基于RFID的手持式果园管理终端设计

孙鲁青 付琳 霍秀星

摘  要：文章自主设计开发了一款手持式果园信息采集和管理终端，该设备基于RFID技术对单棵植株进行识别，实现个体精准管理;采用模块化设计和RS485通信、MODBUS协议作为不同传感器的通用接口，满足了对果树图像、空气及土壤温湿度等重要数据的采集需求;建立了云端数据库，采用SIM900A无线通信模块对数据进行实时上传，并通过GPS定位生成数据信息云图和分析报表。现场测试结果表明：该终端工作运行稳定，实现了传感器信息共享和农业的自动化数据采集，具有较大的应用和推广价值。

关键词：果园管理;RFID;手持式终端

中图分类号：TP391.4       文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）23-0091-03

Abstract： In this paper， we designed and developed a handheld terminal equipment for orchard information collection and management independently， which identified a single plant and realized individual precision management based on RFID technology; we adopted modular design and RS485 communication， MODBUS protocol as the general interface for different sensors， to meet data acquisition requirements including the fruit tree image， air temperature and humidity， soil moisture etc.; we set up the cloud database， using SIM900A wireless communication module for real-time upload of data， and through the GPS positioning to generate nephogram and data analysis report. Field test results show that the terminal works stably， thus realizing the sharing of sensor information and automatic data acquisition of agriculture， so it has great application and promotion value.

Keywords： orchard management; RFID; handheld terminal

1 概述

水果作為我国主要的园艺类作物之一，其生产、销售在国民经济中占有很大比重，也是非常受人们欢迎的日常消费品。据研究表明，在果树生长的全周期内，空气的温湿度、光照强度和降雨量、土壤的温湿度、PH值及CO2浓度等环境参数是影响果树生长、成果的重要参数。因此较好、较全面的掌握这些信息，可以为果园管理提供必要依据。此外，空气和土壤的温湿度也是影响果树病虫害发作最重要的环境因素，及时监测果园的环境数据对果树病虫害预测与防治非常重要[1]。

目前国内大多数果园的环境数据采集仍然要依靠人工采集完成，果树生长的环境、管理技术的实施、病虫害的预防等工作主要依靠人为经验。这种方式耗费了大量的人工和时间成本，并且数据的记录和分析具有较大的随机性和盲目性，对提高果树管理水平、提升果品质量有比较大的影响，因此对果园环境实施信息化管理意义重大[2]。

基于以上背景，依托滨州市现代农业科技示范园——圣川果树种植示范园的实际需求开展本研究，在面向大型果园管理要求的基础上，开发了一款多传感器融合、操作简单、检测精度和稳定性高的手持式（移动式）果园管理终端。

2 功能需求及总体方案

根据果园生产过程管理的实际需求，该终端应主要具备以下功能：

（1）管理员通过手持终端进行操作，实现果树苗生长数据的采集、传输、接收。

（2）数据信息上传到云端数据库，实现对信息的过滤、分组、关联、聚合等操作，记录每棵果树各个时期的生长情况，形成工作日志和分析表。

（3）管理系统提供数据的智能分析、检索以及对异常情况的预警功能。

（4）远程部署在果园中对果树的各种管理工作。

根据以上要求，本文设计了一款手持式移动管理终端，如图1所示，融合了信息技术与果园管理技术，实现了以果树个体识别为基础的果园精细管理。

3 主要硬件电路设计

整个硬件系统由两大部分组成：一是流程控制与用户交互;二是传感器采集、数据处理与上传，如图2所示，具体包含以下模块：（1）电源管理模块：选择3S锂电池作为整机供电，除本身12V电压供给传感器正常工作外，使用EUP3476芯片作为同步降压，设计供MCU等大部分逻辑器件工作的3.3V、SIM900A工作的4V及LCD显示屏工作的5V三种电压电路[3]。（2）主板：采用STM32F429IGT6、MK60DN512VLL10作为交互MCU与传感器处理MCU，使用一颗慢速晶振（32.768Khz）为RTC提供慢速时钟，一颗高速晶振（25Mhz）作为系统主晶振，每个接口使用0.1uF的退耦电容。（3）RFID标签读取器：包含nRF24L01+射频电路、RC522的电路以及天线设计。（4）其它接口：对于

