基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)智能鴿蛋收集系統(tǒng)

萬偉康 王文博 馬炳曦 時代兒 李伙全 黃海飛

摘 要：近年來，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷拓展，通過與互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等技術(shù)相結(jié)合，人們可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物體的信息跟蹤與共享。當(dāng)今養(yǎng)殖業(yè)仍普遍采用人工采集數(shù)據(jù)的方式，而未來的養(yǎng)殖市場將不只是人工成本的比拼，更在于資源和服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)平臺的實現(xiàn)將為養(yǎng)殖業(yè)智能化提供更廣闊的應(yīng)用空間。本研究提出了RFID鴿蛋數(shù)據(jù)采集、GPRS數(shù)據(jù)遠程無線傳輸?shù)慕鉀Q方案。經(jīng)實際運行，系統(tǒng)取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；GPRS；電子標簽；肉鴿養(yǎng)殖

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0063-04

0 引 言

肉鴿養(yǎng)殖中鴿子蛋是主要的經(jīng)濟收入來源，而鴿子每個月下蛋的數(shù)量受鴿子生長情況的限制，有的鴿子每月下蛋多，而有的每月下蛋少，對于那些每月下蛋比較少的或者生病不下蛋的鴿子要及時進行動物治療。然而眾多鴿子的管理卻會耗費巨大的人力物力資源，并且難以做出較為全面和系統(tǒng)的管理與分析。近年來隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，通過與互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等技術(shù)相結(jié)合，人們可以在全球范圍內(nèi)對物體的信息進行跟蹤與共享，這為基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)智能鴿蛋收集系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的肉鴿養(yǎng)殖方式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等便攜式通信設(shè)備技術(shù)相融合，實現(xiàn)了更方便的肉鴿鴿蛋收集功能，將物聯(lián)網(wǎng)的易用性、便捷性加入肉鴿養(yǎng)殖中，互聯(lián)網(wǎng)平臺的搭建將肉鴿養(yǎng)殖的方式拓展到智能化物聯(lián)網(wǎng)時代，用戶和工作人員都能利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方便的管理和查詢?nèi)怿濔B(yǎng)殖狀況。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)RFID智能鴿蛋收集系統(tǒng)使用STM32核心板進行開發(fā)，融合了RC522為核心的RFID模塊，SIM800L為核心的GPRS模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳送，綜合實現(xiàn)了肉鴿鴿蛋的采集功能與無線發(fā)送數(shù)據(jù)功能，并研究搭建了初級形態(tài)的智能鴿蛋收集系統(tǒng)。

應(yīng)用平臺可通過RC522芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過STM32控制器實現(xiàn)與RFID模塊和GPRS模塊之間的串口通信，通過廣域網(wǎng)服務(wù)器提供的網(wǎng)頁服務(wù)實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)測以及管理每天收集的鴿蛋數(shù)量。

1.2 工作原理

本設(shè)計搭建的物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)硬件部分包括RFID數(shù)據(jù)采集器、GPRS遠程無線傳輸設(shè)備、因特網(wǎng)服務(wù)器端。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)采用STM32單片機作為主要控制單元，結(jié)合了RC522讀卡器硬件以及基于TCP的HTTP協(xié)議以AT指令的方式實現(xiàn)了鴿蛋數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸功能，同時在云端使用了基于Apache的服務(wù)器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)頁遠程查詢管理功能。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了注冊模式、統(tǒng)計模式以及短信模式三種操作方式。注冊模式將當(dāng)天產(chǎn)蛋的肉鴿的電子標簽注冊后利用統(tǒng)計模式將產(chǎn)蛋數(shù)以刷卡的方式寫入IC射頻卡中，同時系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以串口方式發(fā)送至GPRS模塊以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。當(dāng)遇到肉鴿生病等異常情況時，使用短信模式將肉鴿的電子標簽信息發(fā)送至專業(yè)人員處。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)功能效果圖如圖3所示。

