一种应用于设施农业的有源RFID系统设计

范庭芳，钱松荣

0 引言

设施农业是目前兴起的一种利用人工建造的设施，使得传统农业逐步摆脱自然的束缚走向安全、高产。设施农业控制的核心是改变环境各类参数，例如温度、湿度和光照等，使得作物能够生长在合适的环境下，达到最佳生长状态。但当前的设施农业中对于大棚内各类环境参数的监控是基于人工实地巡查的方法，此法既耗时又耗人力，并且不能实时监控，对于温室内状态改变反应较慢，存在很大缺憾。

随着物联网（IOT）的快速发展，其带来的应用逐步深入国民生活的方方面面。而作为物联网的核心技术之一的射频识别技术RFID功不可没。无源RFID目前已经广泛应用于公交、物流和管理等方面；而有源RFID与无源RFID相比，具有传输距离远、数据传输速率快、精度高等的优点。本文设计了一套基于CC430的有源RFID系统，用于实时监控设施农业大棚内的各类环境参数，并根据作物生长模型给出合理建议和报警。

1 系统整体方案设计

本系统主要由带各类传感器的有源标签、基站和PC客户端组成，系统整体框架如图1所示。整体系统简单的由3部分组成：PC客户端、基站和标签。PC客户端包括从USB口收发基站数据、数据库存储、动态显示和报警；基站和标签组成有源RFID系统，数据传输频段为433Mhz，该频段为ISM免费频段，系统使用的芯片是TI公司生产的超低功耗 CC430，该芯片集成了单片机 MSP430和无线传输模块CC1101，比普通的两块芯片面积减少 50%的覆盖面积。基站部分负责包括与覆盖范围内的标签通信、数据简单处理以及和PC客户端数据通信，是整个系统的中间件；而标签部分通过外接各类传感器采集环境参数，并通过一定协议传送给基站，实现实时控制。

系统在正常工作状态时，会每隔一定时间更新一组环境参数数据并且在PC客户端动态显示，并且在客户端设定作物生长模型，如果环境参数处于设定的生长模型之外，则会立即报警，提醒农户进行相应调整，如图1所示：

图1 系统框架

2 系统硬件设计

系统硬件主要分为：接口转换传输模块，基站处理模块、标签处理模块以及和传感器的接口模块。

2.1 接口转换模块

硬件实物图如图2中的2区域所示。因为数据最终要传输给PC服务器端，但CC430单片机并不支持直接USB口通信，故而在数据传输的时候需要进行接口转换，如图所示，使用特定的接口转换芯片可以将 UART等串口转换成USB连接，方便数据传输。

2.2 基站传输模块

硬件实物图如图2中的1区域所示：

图2 基站&接口转换模块

因为CC430的高度集成性，只需要很少的外围器件即可以组建无线通信模块。使用26Mhz的贴片晶振以及433Mhz的贴片陶瓷天线。

2.3 标签及传感器模块

标签的无线信号接收部分和基站相匹配。标签同时引出接口与各类传感器相连，图中所示为光敏传感器模块与标签模块相连。

在本文涉及的传感器处理模块试验中，使用的光敏传感器是ROHM公司BH1750FVI，可直接输出照度值，测量范围为 1‐65535lx，精度 20%。使用的温湿度传感器是Sensirion公司的SHT10，可输出完全标定的数字信号，包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，可用于测量空气温湿度和土壤温湿度。

3 系统软件的设计

本文中的系统软件设计主要包括两大块：有源 RFID系统软件的设计、PC客户端的界面软件的设计。

3.1 有源RFID系统软件设计

有源RFID系统软件分为基站代码和标签代码两部分。使用的仿真软件是IAR for msp430。

3.1.1 基站部分软件

在基站部分软件设计中，结合整个系统的实际需要，结合下游标签、上游PC机的数据传输和控制命令的发送之后，分成一定的模块设计，从方便、节能低功耗等设计思路入手。具体流程图，如下图3所示：

图3 基站代码流程图

上图中，基站先经过对芯片初始化，同时也对无线部分初始化以使得后续步骤可以进行，系统随之进入低功耗监听状态。之后如若有来自PC端或者标签的信号，则会进入相应中断进行对应操作。

3.1.2 标签部分软件

标签部分需要在基站软件的基础上进行配套设计。由于两者的功能有显著差异，所以无论在主程序的设计、传感器的数据采集、以及无线部分的对接和数据传输，都经过特别仔细的考量。

