周鹏 张步凡 李鑫雨 李辉

摘要：为解决当前农业试验田中做对比实验时存在的各种问题，减轻实验人员现场采集数据的繁重工作，提高实验的准确性，缩短实验周期。结合RFID技术、云服务器及4G通信技术设计出使用与维护便捷的手持设备及性能可靠的云服务器程序，用户通过PC或手机访问云服务器查看数据及分析结果，构建了完整的农田实验数据采集系统。实验表明该系统可以满足市场需求，具有广泛的应用前景。

关键词：对比实验;RFID;4G通信;云服务器;MF-RC522

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）27-0224-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

在农业试验田中经常需要做各种对比实验，存在诸如土壤对比实验、肥料对比实验、农药对比实验及不同品种作物间的对比实验等需求[1]。目前许多实验基地，仍然采用以塑料标签为主的方式进行不同信息的标识。采用塑料标签对不同土壤、肥料、农药等信息进行标识时存在以下不足：首先，塑料标签上可写的信息十分有限，不能完整地记录实验信息;其次，塑料标签易受污损，影响实验的正常进行;最后，采用塑料标签时，仍需要实验人员在其他媒介上补充记录其他必要信息，存在记录的信息与现场的信息对应错误的风险。将RFID、4G、云服务器等技术引入到此类农业试验田中可以解决上述问题，提高农业实验的信息化水平，达到缩短实验周期，提高实验可靠性、准确性等目的[2]。

1 系统的原理及总体设计方案

RFID即射频识别是指利用射频信号实现非接触自动识别的技术，是物联网感知层的核心技术之一，根据射频信号频率的不同可将RFID技术划分为低频、中高频和超高频几类。这几类RFID技术各有特点，低频RFID几乎没有环境变化引起的性能下降且读写器设计简单价格便宜，但识别距离短。超高频RFID有较远的识别距离且识别速度快，但对湿度、冲击等环境敏感。中高频RFID适合短识别距离，识别速度适中，且环境对其影响不大，比前两类RFID技术更适合农业实验田这样的应用场景[3]。目前常用的中高频RFID读卡器专用芯片有很多，比如恩智浦公司推出的MF-RC522就是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员，具有低电压、低成本、体积小等特点，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择[4]。

基于MF-RC522芯片的读写器与MIFARE1卡构成的系统采用电感耦合的方式，由MF-RC522芯片构成的读写器将命令调制到射频信号上即载波，发射该载波信号以在其周围空间产生高频强电磁场。当MIFAREI卡被放置于读写器能识别的区域内时，读写器电磁场穿越卡的天线横截面，使天线产生电磁感应。卡片内有一个LC串联谐振电路，当其谐振频率和读写器发射的频率相同时，LC谐振电路产生共振，使得线圈上的感应电压达到最大。卡内的电路对接收到的射频载波进行解调，还原出有用的命令信息后加以执行。MIFAREl卡将需要回复的信息调制到载波上送回读写器，最后读写器接收MIFAREI卡送回的载波信号并解调得到MIFAREI卡的应答消息。

农业试验田中实验的种类繁多，以肥料实验为例，分析一般对比实验共通的基本需求以用于农田实验数据采集系统的设计。通常在试验田中的不同区域内会使用不同的肥料，在同一区域内虽然使用同样的肥料，但在不同子区域肥料使用量又有区别。针对各个区域，在其对应标签内写入肥料品种以及用量等信息，使用设计的专用手持设备可以很方便地在田间读取不同区域的肥料使用情况。这种在现场通过手持设备了解不同区域肥料使用情况及通过人工判断相应区域作物生长情况的方式虽然解决了实验的基本需求，但实验人员仍然需要在现场做大量的记录工作，工作量大且容易出错，不能很好地体现信息化对农业实验、生产的促进作用。因此在此基础上，对系统还需进一步优化。在RFID标签中写入地址信息，在手持设备中加入4G模块，该模块带有4G通信和GPS定位功能，使用手持读写器终端设备即可读取RFID标签内包括地址信息在内的所有信息，并将信息传输至云服务器[5]。此时使用手持读写器终端的拍照功能采集现场照片信息，并将信息传输至云服务器。在云服务器端，可以根据接收到的不同子区域肥料使用信息和作物生长图片来分析不同肥料及相同肥料不同用量对农作物生长的影响。

农田实验数据采集系统主要由手持读写器终端、RFID标签、云服务器及PC或手机终端组成。手持读写器终端在整个系统中起到連接农业试验田现场与云服务器、PC或手机用户的桥梁，担负着收集现场位置、实验数据、图片等各种信息的重要职责。手持读写器终端设备在现场收集的原始数据一般都存放在云服务器上，云服务器除了保存大量的现场原始数据外还需要对上述数据进行筛选与分析，便于得出准确可靠的实验结果[6]。政府相关机构、肥料厂商和种植户可以使用PC或手机借助互联网访问云服务器直接获取试验田中的各项或部分权限允许的数据，共享服务器对实验数据的分析结果，便于实时针对实验过程中存在的问题进行纠正及对肥料等产品的效果做出科学评估。