2 硬件部分

2.1 硬件原理

2.1.1 STM32F103RBT6控制芯片

本系統(tǒng)采用基于高性能ARMCortex-M3TM 32位RISC核心的STM32F103RBT6芯片作為系統(tǒng)的主控芯片。STM32F103RBT6工作的電源電壓范圍為23.6 V。他們在–40+85℃的溫度范圍和–40+105℃擴展的溫度范圍可用。所有器件提供兩個12位ADC、三通用16位定時器、PWM定時器以及標準先進的通訊接口：上兩I2CS和SPI接口，三個串行外設(shè)接口，一個USB和CAN。這些特點使得STM32F103RBT6高介質(zhì)密度性能線微控制器系列擁有廣泛的應(yīng)用范圍，如電機、應(yīng)用控制、醫(yī)療和手持設(shè)備及工業(yè)上應(yīng)用PLC變頻器和空調(diào)系統(tǒng)等方面。

2.1.2 RC522

MF RC522是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員，利用先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。它是NXP 公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、小體積的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇 。

2.1.3 SIM800L

系統(tǒng)中GPRS模塊采用SIM800L無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。SIM800L是一款四頻GSM/GPRS模塊，LGA封裝。其性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價比高，能滿足客戶的多種需求。SIM800L工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM800L尺寸為15.8 mm×17.8 mm×2.4 mm，幾乎可以滿足所有用戶在應(yīng)用中對空間尺寸的要求，適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計。物聯(lián)網(wǎng)RFID鴿蛋收集系統(tǒng)——聯(lián)網(wǎng)模塊如圖6所示。

3 軟件部分

3.1 軟件原理

3.1.1 原理概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID鴿蛋收集系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控單元，結(jié)合RC522核心的RFID模塊以及基于TCP實現(xiàn)的HTTP協(xié)議和基于串口的GPRS控制器共同實現(xiàn)了鴿蛋收集系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能，在云端使用了基于Apache的服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)頁顯示功能。

3.1.2 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)功能可通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊來實現(xiàn)，其最多可支持50個按鍵；擁有一路全功能串口，可根據(jù)需要配置成兩個獨立的串口；具有一路USB接口，可模擬出一路串口，便于客戶調(diào)試；擁有可編程的通用輸入輸出接口（GPIO）；一路SIM卡接口；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議；支持4頻GSM/GPRS；支持通常用于PPP連接的PAP協(xié)議；支持分組廣播控制信道（PBCCH）；GPRS數(shù)據(jù)上/下行傳輸?shù)淖畲笏俣葹?5.6 Kb/s。

3.1.3 串口通訊及中斷

本系統(tǒng)使用了3個串口，串口接收和發(fā)送使用FIFO環(huán)形緩沖區(qū)，從而有效避免了多串口多中斷的消息丟失問題。各串口功能如表1所列。

3.1.4 服務(wù)器端網(wǎng)頁和php部分

3.1.4.1 服務(wù)器概況、架構(gòu)及體系

我們申請了位于教育網(wǎng)的服務(wù)器，可進行自主維護和管理，安全性和穩(wěn)定性均得到了保障。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用基于RHEL（Red Hat Enterprise Linux，RHEL）內(nèi)核的CentOS，不僅可以兼顧性能及安全，還具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及算法，專門為提供Web服務(wù)進行了優(yōu)化。Web服務(wù)器軟件采用Apache+php這一成熟體系，簡單高效，能為用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)。

3.1.4.2 核心腳本文件的作用

核心腳本文件具有如下功能：

（1）在服務(wù)器端的指定目錄中使用index.php接收、處理并存儲單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，返回用戶控制代碼；

（2）view.php提供用戶直接訪問的網(wǎng)頁接口；

（3）data.php用于處理用戶提交的表單和頁面自動發(fā)送的AJAX請求等數(shù)據(jù)。

3.1.4.3 數(shù)據(jù)接收與處理

單片機采用GET方式發(fā)送HTTP請求，在后臺使用正則表達式對字符串進行處理與過濾。然后使用獨立文件存儲腳本運行狀態(tài)及處理后的數(shù)據(jù)。采用關(guān)鍵字作為驗證碼以識別數(shù)據(jù)發(fā)送者的合法性，若檢測到無關(guān)設(shè)備發(fā)送的非法數(shù)據(jù)或發(fā)生錯誤時能及時結(jié)束腳本運行并關(guān)閉連接，避免對服務(wù)器安全造成威脅或消耗系統(tǒng)資源，保證服務(wù)器運行的穩(wěn)定性。

