孫魯青 付琳 霍秀星

摘? 要：文章自主設計開發(fā)了一款手持式果園信息采集和管理終端，該設備基于RFID技術(shù)對單棵植株進行識別，實現(xiàn)個體精準管理;采用模塊化設計和RS485通信、MODBUS協(xié)議作為不同傳感器的通用接口，滿足了對果樹圖像、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，采用SIM900A無線通信模塊對數(shù)據(jù)進行實時上傳，并通過GPS定位生成數(shù)據(jù)信息云圖和分析報表?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明：該終端工作運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了傳感器信息共享和農(nóng)業(yè)的自動化數(shù)據(jù)采集，具有較大的應用和推廣價值。

關(guān)鍵詞：果園管理;RFID;手持式終端

中圖分類號：TP391.4? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：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

水果作為我國主要的園藝類作物之一，其生產(chǎn)、銷售在國民經(jīng)濟中占有很大比重，也是非常受人們歡迎的日常消費品。據(jù)研究表明，在果樹生長的全周期內(nèi)，空氣的溫濕度、光照強度和降雨量、土壤的溫濕度、PH值及CO2濃度等環(huán)境參數(shù)是影響果樹生長、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病蟲害發(fā)作最重要的環(huán)境因素，及時監(jiān)測果園的環(huán)境數(shù)據(jù)對果樹病蟲害預測與防治非常重要[1]。

目前國內(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，果樹生長的環(huán)境、管理技術(shù)的實施、病蟲害的預防等工作主要依靠人為經(jīng)驗。這種方式耗費了大量的人工和時間成本，并且數(shù)據(jù)的記錄和分析具有較大的隨機性和盲目性，對提高果樹管理水平、提升果品質(zhì)量有比較大的影響，因此對果園環(huán)境實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——圣川果樹種植示范園的實際需求開展本研究，在面向大型果園管理要求的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一款多傳感器融合、操作簡單、檢測精度和穩(wěn)定性高的手持式（移動式）果園管理終端。

2 功能需求及總體方案

根據(jù)果園生產(chǎn)過程管理的實際需求，該終端應主要具備以下功能：

（1）管理員通過手持終端進行操作，實現(xiàn)果樹苗生長數(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，實現(xiàn)對信息的過濾、分組、關(guān)聯(lián)、聚合等操作，記錄每棵果樹各個時期的生長情況，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、檢索以及對異常情況的預警功能。

（4）遠程部署在果園中對果樹的各種管理工作。

根據(jù)以上要求，本文設計了一款手持式移動管理終端，如圖1所示，融合了信息技術(shù)與果園管理技術(shù)，實現(xiàn)了以果樹個體識別為基礎(chǔ)的果園精細管理。

3 主要硬件電路設計

整個硬件系統(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，設計供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提供慢速時鐘，一顆高速晶振（25Mhz）作為系統(tǒng)主晶振，每個接口使用0.1uF的退耦電容。（3）RFID標簽讀取器：包含nRF24L01+射頻電路、RC522的電路以及天線設計。（4）其它接口：對于

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將自動適應SIM卡電壓，不需要額外的SIM卡供電，但是需要使用TVS管保護SIM卡以及IO[4]。

4 系統(tǒng)軟件設計

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

（2）數(shù)據(jù)采集面板：顯示采集順序以及采集歷史記錄，點擊啟動采集后進入采集模式。點擊啟動采集后，RFID讀卡器會被激活，同時彈出傳感器采集窗口，當RFID標簽進入傳感器范圍內(nèi)后，本次采集開始啟動。掃描到標簽，開始按照采集順序采集傳感器，每按一下按鈕即可采集當前傳感器值，進度條提示傳感器采集進度。當前標簽采集完成，繼續(xù)等待下一個標簽進入傳感器范圍，列表記錄采集歷史[5]。

（3）實時數(shù)據(jù)頁面：可實時顯示傳感器數(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)頁面：可以獲取上次某個標簽的數(shù)據(jù)，將傳感器置于讀卡器范圍內(nèi)后，將會從服務端獲取上次的數(shù)據(jù)并顯示，掃描到標簽之后獲取到的上次數(shù)據(jù)。

5 現(xiàn)場測試

本終端在博興縣圣川果樹種植示范園進行了現(xiàn)場應用測試，如圖3所示。將RFID電子標簽懸掛于蘋果樹枝條上，控制RFID讀寫器與電子標簽距離在0到10cm之間;啟動設備發(fā)射端口，在管理設備上測試網(wǎng)絡連接。

測試結(jié)果表明，設備在果樹種植示范園內(nèi)通過GPRS模塊與PC服務器實現(xiàn)了正常收發(fā)數(shù)據(jù)。在果樹枝條和葉片部分遮擋的情況下，RFID讀寫器仍然可以穩(wěn)定識別10cm范圍內(nèi)的電子標簽?？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)域每個測量點的溫度值及整個區(qū)域的溫度分布，與現(xiàn)場溫度計測量結(jié)果吻合。

6 結(jié)論

（1）結(jié)合實際生產(chǎn)提出了適合于本系統(tǒng)的總體方案和框架設計，在RFID 技術(shù)的基礎(chǔ)上，完全自主設計開發(fā)了多傳感器采集的硬件電路、嵌入式軟件系統(tǒng)，并進行了實際調(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，完成手持終端設備與服務器之間的數(shù)據(jù)通信，管理人員對每株果樹進行識別和農(nóng)事數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)進行打包發(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#編程語言，VS2017開發(fā)環(huán)境，云端采用PHP編寫，MySQL數(shù)據(jù)庫，根據(jù)功能要求對數(shù)據(jù)進行分析，能夠記錄每株果樹的成長信息（含溫濕度、病蟲害、生長特征等），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)場測試結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠完成果園相關(guān)信息的采集和管理，對單株果樹的識別準確率為100%，采集數(shù)據(jù)與校準參考數(shù)據(jù)比較后，準確率約為85%;人機交互界面簡單、友好，操作方便，平均檢測每棵樹耗時2-3分鐘;數(shù)據(jù)庫設計合理，信息管理規(guī)范。該設備的研發(fā)成功對實現(xiàn)果園精準管理，推動果園管理模式改革都具有重要意義。

參考文獻：

[1]陳康.基于RFID的嵌入式蘋果園生產(chǎn)過程管理設備研發(fā)[D].西北農(nóng)林科技大學，2013.

[2]ETIENNE PERRET， SMAIL TEDJINI， RAJI SASIDHARAN NAIR et al. 2012.Design of Antennas for UHF RFID Tags. Proceedings of the IEEE，100（7）：2330-2340.

[3]牛沖麗，王濤.面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能管理與追溯的物聯(lián)網(wǎng)應用研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（2）：86-88.

[4]羅文華，肖宏儒，季順中.基于射頻識別技術(shù)的無花果果園溫濕度智能調(diào)控系統(tǒng)研究[J].中國農(nóng)機化學報，2018（11）：56-60.

[5]G.Marroceo，A.Fonte，F(xiàn)，2002.Bardati：Evolutionary design of mirtlaturized meander-line antennas for RFID applications：Antennas and Propagation Society International Symposium. IEEE vol.2，pp.362-365.