基于MSP430和RFID 的小型化智能农业监控系统设计

章若冰

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲412001）

基于MSP430和RFID 的小型化智能农业监控系统设计

章若冰

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲412001）

本文针对我国温室农业"小而散"的分布特征，提出基于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统。系统以微控制器S3C2440作为读卡器的核心控制器，超低功耗单片机MSP430作为有源标签的核心控制器，CYRF6936射频芯片作为无线模块。标签通过温湿度、CO2浓度、光照强度传感器采集环境信息，传输到地面监控中心。本系统具有结构简单、成本低廉、实时性好、操作简单、易于维护、经济效益高的特点。

MSP430；RFID；光照强度传感器；智能农业监控系统

我国是一个农业大国，但农业技术和产品质量与世界先进水平还存在巨大的落差，表现为生产技术落后、产品质量不高、产品过剩和短缺并存[1]。在WTO的市场框架下，面对全球的农业市场，我国的农业如何发展关系到我国全面小康社会建设的成败、农业安全和经济基础的稳定。利用智能化农业信息技术，促进农业生产的技术升级，逐步实现我国农业生产快速发展，能够有效的提高我国农业的整体技术水平和产业竞争力。根据国外发达国家现代化农业发展的经验与趋势，对环境实行自动监测控制的设施农业是现代农业发展的必然途径之一[2-3]；此外我国农业分布呈“小而散”的特点，存在很多小型化的温室生产模式，因此，研制成本低廉、操作简单、可靠性高的设施农业环境监测控制系统是我国现代化设施农业的一个关键[4-5]，文中设计提出一种基于MSP430和RFID的小型化智能农业生产的系统方案。由PC机作为上位机、以S3C2440为核心控制芯片的读卡器和有源标签节点组成的温室集群控制系统。

1　总体方案

本系统主要由有源标签、读卡器、上位机显示控制部分组成。如图1所示。

图1　小型化智能农业监控系统总体结构图

在温室环境中各处安放有源标签，通过温湿度、CO2浓度、光照强度传感器对温室内的环境信息进行采集，系统控制方面设定门限值，当节点采集到的信息高于或低于门限值时，由读卡器控制温室中温湿度、CO2浓度、光照强度调节设备的打开和关闭，进而实现智能控制[6-8]。

2　系统硬件设计

2.1读卡器设计

读卡器主要由核心处理器、SDRAM和FLASH共同组成，将CYRF6936模块嵌入系统中，并基于Linux操作系统，通过设计RF模块驱动程序及上层应用程序，实现RF底层通信功能和上层相关RF通信协议，使读卡器与标签之间进行无线通信[9]。读卡器架构如图2所示。

图2　读卡器系统架构

2.2有源标签设计

有源标签采用MSP430F2122单片机作为主控芯片，通过SPI接口与CYRF6936实现数据交互，从而与读卡器进行无线通信，在无线通信中采用CRC算法对数据的正确性进行校验。有源标签通过环境温湿度、CO2浓度、光照强度传感器采集环境因子信息，并将数据上传给读卡器，实现对环境因子的检测与控制[10]。

2.2.1温湿度测量电路

本设计中采用DHT11温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，全标定、数字输出、低能耗、具有极高的可靠性与稳定性，它通过单总线形式与标签的MCU相连。

2.2.2光照强度测量电路

TSL2561是第二代环境光照传感器。TSL2561内置了两个模数转换器（ADC），分别对流经两个光电二极管的电流进行积分。其中通道0对可见波段和红外波段敏感，通道2仅对红外波段敏感。两个二极管通道的积分是同时进行的，同时TSL2561光照传感器具备高速、低功耗、宽量程、可编程且可以根据用户灵活配置等优势，TSL2561的内部结构如图3所示。

图3　TSL2561的内部结构

2.2.3CO2测量电路

T6004型CO2模块通过3种信号输出方式，本文采用模拟信号输出方式。T6004芯片体型小巧、结构紧凑、功耗小，所以特别适合安全检测或便携仪器使用。CO2测量电路如图4所示。

图4　CO2测量电路

3　系统软件设计

系统软件设计分为上位机和下位机软件两个部分。上位机主要完成以下两项工作：数据显示和配置文件设置。配置文件包括系统工作模式选择，温湿度、CO2浓度、光照强度门限值设置，外部设备的开关状态设定。数据显示主要包括实时显示各温室环境参数，提供将数据写入数据库功能，用户可通过将数据导出到EXCEL中进行数据查询功能。