2 数据采集系统的硬件设计

系统硬件电路主要由STM32F103VET6主控电路、RFID读写器接口电路、4G模块接口电路、摄像头接口电路、液晶屏接口电路及电源电路等组成，系统整体设计框图如图1所示。SIM7600C模块及摄像头模块可以通过串口与STM32F103VET6进行连接，而本系统所选用的STM32F103VET6芯片带有5个串口，足以满足本应用的需求。

由于该系统存在使用3.3V和5V两种不同电压的模块，因此采用5v的电源适配器供电后采用AMS1117-3.3V芯片将Sv转为3.3V，为不同模块进行供电。为防止意外短路或元器件故障导致的短路，在开关之后增加的自恢复保险丝，以提高系统的安全可靠性，具体电路如图2所示。

本系统的主要功能模块是RFID读写器模块，通过该模块读取现场不同区域内MIFAREI卡的信息。该读写器模块采用的是恩智浦公司推出的MF-RC522芯片，该芯片与STM32F103VET6主控电路通过SPI接口进行连接，具体电路如图3所示。RFID读写器模块与STM32F103VET6主控电路的具体连接为MF522_MOSI和MF522_MISO两根数据线，另外MF522_SCK、MF522_SS、MF522_RST分别为时钟线、片选线和复位线。

考虑手持设备在现场显示信息的需求及产品成本等因素，本系统选用性价比高且应用广泛的12864液晶屏，12864液晶屏与STM32F103VET6主控电路通过8根并口数据线进行连接，并可通过可变电阻来调节液晶显示屏的亮度，具体电路如图4所示。

3 数据采集系统的软件设计

系统的软件设计主要分为两部分，一方面需要在手持设备上开发基于STM32F103VET6的各模块应用程序，另一方面需要在云端编写服务器程序。PC或手机用户可通过网页访问服务器，也可以为PC或手机用户访问服务器开发相应的App程序。

手持设备硬件程序设计主要围绕RFID读写器模块、液晶显示模块、摄像头模块及SIM7600C通信模块进行开发。根据4种模块与STM32F103VET6的连接方式可以分析出通过调用ST公司提供的SPI、GPIO及串口相关的库函数即可完成4种模块驱动程序的设计。结合具体应用可以设计出图5所示的系统程序流程图。

手持设备采集的现场MIFARE1卡的数据及摄像头采集的相应区域图片通过SIM7600C通信模块传输至云服务器，购买的云服务器上一般运行的Linux操作系统，因此需要开发基于Linux操作系统的服务器程序。服务器程序负责对socket服务器进行封装，并在请求到来时，对请求的各种数据进行整理。应用程序则负责具体的逻辑处理。为了方便应用程序的开发，可选用Django、Flask、web.py等Web框架。WSGI（ Web ServerGateway Interface）是一种规范，它定义了使用PVthon编写的web应用程序与web服务器程序之间的接口格式，实现web应用程序与web服务器程序间的解耦。web应用程序除需要完成接收现场采集的数据外，还需借助MySOL数据库保存上述现场数据供后续的分析及PC或手机的客户端访问查询。

4 结束语

此系统的设计能够满足试验田中经常进行的各种对比实验的需求，减少实验人员的工作量，提高了实验的准确性。将RFID技术、云服务及4G通信技术等应用于农业领域，为物联网在农业的普遍推广进行了有益的尝试。本系统在便捷性、可维护性、信息化程度和成本控制上都有了很大提升，在已有的平台上还有更多地可以加入其中的新思路和构想，未来将做更多尝试以满足不断发展的农业现代化需求。

参考文献：

[1]陈孝赏，陈伟强，刘守坎.台州市11个鲜食马铃薯品种比较 试验[J].浙江农业科学，2019，60（12）：2226-2227，2230.

[2]原變青，贾岚，杨婷.基于云的RFID系统架构与安全性分析 [J].电脑知识与技术，2020，16（1）：27-28.

[3]王亓剑，赵馀，章华，等.浅析WSN、RFID技术在我国农业中的应用[J].产业与科技论坛，2020，19（1）：52-53.

[4]邢玉广，张彦军.基于RFID的智能IC卡管理机的设计与研究[J].电子测量技术，2018，41（24）：40-45.

[5]王艳，王树磊，孙浩洋，等.SIM7600和千寻位置差分数据的高精度定位研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（4）：2-5.

[6]秦钰林，周若麟，张珂欣，等.基于NB-IoT窄带通信和多传感器组网技术的森林火灾监测预警系统[J].物联网技术，2020，10（6）：14-16，19.

【通联编辑：梁书】