萬(wàn)偉康 王文博 馬炳曦 時(shí)代兒 李伙全 黃海飛

摘 要：近年來(lái)，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷拓展，通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊等技術(shù)相結(jié)合，人們可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物體的信息跟蹤與共享。當(dāng)今養(yǎng)殖業(yè)仍普遍采用人工采集數(shù)據(jù)的方式，而未來(lái)的養(yǎng)殖市場(chǎng)將不只是人工成本的比拼，更在于資源和服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)將為養(yǎng)殖業(yè)智能化提供更廣闊的應(yīng)用空間。本研究提出了RFID鴿蛋數(shù)據(jù)采集、GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)慕鉀Q方案。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；GPRS；電子標(biāo)簽；肉鴿養(yǎng)殖

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）09-0063-04

0 引 言

肉鴿養(yǎng)殖中鴿子蛋是主要的經(jīng)濟(jì)收入來(lái)源，而鴿子每個(gè)月下蛋的數(shù)量受鴿子生長(zhǎng)情況的限制，有的鴿子每月下蛋多，而有的每月下蛋少，對(duì)于那些每月下蛋比較少的或者生病不下蛋的鴿子要及時(shí)進(jìn)行動(dòng)物治療。然而眾多鴿子的管理卻會(huì)耗費(fèi)巨大的人力物力資源，并且難以做出較為全面和系統(tǒng)的管理與分析。近年來(lái)隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊等技術(shù)相結(jié)合，人們可以在全球范圍內(nèi)對(duì)物體的信息進(jìn)行跟蹤與共享，這為基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)智能鴿蛋收集系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的肉鴿養(yǎng)殖方式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等便攜式通信設(shè)備技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)了更方便的肉鴿鴿蛋收集功能，將物聯(lián)網(wǎng)的易用性、便捷性加入肉鴿養(yǎng)殖中，互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建將肉鴿養(yǎng)殖的方式拓展到智能化物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，用戶和工作人員都能利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方便的管理和查詢?nèi)怿濔B(yǎng)殖狀況。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)RFID智能鴿蛋收集系統(tǒng)使用STM32核心板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，融合了RC522為核心的RFID模塊，SIM800L為核心的GPRS模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳送，綜合實(shí)現(xiàn)了肉鴿鴿蛋的采集功能與無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)功能，并研究搭建了初級(jí)形態(tài)的智能鴿蛋收集系統(tǒng)。

應(yīng)用平臺(tái)可通過(guò)RC522芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)STM32控制器實(shí)現(xiàn)與RFID模塊和GPRS模塊之間的串口通信，通過(guò)廣域網(wǎng)服務(wù)器提供的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及管理每天收集的鴿蛋數(shù)量。

1.2 工作原理

本設(shè)計(jì)搭建的物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)硬件部分包括RFID數(shù)據(jù)采集器、GPRS遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸設(shè)備、因特網(wǎng)服務(wù)器端。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主要控制單元，結(jié)合了RC522讀卡器硬件以及基于TCP的HTTP協(xié)議以AT指令的方式實(shí)現(xiàn)了鴿蛋數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸功能，同時(shí)在云端使用了基于Apache的服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程查詢管理功能。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了注冊(cè)模式、統(tǒng)計(jì)模式以及短信模式三種操作方式。注冊(cè)模式將當(dāng)天產(chǎn)蛋的肉鴿的電子標(biāo)簽注冊(cè)后利用統(tǒng)計(jì)模式將產(chǎn)蛋數(shù)以刷卡的方式寫入IC射頻卡中，同時(shí)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以串口方式發(fā)送至GPRS模塊以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。當(dāng)遇到肉鴿生病等異常情況時(shí)，使用短信模式將肉鴿的電子標(biāo)簽信息發(fā)送至專業(yè)人員處。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)功能效果圖如圖3所示。

2 硬件部分

2.1 硬件原理

2.1.1 STM32F103RBT6控制芯片

本系統(tǒng)采用基于高性能ARMCortex-M3TM 32位RISC核心的STM32F103RBT6芯片作為系統(tǒng)的主控芯片。STM32F103RBT6工作的電源電壓范圍為23.6 V。他們?cè)讪C40+85℃的溫度范圍和–40+105℃擴(kuò)展的溫度范圍可用。所有器件提供兩個(gè)12位ADC、三通用16位定時(shí)器、PWM定時(shí)器以及標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)的通訊接口：上兩I2CS和SPI接口，三個(gè)串行外設(shè)接口，一個(gè)USB和CAN。這些特點(diǎn)使得STM32F103RBT6高介質(zhì)密度性能線微控制器系列擁有廣泛的應(yīng)用范圍，如電機(jī)、應(yīng)用控制、醫(yī)療和手持設(shè)備及工業(yè)上應(yīng)用PLC變頻器和空調(diào)系統(tǒng)等方面。