3.1上位机软件工作流程

上位机软件工作流程如图5所示。在设置配置文件后，配置文件的数据会传送给读卡器，完成读卡器的配置；接收读卡器传回的数据，并进行处理，数据返回后，上位机将其写入数据库，并判断返回数据中是否包含报警信息。报警信息的消除有两种模式，人工控制模式和自动控制模式，人工模式下，系统将等待工作人员手动操作，若为自动控制模式，系统将根据警报情况自动向读卡器发送控制命令，操作控制模块。

3.2应用程序设计

读卡器在应用程序层主要包括主线程、对数据采集设备操作线程、对采集数据进行处理的线程、与上位机通讯线程。在应用程序层读卡器调用无线网络通讯模块进行无线通信，然后由控制数据采集设备模块通过SPI口采集CYRF6936射频模块上的通信数据，存储好原始数据后，对数据进行一定处理，并最后通过有线网络通讯模块与上位机进行网络通讯，向上位机发送采集的数据和数据分析结果，上位机根据接受到的数据和分析结果，执行相关的控制命令。应用程序操作流程如图6所示。

4　效益分析与结论

我国粮食供应方面，在未来几年可能出现供不应求的状况；农业生产方面，我国灌溉水利用率仅47%，远低于发达国家，此外，化肥、农膜和农药使用量都呈现上升的态势。主要因为设施智能化水平低，农业技术装备落后，没有做到科学的，精细化的种植，生产管理粗放。如图7所示。

目前，大棚布局还比较分散，存在很多小型化的温室，针对这种小型化农业，生产仍处于较低水平，设施不规范。本设计在生产成本、经济以及社会效益3个方面都存在比较大优势。使其更容易在小型温室农业农户中得到普及和市场推广。经过实验，本监控系统下的智能温室在环境能量的消耗上相比露地少40%，比普通温室也少20%的能量消耗；农产品的整体产量也翻倍增加，远远高于普通温室，并且提高了质量。

图5　上位机软件工作流程图

图6　应用程序操作流程

图7　农产量预测图

5　结束语

本系统具有结构简单、成本低廉、实时性好、操作简单、易于维护、经济效益高的特点。具有良好的市场价值。

[1]陈福民.基于RFID的小型化智能农业监控系统[J].通讯世界，2014（3）:127-129.

[2]史国滨.GPS和GIS技术在精准农业监控系统中的应用研究进展[J].湖北农业科学，2011，50（10）:1948-1950.

[3]邓美琛.无线传感器网络在设施农业中的应用研究[D].上海：东华大学，2014.

[4]吕文艳.李金莹.杨宏业.基于ZigBee的设施农业监控系统[J].电子设计工程，2014，24（7）:19-22

[5]张伟.面向精细农业的无线传感网络关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[6]高峰.基于无线传感网络的设施农业环境自动监控系统研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[7]尚明华，黎香兰，王风云，等.无线传感网络及其在设施农业监控中的应用[J].山东农业科学，2012，44（9）:13-16.

[8]高峰，卢尚琼，徐青香，等.无线传感网络及其在设施农业的应用紧张[J].浙江林学院学报.2010，27（5）:762-769.

[9]严洁，郑庆红.智能菇房温湿度调控系统研究[J].农机化研究，2006（10）：103-106.

[10]韦孝云，卢缸.面向设施农业的无线传感网络研究进展[J].现代电信科技，2012（6）:50-55.

Intelligent agricultural monitoring system designed based on MSP430 and RFID

ZHANG Ruo-bing
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

“Small and messy”is the feature of the greenhouse agriculture in China，so a intelligent agriculture monitoring system based on MSP430 and RFID was put forward.The system took the S3C2440 as the main controller of the reader、MSP430 made by TI corporation acted as the controller of the tag and the CYRF6936 RF chip made by CYPRESS company as the wireless module.The tag collected the information of the environment such as the temperature、density of the CO2and the intensity of the light by kinds of sensors，then transfer to the monitoring center.The system has characteristics of simple structure，low cost，good real-time performance，simple operation，easy maintenance，high economic benefit.

MSP430F413；RFID；light intensity sensor；intelligent agricultural monitoring system

TN830

A

1674－6236（2016）22-0180-03

2015-11-19稿件编号：201511193

章若冰（1984—），女，湖南株洲人，讲师。研究方向：智能仪器与仪表，电子技术应用。