周鵬 張步凡 李鑫雨 李輝

摘要：為解決當前農業(yè)試驗田中做對比實驗時存在的各種問題，減輕實驗人員現場采集數據的繁重工作，提高實驗的準確性，縮短實驗周期。結合RFID技術、云服務器及4G通信技術設計出使用與維護便捷的手持設備及性能可靠的云服務器程序，用戶通過PC或手機訪問云服務器查看數據及分析結果，構建了完整的農田實驗數據采集系統(tǒng)。實驗表明該系統(tǒng)可以滿足市場需求，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：對比實驗;RFID;4G通信;云服務器;MF-RC522

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）27-0224-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

在農業(yè)試驗田中經常需要做各種對比實驗，存在諸如土壤對比實驗、肥料對比實驗、農藥對比實驗及不同品種作物間的對比實驗等需求[1]。目前許多實驗基地，仍然采用以塑料標簽為主的方式進行不同信息的標識。采用塑料標簽對不同土壤、肥料、農藥等信息進行標識時存在以下不足：首先，塑料標簽上可寫的信息十分有限，不能完整地記錄實驗信息;其次，塑料標簽易受污損，影響實驗的正常進行;最后，采用塑料標簽時，仍需要實驗人員在其他媒介上補充記錄其他必要信息，存在記錄的信息與現場的信息對應錯誤的風險。將RFID、4G、云服務器等技術引入到此類農業(yè)試驗田中可以解決上述問題，提高農業(yè)實驗的信息化水平，達到縮短實驗周期，提高實驗可靠性、準確性等目的[2]。

1 系統(tǒng)的原理及總體設計方案

RFID即射頻識別是指利用射頻信號實現非接觸自動識別的技術，是物聯網感知層的核心技術之一，根據射頻信號頻率的不同可將RFID技術劃分為低頻、中高頻和超高頻幾類。這幾類RFID技術各有特點，低頻RFID幾乎沒有環(huán)境變化引起的性能下降且讀寫器設計簡單價格便宜，但識別距離短。超高頻RFID有較遠的識別距離且識別速度快，但對濕度、沖擊等環(huán)境敏感。中高頻RFID適合短識別距離，識別速度適中，且環(huán)境對其影響不大，比前兩類RFID技術更適合農業(yè)實驗田這樣的應用場景[3]。目前常用的中高頻RFID讀卡器專用芯片有很多，比如恩智浦公司推出的MF-RC522就是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員，具有低電壓、低成本、體積小等特點，是智能儀表和便攜式手持設備研發(fā)的較好選擇[4]。

基于MF-RC522芯片的讀寫器與MIFARE1卡構成的系統(tǒng)采用電感耦合的方式，由MF-RC522芯片構成的讀寫器將命令調制到射頻信號上即載波，發(fā)射該載波信號以在其周圍空間產生高頻強電磁場。當MIFAREI卡被放置于讀寫器能識別的區(qū)域內時，讀寫器電磁場穿越卡的天線橫截面，使天線產生電磁感應?？ㄆ瑑扔幸粋€LC串聯諧振電路，當其諧振頻率和讀寫器發(fā)射的頻率相同時，LC諧振電路產生共振，使得線圈上的感應電壓達到最大。卡內的電路對接收到的射頻載波進行解調，還原出有用的命令信息后加以執(zhí)行。MIFAREl卡將需要回復的信息調制到載波上送回讀寫器，最后讀寫器接收MIFAREI卡送回的載波信號并解調得到MIFAREI卡的應答消息。

農業(yè)試驗田中實驗的種類繁多，以肥料實驗為例，分析一般對比實驗共通的基本需求以用于農田實驗數據采集系統(tǒng)的設計。通常在試驗田中的不同區(qū)域內會使用不同的肥料，在同一區(qū)域內雖然使用同樣的肥料，但在不同子區(qū)域肥料使用量又有區(qū)別。針對各個區(qū)域，在其對應標簽內寫入肥料品種以及用量等信息，使用設計的專用手持設備可以很方便地在田間讀取不同區(qū)域的肥料使用情況。這種在現場通過手持設備了解不同區(qū)域肥料使用情況及通過人工判斷相應區(qū)域作物生長情況的方式雖然解決了實驗的基本需求，但實驗人員仍然需要在現場做大量的記錄工作，工作量大且容易出錯，不能很好地體現信息化對農業(yè)實驗、生產的促進作用。因此在此基礎上，對系統(tǒng)還需進一步優(yōu)化。在RFID標簽中寫入地址信息，在手持設備中加入4G模塊，該模塊帶有4G通信和GPS定位功能，使用手持讀寫器終端設備即可讀取RFID標簽內包括地址信息在內的所有信息，并將信息傳輸至云服務器[5]。此時使用手持讀寫器終端的拍照功能采集現場照片信息，并將信息傳輸至云服務器。在云服務器端，可以根據接收到的不同子區(qū)域肥料使用信息和作物生長圖片來分析不同肥料及相同肥料不同用量對農作物生長的影響。

農田實驗數據采集系統(tǒng)主要由手持讀寫器終端、RFID標簽、云服務器及PC或手機終端組成。手持讀寫器終端在整個系統(tǒng)中起到連接農業(yè)試驗田現場與云服務器、PC或手機用戶的橋梁，擔負著收集現場位置、實驗數據、圖片等各種信息的重要職責。手持讀寫器終端設備在現場收集的原始數據一般都存放在云服務器上，云服務器除了保存大量的現場原始數據外還需要對上述數據進行篩選與分析，便于得出準確可靠的實驗結果[6]。政府相關機構、肥料廠商和種植戶可以使用PC或手機借助互聯網訪問云服務器直接獲取試驗田中的各項或部分權限允許的數據，共享服務器對實驗數據的分析結果，便于實時針對實驗過程中存在的問題進行糾正及對肥料等產品的效果做出科學評估。

