基于RFID的物联网智能鸽蛋收集系统

万伟康 王文博 马炳曦 时代儿 李伙全 黄海飞

摘 要：近年来，随着RFID技术的发展，其应用范围不断拓展，通过与互联网、移动通讯等技术相结合，人们可以实现全球范围内物体的信息跟踪与共享。当今养殖业仍普遍采用人工采集数据的方式，而未来的养殖市场将不只是人工成本的比拼，更在于资源和服务，物联网平台的实现将为养殖业智能化提供更广阔的应用空间。本研究提出了RFID鸽蛋数据采集、GPRS数据远程无线传输的解决方案。经实际运行，系统取得了较好的效果。

关键词：物联网；RFID；GPRS；电子标签；肉鸽养殖

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）09-0063-04

0 引 言

肉鸽养殖中鸽子蛋是主要的经济收入来源，而鸽子每个月下蛋的数量受鸽子生长情况的限制，有的鸽子每月下蛋多，而有的每月下蛋少，对于那些每月下蛋比较少的或者生病不下蛋的鸽子要及时进行动物治疗。然而众多鸽子的管理却会耗费巨大的人力物力资源，并且难以做出较为全面和系统的管理与分析。近年来随着RFID技术的发展，通过与互联网、移动通讯等技术相结合，人们可以在全球范围内对物体的信息进行跟踪与共享，这为基于RFID的物联网智能鸽蛋收集系统奠定了良好的基础。

本系统将传统的肉鸽养殖方式和物联网技术以及互联网服务等便携式通信设备技术相融合，实现了更方便的肉鸽鸽蛋收集功能，将物联网的易用性、便捷性加入肉鸽养殖中，互联网平台的搭建将肉鸽养殖的方式拓展到智能化物联网时代，用户和工作人员都能利用网络设备方便的管理和查询肉鸽养殖状况。

1 系统方案

1.1 系统设计

物联网RFID智能鸽蛋收集系统使用STM32核心板进行开发，融合了RC522为核心的RFID模块，SIM800L为核心的GPRS模块，通过GPRS网络实现广域网数据信息传送，综合实现了肉鸽鸽蛋的采集功能与无线发送数据功能，并研究搭建了初级形态的智能鸽蛋收集系统。

应用平台可通过RC522芯片实现数据采集，通过STM32控制器实现与RFID模块和GPRS模块之间的串口通信，通过广域网服务器提供的网页服务实现远程状态监测以及管理每天收集的鸽蛋数量。

1.2 工作原理

本设计搭建的物联网RFID鸽蛋收集系统硬件部分包括RFID数据采集器、GPRS远程无线传输设备、因特网服务器端。物联网RFID鸽蛋收集系统采用STM32单片机作为主要控制单元，结合了RC522读卡器硬件以及基于TCP的HTTP协议以AT指令的方式实现了鸽蛋数据的无线远程传输功能，同时在云端使用了基于Apache的服务器以实现数据处理以及网页远程查询管理功能。

本系统实现了注册模式、统计模式以及短信模式三种操作方式。注册模式将当天产蛋的肉鸽的电子标签注册后利用统计模式将产蛋数以刷卡的方式写入IC射频卡中，同时系统将数据以串口方式发送至GPRS模块以实现数据的远程无线传输。当遇到肉鸽生病等异常情况时，使用短信模式将肉鸽的电子标签信息发送至专业人员处。物联网RFID鸽蛋收集系统功能效果图如图3所示。

2 硬件部分

2.1 硬件原理

2.1.1 STM32F103RBT6控制芯片

本系统采用基于高性能ARMCortex-M3TM 32位RISC核心的STM32F103RBT6芯片作为系统的主控芯片。STM32F103RBT6工作的电源电压范围为23.6 V。他们在–40+85℃的温度范围和–40+105℃扩展的温度范围可用。所有器件提供两个12位ADC、三通用16位定时器、PWM定时器以及标准先进的通讯接口：上两I2CS和SPI接口，三个串行外设接口，一个USB和CAN。这些特点使得STM32F103RBT6高介质密度性能线微控制器系列拥有广泛的应用范围，如电机、应用控制、医疗和手持设备及工业上应用PLC变频器和空调系统等方面。

2.1.2 RC522

MF RC522是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员，利用先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。它是NXP 公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、小体积的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择 。

2.1.3 SIM800L

系统中GPRS模块采用SIM800L无线数据收发模块。SIM800L是一款四频GSM/GPRS模块，LGA封装。其性能稳定、外观小巧、性价比高，能满足客户的多种需求。SIM800L工作频率为GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。SIM800L尺寸为15.8 mm×17.8 mm×2.4 mm，几乎可以满足所有用户在应用中对空间尺寸的要求，适用于各种紧凑型产品设计。物联网RFID鸽蛋收集系统——联网模块如图6所示。

3 软件部分

3.1 软件原理

3.1.1 原理概述

基于物联网的RFID鸽蛋收集系统采用STM32单片机作为主控单元，结合RC522核心的RFID模块以及基于TCP实现的HTTP协议和基于串口的GPRS控制器共同实现了鸽蛋收集系统的联网功能，在云端使用了基于Apache的服务器实现数据处理以及网页显示功能。