2.1.2 RC522

MF RC522是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員，利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。它是NXP 公司針對(duì)“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、小體積的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇 。

2.1.3 SIM800L

系統(tǒng)中GPRS模塊采用SIM800L無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。SIM800L是一款四頻GSM/GPRS模塊，LGA封裝。其性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價(jià)比高，能滿足客戶的多種需求。SIM800L工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM800L尺寸為15.8 mm×17.8 mm×2.4 mm，幾乎可以滿足所有用戶在應(yīng)用中對(duì)空間尺寸的要求，適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)——聯(lián)網(wǎng)模塊如圖6所示。

3 軟件部分

3.1 軟件原理

3.1.1 原理概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID鴿蛋收集系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控單元，結(jié)合RC522核心的RFID模塊以及基于TCP實(shí)現(xiàn)的HTTP協(xié)議和基于串口的GPRS控制器共同實(shí)現(xiàn)了鴿蛋收集系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能，在云端使用了基于Apache的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)頁(yè)顯示功能。

3.1.2 GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)功能可通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其最多可支持50個(gè)按鍵；擁有一路全功能串口，可根據(jù)需要配置成兩個(gè)獨(dú)立的串口；具有一路USB接口，可模擬出一路串口，便于客戶調(diào)試；擁有可編程的通用輸入輸出接口（GPIO）；一路SIM卡接口；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議；支持4頻GSM/GPRS；支持通常用于PPP連接的PAP協(xié)議；支持分組廣播控制信道（PBCCH）；GPRS數(shù)據(jù)上/下行傳輸?shù)淖畲笏俣葹?5.6 Kb/s。

3.1.3 串口通訊及中斷

本系統(tǒng)使用了3個(gè)串口，串口接收和發(fā)送使用FIFO環(huán)形緩沖區(qū)，從而有效避免了多串口多中斷的消息丟失問(wèn)題。各串口功能如表1所列。

3.1.4 服務(wù)器端網(wǎng)頁(yè)和php部分

3.1.4.1 服務(wù)器概況、架構(gòu)及體系

我們申請(qǐng)了位于教育網(wǎng)的服務(wù)器，可進(jìn)行自主維護(hù)和管理，安全性和穩(wěn)定性均得到了保障。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用基于RHEL（Red Hat Enterprise Linux，RHEL）內(nèi)核的CentOS，不僅可以兼顧性能及安全，還具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及算法，專門為提供Web服務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。Web服務(wù)器軟件采用Apache+php這一成熟體系，簡(jiǎn)單高效，能為用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)。

3.1.4.2 核心腳本文件的作用

核心腳本文件具有如下功能：

（1）在服務(wù)器端的指定目錄中使用index.php接收、處理并存儲(chǔ)單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，返回用戶控制代碼；

（2）view.php提供用戶直接訪問(wèn)的網(wǎng)頁(yè)接口；

（3）data.php用于處理用戶提交的表單和頁(yè)面自動(dòng)發(fā)送的AJAX請(qǐng)求等數(shù)據(jù)。

3.1.4.3 數(shù)據(jù)接收與處理

單片機(jī)采用GET方式發(fā)送HTTP請(qǐng)求，在后臺(tái)使用正則表達(dá)式對(duì)字符串進(jìn)行處理與過(guò)濾。然后使用獨(dú)立文件存儲(chǔ)腳本運(yùn)行狀態(tài)及處理后的數(shù)據(jù)。采用關(guān)鍵字作為驗(yàn)證碼以識(shí)別數(shù)據(jù)發(fā)送者的合法性，若檢測(cè)到無(wú)關(guān)設(shè)備發(fā)送的非法數(shù)據(jù)或發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)能及時(shí)結(jié)束腳本運(yùn)行并關(guān)閉連接，避免對(duì)服務(wù)器安全造成威脅或消耗系統(tǒng)資源，保證服務(wù)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.1.4.4 數(shù)據(jù)讀取與呈現(xiàn)

等待用戶請(qǐng)求，讀取文件并提取關(guān)鍵的字符串，將其轉(zhuǎn)換為所需的文字信息、百分比等格式的數(shù)值，并以較為友好的方式呈現(xiàn)給用戶。