2 數據采集系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)硬件電路主要由STM32F103VET6主控電路、RFID讀寫器接口電路、4G模塊接口電路、攝像頭接口電路、液晶屏接口電路及電源電路等組成，系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。SIM7600C模塊及攝像頭模塊可以通過串口與STM32F103VET6進行連接，而本系統(tǒng)所選用的STM32F103VET6芯片帶有5個串口，足以滿足本應用的需求。

由于該系統(tǒng)存在使用3.3V和5V兩種不同電壓的模塊，因此采用5v的電源適配器供電后采用AMS1117-3.3V芯片將Sv轉為3.3V，為不同模塊進行供電。為防止意外短路或元器件故障導致的短路，在開關之后增加的自恢復保險絲，以提高系統(tǒng)的安全可靠性，具體電路如圖2所示。

本系統(tǒng)的主要功能模塊是RFID讀寫器模塊，通過該模塊讀取現場不同區(qū)域內MIFAREI卡的信息。該讀寫器模塊采用的是恩智浦公司推出的MF-RC522芯片，該芯片與STM32F103VET6主控電路通過SPI接口進行連接，具體電路如圖3所示。RFID讀寫器模塊與STM32F103VET6主控電路的具體連接為MF522_MOSI和MF522_MISO兩根數據線，另外MF522_SCK、MF522_SS、MF522_RST分別為時鐘線、片選線和復位線。

考慮手持設備在現場顯示信息的需求及產品成本等因素，本系統(tǒng)選用性價比高且應用廣泛的12864液晶屏，12864液晶屏與STM32F103VET6主控電路通過8根并口數據線進行連接，并可通過可變電阻來調節(jié)液晶顯示屏的亮度，具體電路如圖4所示。

3 數據采集系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要分為兩部分，一方面需要在手持設備上開發(fā)基于STM32F103VET6的各模塊應用程序，另一方面需要在云端編寫服務器程序。PC或手機用戶可通過網頁訪問服務器，也可以為PC或手機用戶訪問服務器開發(fā)相應的App程序。

手持設備硬件程序設計主要圍繞RFID讀寫器模塊、液晶顯示模塊、攝像頭模塊及SIM7600C通信模塊進行開發(fā)。根據4種模塊與STM32F103VET6的連接方式可以分析出通過調用ST公司提供的SPI、GPIO及串口相關的庫函數即可完成4種模塊驅動程序的設計。結合具體應用可以設計出圖5所示的系統(tǒng)程序流程圖。

手持設備采集的現場MIFARE1卡的數據及攝像頭采集的相應區(qū)域圖片通過SIM7600C通信模塊傳輸至云服務器，購買的云服務器上一般運行的Linux操作系統(tǒng)，因此需要開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)的服務器程序。服務器程序負責對socket服務器進行封裝，并在請求到來時，對請求的各種數據進行整理。應用程序則負責具體的邏輯處理。為了方便應用程序的開發(fā)，可選用Django、Flask、web.py等Web框架。WSGI（ Web ServerGateway Interface）是一種規(guī)范，它定義了使用PVthon編寫的web應用程序與web服務器程序之間的接口格式，實現web應用程序與web服務器程序間的解耦。web應用程序除需要完成接收現場采集的數據外，還需借助MySOL數據庫保存上述現場數據供后續(xù)的分析及PC或手機的客戶端訪問查詢。

4 結束語

此系統(tǒng)的設計能夠滿足試驗田中經常進行的各種對比實驗的需求，減少實驗人員的工作量，提高了實驗的準確性。將RFID技術、云服務及4G通信技術等應用于農業(yè)領域，為物聯網在農業(yè)的普遍推廣進行了有益的嘗試。本系統(tǒng)在便捷性、可維護性、信息化程度和成本控制上都有了很大提升，在已有的平臺上還有更多地可以加入其中的新思路和構想，未來將做更多嘗試以滿足不斷發(fā)展的農業(yè)現代化需求。

參考文獻：

[1]陳孝賞，陳偉強，劉守坎.臺州市11個鮮食馬鈴薯品種比較 試驗[J].浙江農業(yè)科學，2019，60（12）：2226-2227，2230.

[2]原變青，賈嵐，楊婷.基于云的RFID系統(tǒng)架構與安全性分析 [J].電腦知識與技術，2020，16（1）：27-28.

[3]王亓劍，趙馀，章華，等.淺析WSN、RFID技術在我國農業(yè)中的應用[J].產業(yè)與科技論壇，2020，19（1）：52-53.

[4]邢玉廣，張彥軍.基于RFID的智能IC卡管理機的設計與研究[J].電子測量技術，2018，41（24）：40-45.

[5]王艷，王樹磊，孫浩洋，等.SIM7600和千尋位置差分數據的高精度定位研究[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2020，20（4）：2-5.

[6]秦鈺林，周若麟，張珂欣，等.基于NB-IoT窄帶通信和多傳感器組網技術的森林火災監(jiān)測預警系統(tǒng)[J].物聯網技術，2020，10（6）：14-16，19.

【通聯編輯：梁書】