3.1.2 GPRS无线网络模块

网络功能可通过GPRS无线网络模块来实现，其最多可支持50个按键；拥有一路全功能串口，可根据需要配置成两个独立的串口；具有一路USB接口，可模拟出一路串口，便于客户调试；拥有可编程的通用输入输出接口（GPIO）；一路SIM卡接口；内嵌TCP/IP协议；支持4频GSM/GPRS；支持通常用于PPP连接的PAP协议；支持分组广播控制信道（PBCCH）；GPRS数据上/下行传输的最大速度为85.6 Kb/s。

3.1.3 串口通讯及中断

本系统使用了3个串口，串口接收和发送使用FIFO环形缓冲区，从而有效避免了多串口多中断的消息丢失问题。各串口功能如表1所列。

3.1.4 服务器端网页和php部分

3.1.4.1 服务器概况、架构及体系

我们申请了位于教育网的服务器，可进行自主维护和管理，安全性和稳定性均得到了保障。服务器操作系统采用基于RHEL（Red Hat Enterprise Linux，RHEL）内核的CentOS，不仅可以兼顾性能及安全，还具有完善的网络通信协议及算法，专门为提供Web服务进行了优化。Web服务器软件采用Apache+php这一成熟体系，简单高效，能为用户提供稳定的服务。

3.1.4.2 核心脚本文件的作用

核心脚本文件具有如下功能：

（1）在服务器端的指定目录中使用index.php接收、处理并存储单片机发送的数据，返回用户控制代码；

（2）view.php提供用户直接访问的网页接口；

（3）data.php用于处理用户提交的表单和页面自动发送的AJAX请求等数据。

3.1.4.3 数据接收与处理

单片机采用GET方式发送HTTP请求，在后台使用正则表达式对字符串进行处理与过滤。然后使用独立文件存储脚本运行状态及处理后的数据。采用关键字作为验证码以识别数据发送者的合法性，若检测到无关设备发送的非法数据或发生错误时能及时结束脚本运行并关闭连接，避免对服务器安全造成威胁或消耗系统资源，保证服务器运行的稳定性。

3.1.4.4 数据读取与呈现

等待用户请求，读取文件并提取关键的字符串，将其转换为所需的文字信息、百分比等格式的数值，并以较为友好的方式呈现给用户。

3.1.4.5 用户访问接口页面

采用AJAX方式与后端进行实时交互，及时获取最新的数据，向用户实时显示相关提示信息，并及时将用户控制指令返回到后端处理，之后发送给单片机进行相应的控制动作。

3.2 原理框图

4 系统整体功能测试连接先前调试好的各个部件进行整体功能测试，包括如下内容：

（1）接通设备电源，打开RIFD鸽蛋搜集系统，等待设备连接互联网。

（2）注册模式：用已连接装置记录有产蛋的鸽蛋标签。

（3）收集模式：根据鸽蛋数目，将标签（IC白卡）向RFID装置刷相应次数，同时无线网络模块详细记录并发送至服务器数据库中。

（4）LCD显示屏显示当前刷卡信息（模式；标签；鸽蛋数）。

（5）短信模式：当肉鸽出现异常情况时，即可用短信模式将该鸽子信息发送至相关人员请求帮助。

4.1 测试设备

测试设备包括RFID模块、开发与调试用电脑与指定号码手机一台、用于连接互联网的GPRS模块、ARM开发板、STM32开发板及串口模块、提供公网IP的服务器、IC射频卡。

4.2 软件配置

4.2.1 串口调试助手软件

在Microsoft Windows平台上使用串口调试助手对操作SIM800L的AT指令进行修改和调试。

4.2.2 单片机开发与调试软件

在Microsoft Windows平台上选用Keil mVision5作为开发软件对RFID和STM32以及GPRS模块进行开发。

4.2.3 服务器操作系统与HTTP服务器软件

（1）本地采用wamp软件包进行PHP调试。

（2）公网服务器选用基于Red Hat Enterprise Linux的CentOS 6.5作为服务器操作系统，并安装配置 Apache 2.2.24和php 5.3.3提供HTTP和Web服务。

4.3 测试数据

4.4 结果分析

测试结果如下所示：

（1）使用IC射频卡注册后能进行计数操作（在液晶显示器上显示）。

（2）网页接收到刷卡后上传的数据：时间、卡编号、鸽蛋数量（GPRS模块正常）。

（3）短信模式下固定手机号码能正常接收到短信提示。

（4）单片机向服务器发送的数据能被正常解析并存储，在网页上可以实时刷新显示。

（5）单片机能接收到服务器返回的控制码并做出正常响应，表明系统工作正常。

5 结 语

本文使用以ARMCortex处理器为核心的STM32控制芯片通过串口通信将RFID电子标签的信息传送给GPRS网络模块，实现数据的远程无线传输功能。注册模式、统计模式与短信模式均良好运行，后期对采集到的数据进行远程管理与分析，使得本设计具有一定的实用性，同时对提高现代养殖业的数据智能化管理水平有很大帮助。

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