LCD显示屏与摄像头，由于STM32F429IGT6内置了总线，因此直接使用LCD总线与DCMI总线。SIM900A將自动适应SIM卡电压，不需要额外的SIM卡供电，但是需要使用TVS管保护SIM卡以及IO[4]。

4 系统软件设计

（1）主界面及设置界面：显示USB状态、GPS已连接卫星数量、GSM信号强度（0-31）、CPU使用率;列表中显示传感器的顺序表，在PC端软件设置完成后可以点击刷新顺序表来刷新，设置界面包括启用多缓冲、不检测USB状态和保存传感器数据到本地等功能设置。

（2）数据采集面板：显示采集顺序以及采集历史记录，点击启动采集后进入采集模式。点击启动采集后，RFID读卡器会被激活，同时弹出传感器采集窗口，当RFID标签进入传感器范围内后，本次采集开始启动。扫描到标签，开始按照采集顺序采集传感器，每按一下按钮即可采集当前传感器值，进度条提示传感器采集进度。当前标签采集完成，继续等待下一个标签进入传感器范围，列表记录采集历史[5]。

（3）实时数据页面：可实时显示传感器数据，并绘制折线图，以便了解环境状态。

（4）云端数据页面：可以获取上次某个标签的数据，将传感器置于读卡器范围内后，将会从服务端获取上次的数据并显示，扫描到标签之后获取到的上次数据。

5 现场测试

本终端在博兴县圣川果树种植示范园进行了现场应用测试，如图3所示。将RFID电子标签悬挂于苹果树枝条上，控制RFID读写器与电子标签距离在0到10cm之间;启动设备发射端口，在管理设备上测试网络连接。

测试结果表明，设备在果树种植示范园内通过GPRS模块与PC服务器实现了正常收发数据。在果树枝条和叶片部分遮挡的情况下，RFID读写器仍然可以稳定识别10cm范围内的电子标签。空气温度采集完毕后生成了数据云图，如图4所示。直观的显示出该区域每个测量点的温度值及整个区域的温度分布，与现场温度计测量结果吻合。

6 结论

（1）结合实际生产提出了适合于本系统的总体方案和框架设计，在RFID 技术的基础上，完全自主设计开发了多传感器采集的硬件电路、嵌入式软件系统，并进行了实际调试，硬件系统的可靠性和稳定性较高。

（2）采用GPRS 通信模式，完成手持终端设备与服务器之间的数据通信，管理人员对每株果树进行识别和农事数据记录，系统进行打包发送，最终完成数据的上传、下发、覆盖、更新等工作，从而完成信息管理。

（3）管理系统采用C#编程语言，VS2017开发环境，云端采用PHP编写，MySQL数据库，根据功能要求对数据进行分析，能够记录每株果树的成长信息（含温湿度、病虫害、生长特征等），能形成园区传感器数据云图，为管理人员提供了极大的数据化支持。

现场测试结果表明：系统能够完成果园相关信息的采集和管理，对单株果树的识别准确率为100%，采集数据与校准参考数据比较后，准确率约为85%;人机交互界面简单、友好，操作方便，平均检测每棵树耗时2-3分钟;数据库设计合理，信息管理规范。该设备的研发成功对实现果园精准管理，推动果园管理模式改革都具有重要意义。

参考文献：

[1]陈康.基于RFID的嵌入式苹果园生产过程管理设备研发[D].西北农林科技大学，2013.

[2]ETIENNE PERRET， SMAIL TEDJINI， RAJI SASIDHARAN NAIR et al. 2012.Design of Antennas for UHF RFID Tags. Proceedings of the IEEE，100（7）：2330-2340.

[3]牛冲丽，王涛.面向农业生产智能管理与追溯的物联网应用研究[J].物联网技术，2015（2）：86-88.

[4]罗文华，肖宏儒，季顺中.基于射频识别技术的无花果果园温湿度智能调控系统研究[J].中国农机化学报，2018（11）：56-60.

[5]G.Marroceo，A.Fonte，F，2002.Bardati：Evolutionary design of mirtlaturized meander-line antennas for RFID applications：Antennas and Propagation Society International Symposium. IEEE vol.2，pp.362-365.