基于RFID的手持式果園管理終端設(shè)計(jì)

孫魯青 付琳 霍秀星

摘? 要：文章自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款手持式果園信息采集和管理終端，該設(shè)備基于RFID技術(shù)對(duì)單棵植株進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)個(gè)體精準(zhǔn)管理;采用模塊化設(shè)計(jì)和RS485通信、MODBUS協(xié)議作為不同傳感器的通用接口，滿足了對(duì)果樹(shù)圖像、空氣及土壤溫濕度等重要數(shù)據(jù)的采集需求;建立了云端數(shù)據(jù)庫(kù)，采用SIM900A無(wú)線通信模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳，并通過(guò)GPS定位生成數(shù)據(jù)信息云圖和分析報(bào)表?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：該終端工作運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了傳感器信息共享和農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，具有較大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：果園管理;RFID;手持式終端

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0091-03

Abstract： In this paper， we designed and developed a handheld terminal equipment for orchard information collection and management independently， which identified a single plant and realized individual precision management based on RFID technology; we adopted modular design and RS485 communication， MODBUS protocol as the general interface for different sensors， to meet data acquisition requirements including the fruit tree image， air temperature and humidity， soil moisture etc.; we set up the cloud database， using SIM900A wireless communication module for real-time upload of data， and through the GPS positioning to generate nephogram and data analysis report. Field test results show that the terminal works stably， thus realizing the sharing of sensor information and automatic data acquisition of agriculture， so it has great application and promotion value.

Keywords： orchard management; RFID; handheld terminal

1 概述

水果作為我國(guó)主要的園藝類(lèi)作物之一，其生產(chǎn)、銷(xiāo)售在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有很大比重，也是非常受人們歡迎的日常消費(fèi)品。據(jù)研究表明，在果樹(shù)生長(zhǎng)的全周期內(nèi)，空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度和降雨量、土壤的溫濕度、PH值及CO2濃度等環(huán)境參數(shù)是影響果樹(shù)生長(zhǎng)、成果的重要參數(shù)。因此較好、較全面的掌握這些信息，可以為果園管理提供必要依據(jù)。此外，空氣和土壤的溫濕度也是影響果樹(shù)病蟲(chóng)害發(fā)作最重要的環(huán)境因素，及時(shí)監(jiān)測(cè)果園的環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)果樹(shù)病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)與防治非常重要[1]。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)果園的環(huán)境數(shù)據(jù)采集仍然要依靠人工采集完成，果樹(shù)生長(zhǎng)的環(huán)境、管理技術(shù)的實(shí)施、病蟲(chóng)害的預(yù)防等工作主要依靠人為經(jīng)驗(yàn)。這種方式耗費(fèi)了大量的人工和時(shí)間成本，并且數(shù)據(jù)的記錄和分析具有較大的隨機(jī)性和盲目性，對(duì)提高果樹(shù)管理水平、提升果品質(zhì)量有比較大的影響，因此對(duì)果園環(huán)境實(shí)施信息化管理意義重大[2]。

基于以上背景，依托濱州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園——圣川果樹(shù)種植示范園的實(shí)際需求開(kāi)展本研究，在面向大型果園管理要求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一款多傳感器融合、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度和穩(wěn)定性高的手持式（移動(dòng)式）果園管理終端。

2 功能需求及總體方案

根據(jù)果園生產(chǎn)過(guò)程管理的實(shí)際需求，該終端應(yīng)主要具備以下功能：

（1）管理員通過(guò)手持終端進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)苗生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收。

（2）數(shù)據(jù)信息上傳到云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的過(guò)濾、分組、關(guān)聯(lián)、聚合等操作，記錄每棵果樹(shù)各個(gè)時(shí)期的生長(zhǎng)情況，形成工作日志和分析表。

（3）管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的智能分析、檢索以及對(duì)異常情況的預(yù)警功能。

（4）遠(yuǎn)程部署在果園中對(duì)果樹(shù)的各種管理工作。

根據(jù)以上要求，本文設(shè)計(jì)了一款手持式移動(dòng)管理終端，如圖1所示，融合了信息技術(shù)與果園管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以果樹(shù)個(gè)體識(shí)別為基礎(chǔ)的果園精細(xì)管理。

3 主要硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)由兩大部分組成：一是流程控制與用戶交互;二是傳感器采集、數(shù)據(jù)處理與上傳，如圖2所示，具體包含以下模塊：（1）電源管理模塊：選擇3S鋰電池作為整機(jī)供電，除本身12V電壓供給傳感器正常工作外，使用EUP3476芯片作為同步降壓，設(shè)計(jì)供MCU等大部分邏輯器件工作的3.3V、SIM900A工作的4V及LCD顯示屏工作的5V三種電壓電路[3]。（2）主板：采用STM32F429IGT6、MK60DN512VLL10作為交互MCU與傳感器處理MCU，使用一顆慢速晶振（32.768Khz）為RTC提供慢速時(shí)鐘，一顆高速晶振（25Mhz）作為系統(tǒng)主晶振，每個(gè)接口使用0.1uF的退耦電容。（3）RFID標(biāo)簽讀取器：包含nRF24L01+射頻電路、RC522的電路以及天線設(shè)計(jì)。（4）其它接口：對(duì)于