标签在上电初始化之后，会进入一个认证过程，如图4所示：

图4 认证过程

首先标签会循环发送请求入网命令，如果覆盖范围内有基站收到，则标签在收到基站回传数据之后会进入认证模式，发送认证请求，请求中包含标签的ID和相应密码。如若基站对标签的申请通过，标签接受到基站的确认命令之后，则表示标签正式入网可以进行数据传输了。

在标签部分的代码中，还涉及到对传感器的操作部分，本文中，光敏BH1750FVI和温湿度传感器SHT10均不是标准的串口，对其操作要参照其数据手册进行严格的时序控制。

任何的数据通信都离不开协议，本文中也不例外。我们针对本系统的功能设计了一套协议。CC430发送的无线数据帧结构包括 8*n的前导比特、16/32比特的同步字节、8比特的长度、8比特的地址字节、8*n比特的数据域和16比特的CRC校验。

在本文的传输协议中，根据合适的基站和标签的数量设定了符合实际的bytes数。此外以防基站覆盖范围内标签数量很多，设置了若干bytes的类别ID。其他还有诸如命令类型、命令、节点状态和数据等，包含发送何种命令、此时节点的状态和数据等信息。

在有源RFID软件设计中，无线数据传输均使用128bit的AES加密，同时利用轮询方式来控制标签冲突。

3.2 PC客户端软件设计

PC客户端管理系统是利用window7下得Visual Studio 2010开发的。利用Microsoft SQL Server 2005作为Dbms。利用DGI+接口和现有模块化工具箱编写而成。该客户端可以将温湿度、光照等传感器采集到的数据画成曲线并实时的在PC端。为了专注于模块化设计，我们仅使用了基本功能模块，包括基本CGM模块和基本环境参数记录。界面如图5所示：

图5 PC客户端显示

在客户端显示界面中，左边的为选项按钮，可以选择显示的图像的信息，包括温度、湿度、光照和CO2含量等；中间的黑色区域为信息显示区域，可以将环境参数画成图像，该区域也设置了警报线，警报线的设置是根据作物生长模型计算而得，由上图也可以看到报警弹出框；此外为了方便具体的应用，我们也将收到的原始数据列于界面下方，便于对照查看。

4 作物生长模型简介

在设施农业中，作物生长模型的研究对产量和品质的提高有着相当重要的作用。30多年来，世界上很多国家都对其进行了相当的研究，主要的内容是对作物的影响较大的太阳辐射、温湿度、CO2、水肥养分等因素进行定量定时分析。对作物的光合作用、呼吸作用、干物质分配和植株生长以及衰老等基本生理生态过程进行研究，目前主要研究的对象有小麦、玉米、高粱和棉花等主流作物。比较著名的模型有荷兰的Wageningen模型，其在作物生产系统的4种生产水平的假设上进行研究；美国DSSAT系列模型和GOSSYM模型，上述两种模型具有一些通用的模块，但由于每一个作物都有自己的特点，所以它们也具有一些特定的模块，目前功能模拟17种作物，主要用于控制土壤、气候和其他的一些管理措施；澳大利亚的APSIM模型，其与DSSAT类似，把各种不同的作物模型集成到一个公用的平台来实现。

本文中采用方法结合了上述3种方法的特点，并根据实际情况进行了简化处理，主要针对环境因素如温湿度、光照和水肥量等数据进行了不同作物的模拟设定，主要思想是根据作物特性和历史经验，利用线性或者二次方的简单运算，同时利用前一天的增量，来判断下一天的环境参数并进行警报设定。

5 总结和展望

本文中设计的一套系统是基于物联网的核心内容有源RFID来实现的。使用超低功耗CC430芯片实现良好的数据传输控制。经试验测试基站和标签在空旷环境下可以实现70m左右的数据通信，足以用于设施农业。同时本文还结合作物生长模型，设计了PC客户端的管理软件，更加方便和人性化。

今后工作的目标是更加完善整套系统，并且在作物的生长模型上提出更加精确、适用于更加多作物的模型，以方便系统使用。

[1]MSP430 Hardware Tools User’s Guide.SLAU278F-May 2009- Revised December 2010,Texas Instruments.

[2]Datasheet,SHT1x (SHT10,SHT11,SHT 15)Humidity and Temperature Sensor.Version 4.2,April,2009.www.sensirion.com

[3]郑贤忠，曹小华，郑文立，有源 RFID系统中的电子标签设计，[j]《港口装卸》，2008年第2期

[4]唐力坚，孙志锋，有源RFID系统的防碰撞算法设计，[j]《江南大学学报》，2008年12月

[5]林忠辉，莫兴国，项月琴，作物生长模型研究综述，[j]《作物学报》，2003年9月