TSL2561內置了兩個模數轉換器（ADC），分別對流經兩個光電二極管的電流進行積分。其中通道0對可見波段和紅外波段敏感，通道2僅對紅外波段敏感。兩個二極管通道的積分是同時進行的，同時TSL2561光照傳感器具備高速、低功耗、寬量程、可編程且可以根據用戶靈活配置等優勢，TSL2561的內部結構如圖3所示。

圖3　TSL2561的內部結構

2.2.3CO2測量電路

T6004型CO2模塊通過3種信號輸出方式，本文采用模擬信號輸出方式。T6004芯片體型小巧、結構緊湊、功耗小，所以特別適合安全檢測或便攜儀器使用。CO2測量電路如圖4所示。

圖4　CO2測量電路

3　系統軟件設計

系統軟件設計分為上位機和下位機軟件兩個部分。上位機主要完成以下兩項工作：數據顯示和配置文件設置。配置文件包括系統工作模式選擇，溫濕度、CO2濃度、光照強度門限值設置，外部設備的開關狀態設定。數據顯示主要包括實時顯示各溫室環境參數，提供將數據寫入數據庫功能，用戶可通過將數據導出到EXCEL中進行數據查詢功能。

3.1上位機軟件工作流程

上位機軟件工作流程如圖5所示。在設置配置文件后，配置文件的數據會傳送給讀卡器，完成讀卡器的配置；接收讀卡器傳回的數據，并進行處理，數據返回后，上位機將其寫入數據庫，并判斷返回數據中是否包含報警信息。報警信息的消除有兩種模式，人工控制模式和自動控制模式，人工模式下，系統將等待工作人員手動操作，若為自動控制模式，系統將根據警報情況自動向讀卡器發送控制命令，操作控制模塊。

3.2應用程序設計

讀卡器在應用程序層主要包括主線程、對數據采集設備操作線程、對采集數據進行處理的線程、與上位機通訊線程。在應用程序層讀卡器調用無線網絡通訊模塊進行無線通信，然后由控制數據采集設備模塊通過SPI口采集CYRF6936射頻模塊上的通信數據，存儲好原始數據后，對數據進行一定處理，并最后通過有線網絡通訊模塊與上位機進行網絡通訊，向上位機發送采集的數據和數據分析結果，上位機根據接受到的數據和分析結果，執行相關的控制命令。應用程序操作流程如圖6所示。

4　效益分析與結論

我國糧食供應方面，在未來幾年可能出現供不應求的狀況；農業生產方面，我國灌溉水利用率僅47%，遠低于發達國家，此外，化肥、農膜和農藥使用量都呈現上升的態勢。主要因為設施智能化水平低，農業技術裝備落后，沒有做到科學的，精細化的種植，生產管理粗放。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，針對這種小型化農業，生產仍處于較低水平，設施不規范。本設計在生產成本、經濟以及社會效益3個方面都存在比較大優勢。使其更容易在小型溫室農業農戶中得到普及和市場推廣。經過實驗，本監控系統下的智能溫室在環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；農產品的整體產量也翻倍增加，遠遠高于普通溫室，并且提高了質量。

圖5　上位機軟件工作流程圖

圖6　應用程序操作流程

圖7　農產量預測圖

5　結束語

本系統具有結構簡單、成本低廉、實時性好、操作簡單、易于維護、經濟效益高的特點。具有良好的市場價值。

[1]陳福民.基于RFID的小型化智能農業監控系統[J].通訊世界，2014（3）:127-129.

[2]史國濱.GPS和GIS技術在精準農業監控系統中的應用研究進展[J].湖北農業科學，2011，50（10）:1948-1950.

[3]鄧美琛.無線傳感器網絡在設施農業中的應用研究[D].上海：東華大學，2014.

[4]呂文艷.李金瑩.楊宏業.基于ZigBee的設施農業監控系統[J].電子設計工程，2014，24（7）:19-22

[5]張偉.面向精細農業的無線傳感網絡關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[6]高峰.基于無線傳感網絡的設施農業環境自動監控系統研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[7]尚明華，黎香蘭，王風云，等.無線傳感網絡及其在設施農業監控中的應用[J].山東農業科學，2012，44（9）:13-16.

[8]高峰，盧尚瓊，徐青香，等.無線傳感網絡及其在設施農業的應用緊張[J].浙江林學院學報.2010，27（5）:762-769.

[9]嚴潔，鄭慶紅.智能菇房溫濕度調控系統研究[J].農機化研究，2006（10）：103-106.

[10]韋孝云，盧缸.面向設施農業的無線傳感網絡研究進展[J].現代電信科技，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：201511193

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