LCD顯示屏與攝像頭，由于STM32F429IGT6內(nèi)置了總線，因此直接使用LCD總線與DCMI總線。SIM900A將自動(dòng)適應(yīng)SIM卡電壓，不需要額外的SIM卡供電，但是需要使用TVS管保護(hù)SIM卡以及IO[4]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）主界面及設(shè)置界面：顯示USB狀態(tài)、GPS已連接衛(wèi)星數(shù)量、GSM信號(hào)強(qiáng)度（0-31）、CPU使用率;列表中顯示傳感器的順序表，在PC端軟件設(shè)置完成后可以點(diǎn)擊刷新順序表來(lái)刷新，設(shè)置界面包括啟用多緩沖、不檢測(cè)USB狀態(tài)和保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)到本地等功能設(shè)置。

（2）數(shù)據(jù)采集面板：顯示采集順序以及采集歷史記錄，點(diǎn)擊啟動(dòng)采集后進(jìn)入采集模式。點(diǎn)擊啟動(dòng)采集后，RFID讀卡器會(huì)被激活，同時(shí)彈出傳感器采集窗口，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入傳感器范圍內(nèi)后，本次采集開(kāi)始啟動(dòng)。掃描到標(biāo)簽，開(kāi)始按照采集順序采集傳感器，每按一下按鈕即可采集當(dāng)前傳感器值，進(jìn)度條提示傳感器采集進(jìn)度。當(dāng)前標(biāo)簽采集完成，繼續(xù)等待下一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入傳感器范圍，列表記錄采集歷史[5]。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁(yè)面：可實(shí)時(shí)顯示傳感器數(shù)據(jù)，并繪制折線圖，以便了解環(huán)境狀態(tài)。

（4）云端數(shù)據(jù)頁(yè)面：可以獲取上次某個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，將傳感器置于讀卡器范圍內(nèi)后，將會(huì)從服務(wù)端獲取上次的數(shù)據(jù)并顯示，掃描到標(biāo)簽之后獲取到的上次數(shù)據(jù)。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本終端在博興縣圣川果樹(shù)種植示范園進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，如圖3所示。將RFID電子標(biāo)簽懸掛于蘋(píng)果樹(shù)枝條上，控制RFID讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽距離在0到10cm之間;啟動(dòng)設(shè)備發(fā)射端口，在管理設(shè)備上測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接。

測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)備在果樹(shù)種植示范園內(nèi)通過(guò)GPRS模塊與PC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了正常收發(fā)數(shù)據(jù)。在果樹(shù)枝條和葉片部分遮擋的情況下，RFID讀寫(xiě)器仍然可以穩(wěn)定識(shí)別10cm范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽?？諝鉁囟炔杉戤吅笊闪藬?shù)據(jù)云圖，如圖4所示。直觀的顯示出該區(qū)域每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度值及整個(gè)區(qū)域的溫度分布，與現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果吻合。

6 結(jié)論

（1）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)提出了適合于本系統(tǒng)的總體方案和框架設(shè)計(jì)，在RFID 技術(shù)的基礎(chǔ)上，完全自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多傳感器采集的硬件電路、嵌入式軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際調(diào)試，硬件系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性較高。

（2）采用GPRS 通信模式，完成手持終端設(shè)備與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，管理人員對(duì)每株果樹(shù)進(jìn)行識(shí)別和農(nóng)事數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)進(jìn)行打包發(fā)送，最終完成數(shù)據(jù)的上傳、下發(fā)、覆蓋、更新等工作，從而完成信息管理。

（3）管理系統(tǒng)采用C#編程語(yǔ)言，VS2017開(kāi)發(fā)環(huán)境，云端采用PHP編寫(xiě)，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)功能要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠記錄每株果樹(shù)的成長(zhǎng)信息（含溫濕度、病蟲(chóng)害、生長(zhǎng)特征等），能形成園區(qū)傳感器數(shù)據(jù)云圖，為管理人員提供了極大的數(shù)據(jù)化支持。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠完成果園相關(guān)信息的采集和管理，對(duì)單株果樹(shù)的識(shí)別準(zhǔn)確率為100%，采集數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)比較后，準(zhǔn)確率約為85%;人機(jī)交互界面簡(jiǎn)單、友好，操作方便，平均檢測(cè)每棵樹(shù)耗時(shí)2-3分鐘;數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)合理，信息管理規(guī)范。該設(shè)備的研發(fā)成功對(duì)實(shí)現(xiàn)果園精準(zhǔn)管理，推動(dòng)果園管理模式改革都具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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