3.1.4.4 數(shù)據(jù)讀取與呈現(xiàn)

等待用戶請求，讀取文件并提取關(guān)鍵的字符串，將其轉(zhuǎn)換為所需的文字信息、百分比等格式的數(shù)值，并以較為友好的方式呈現(xiàn)給用戶。

3.1.4.5 用戶訪問接口頁面

采用AJAX方式與后端進行實時交互，及時獲取最新的數(shù)據(jù)，向用戶實時顯示相關(guān)提示信息，并及時將用戶控制指令返回到后端處理，之后發(fā)送給單片機進行相應(yīng)的控制動作。

3.2 原理框圖

4 系統(tǒng)整體功能測試連接先前調(diào)試好的各個部件進行整體功能測試，包括如下內(nèi)容：

（1）接通設(shè)備電源，打開RIFD鴿蛋搜集系統(tǒng)，等待設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)。

（2）注冊模式：用已連接裝置記錄有產(chǎn)蛋的鴿蛋標簽。

（3）收集模式：根據(jù)鴿蛋數(shù)目，將標簽（IC白卡）向RFID裝置刷相應(yīng)次數(shù)，同時無線網(wǎng)絡(luò)模塊詳細記錄并發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

（4）LCD顯示屏顯示當(dāng)前刷卡信息（模式；標簽；鴿蛋數(shù)）。

（5）短信模式：當(dāng)肉鴿出現(xiàn)異常情況時，即可用短信模式將該鴿子信息發(fā)送至相關(guān)人員請求幫助。

4.1 測試設(shè)備

測試設(shè)備包括RFID模塊、開發(fā)與調(diào)試用電腦與指定號碼手機一臺、用于連接互聯(lián)網(wǎng)的GPRS模塊、ARM開發(fā)板、STM32開發(fā)板及串口模塊、提供公網(wǎng)IP的服務(wù)器、IC射頻卡。

4.2 軟件配置

4.2.1 串口調(diào)試助手軟件

在Microsoft Windows平臺上使用串口調(diào)試助手對操作SIM800L的AT指令進行修改和調(diào)試。

4.2.2 單片機開發(fā)與調(diào)試軟件

在Microsoft Windows平臺上選用Keil mVision5作為開發(fā)軟件對RFID和STM32以及GPRS模塊進行開發(fā)。

4.2.3 服務(wù)器操作系統(tǒng)與HTTP服務(wù)器軟件

（1）本地采用wamp軟件包進行PHP調(diào)試。

（2）公網(wǎng)服務(wù)器選用基于Red Hat Enterprise Linux的CentOS 6.5作為服務(wù)器操作系統(tǒng)，并安裝配置 Apache 2.2.24和php 5.3.3提供HTTP和Web服務(wù)。

4.3 測試數(shù)據(jù)

4.4 結(jié)果分析

測試結(jié)果如下所示：

（1）使用IC射頻卡注冊后能進行計數(shù)操作（在液晶顯示器上顯示）。

（2）網(wǎng)頁接收到刷卡后上傳的數(shù)據(jù)：時間、卡編號、鴿蛋數(shù)量（GPRS模塊正常）。

（3）短信模式下固定手機號碼能正常接收到短信提示。

（4）單片機向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)能被正常解析并存儲，在網(wǎng)頁上可以實時刷新顯示。

（5）單片機能接收到服務(wù)器返回的控制碼并做出正常響應(yīng)，表明系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié) 語

本文使用以ARMCortex處理器為核心的STM32控制芯片通過串口通信將RFID電子標簽的信息傳送給GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸功能。注冊模式、統(tǒng)計模式與短信模式均良好運行，后期對采集到的數(shù)據(jù)進行遠程管理與分析，使得本設(shè)計具有一定的實用性，同時對提高現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的數(shù)據(jù)智能化管理水平有很大幫助。

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