3.1.4.5 用戶訪問(wèn)接口頁(yè)面

采用AJAX方式與后端進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，及時(shí)獲取最新的數(shù)據(jù)，向用戶實(shí)時(shí)顯示相關(guān)提示信息，并及時(shí)將用戶控制指令返回到后端處理，之后發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。

3.2 原理框圖

4 系統(tǒng)整體功能測(cè)試連接先前調(diào)試好的各個(gè)部件進(jìn)行整體功能測(cè)試，包括如下內(nèi)容：

（1）接通設(shè)備電源，打開(kāi)RIFD鴿蛋搜集系統(tǒng)，等待設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)。

（2）注冊(cè)模式：用已連接裝置記錄有產(chǎn)蛋的鴿蛋標(biāo)簽。

（3）收集模式：根據(jù)鴿蛋數(shù)目，將標(biāo)簽（IC白卡）向RFID裝置刷相應(yīng)次數(shù)，同時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊詳細(xì)記錄并發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（4）LCD顯示屏顯示當(dāng)前刷卡信息（模式；標(biāo)簽；鴿蛋數(shù)）。

（5）短信模式：當(dāng)肉鴿出現(xiàn)異常情況時(shí)，即可用短信模式將該鴿子信息發(fā)送至相關(guān)人員請(qǐng)求幫助。

4.1 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備包括RFID模塊、開(kāi)發(fā)與調(diào)試用電腦與指定號(hào)碼手機(jī)一臺(tái)、用于連接互聯(lián)網(wǎng)的GPRS模塊、ARM開(kāi)發(fā)板、STM32開(kāi)發(fā)板及串口模塊、提供公網(wǎng)IP的服務(wù)器、IC射頻卡。

4.2 軟件配置

4.2.1 串口調(diào)試助手軟件

在Microsoft Windows平臺(tái)上使用串口調(diào)試助手對(duì)操作SIM800L的AT指令進(jìn)行修改和調(diào)試。

4.2.2 單片機(jī)開(kāi)發(fā)與調(diào)試軟件

在Microsoft Windows平臺(tái)上選用Keil mVision5作為開(kāi)發(fā)軟件對(duì)RFID和STM32以及GPRS模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

4.2.3 服務(wù)器操作系統(tǒng)與HTTP服務(wù)器軟件

（1）本地采用wamp軟件包進(jìn)行PHP調(diào)試。

（2）公網(wǎng)服務(wù)器選用基于Red Hat Enterprise Linux的CentOS 6.5作為服務(wù)器操作系統(tǒng)，并安裝配置 Apache 2.2.24和php 5.3.3提供HTTP和Web服務(wù)。

4.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

4.4 結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果如下所示：

（1）使用IC射頻卡注冊(cè)后能進(jìn)行計(jì)數(shù)操作（在液晶顯示器上顯示）。

（2）網(wǎng)頁(yè)接收到刷卡后上傳的數(shù)據(jù)：時(shí)間、卡編號(hào)、鴿蛋數(shù)量（GPRS模塊正常）。

（3）短信模式下固定手機(jī)號(hào)碼能正常接收到短信提示。

（4）單片機(jī)向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)能被正常解析并存儲(chǔ)，在網(wǎng)頁(yè)上可以實(shí)時(shí)刷新顯示。

（5）單片機(jī)能接收到服務(wù)器返回的控制碼并做出正常響應(yīng)，表明系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文使用以ARMCortex處理器為核心的STM32控制芯片通過(guò)串口通信將RFID電子標(biāo)簽的信息傳送給GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸功能。注冊(cè)模式、統(tǒng)計(jì)模式與短信模式均良好運(yùn)行，后期對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與分析，使得本設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性，同時(shí)對(duì)提高現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的數(shù)據(jù)智能化管理水平有很大幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]馬洪偉，盛翊智.GPRS技術(shù)在無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)中的應(yīng)用[J].微機(jī)發(fā)展，2005，15（3）：101-103.

[2]王睿，趙龑.RFID技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)框架的研究[J].通信技術(shù)，2009，42（5）：116-118.

[3]（澳）Luke Welling，Laura Thomson.PHP和MySQL Web開(kāi)發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]劉火良，楊森.STM32庫(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[5]徐愛(ài)鈞.IAR EWARM V5嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用編程與開(kāi)發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[6]趙海，陳長(zhǎng)華，王建鋒.微控制器電路 LCD 顯示原理[J].電子與封裝，2009，9（5）：31-34.