专业组先进控制类重庆邮电大学基于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统设计

1、2019-2019德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目：基于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统设计学校： 重庆邮电大学 指导教师： 黄俊 组别： 专业组 应用类别： 先进控制类 平台： MSP430 参赛队成员名单：雷 杏 在读硕士 谭成宇 在读硕士 谢小芳 在读硕士 xiexiao视频文件观看地址：邮寄地址和收件人联系方式：邮寄地址：重庆市南岸区崇文路2号重庆邮电大学；收件人联系方式：收件人：雷杏 联系方式：、题 目：基于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统设计摘要：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

2、控系统。系统以微控制器S3C2440作为读卡器的核心控制器，TI公司的超低功耗单片机MSP430作为有源标签的核心控制器，CYPRESS公司的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。本文重点介绍该系统的硬件、软件设计体现其创新性。“Small and messy” is the feature of the greenhouse agriculture in China ,so a intelligent agriculture monitoring system based on MSP430 and RFID was

3、 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、densit

4、y of the CO2 and the intensity of the light by kinds of sensors ,then transfer to the monitoring center. The article mainly described the design of hardware and software as well reflected the creativity of the system. 1 引言农业是国民经济的基础，我国是一个农业大国，但不是一个农业强国。改革开放二十多年，我国的农业生产取得了巨大的成绩，但是，我国的农业技术和产品质量及世界先进水平

5、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等现象。特别是在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。利用当前活跃的信息技术，即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。2 系统方案 目前我国现代化设施农业发展的进程面临一个长期无法突破的瓶颈：一方面，根据国外发达国家现代化农业发展的经验及趋势，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，为此，我国各地纷纷引进了国外的一些先进温室设施作为示范推广

6、措施，以推动我国的现代化高科技设施农业的发展。另一方面，我国作为一个农业大国，但农业分布呈“小而散”的特点，存在很多小型化的温室生产模式，针对这种小型化农业，在设施上的投资处于较苛刻的水平，成本稍高的技术及系统便无法产生净经济效益而得到实际使用；而且，我国农民的文化科技水平及国外发达国家相比，也存在着相当的差距，故对操作人员科技水平要求较高的技术及系统也就无法为普通农民所接受并推广。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，本设计提出一种基于MSP430和RFID的小型化智能农业生产的系统方案。针对当前国内外温室生产和管理模式上的差距，以及

7、相应的采集控制系统的特点和存在的不足，结合国内农业温室“小而散”的现状。本文设计了一种基于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统，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。2.1 系统总体设计本系统主要由有源标签、读卡器、上位机显示控制部分组成。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，系统控制方面主要由上位机设定门限值，当节点采集到的信息高于或低于门限值时，将数据传给读卡器，经过读卡器分析、处理后将数据发送给上位机，上位机下达监控指令，由读卡器控制温室中温湿度、CO2浓度、光照

8、强度调节设备的打开和关闭，进而实现智能控制。系统设计如图1所示。图1 小型化智能农业监控系统总体结构图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。2.1.1 系统设计目标本文的总体设计目标是研究开发一种基于MSP430和RFID技术的数字化、网络化、智能化的温室控制系统，该系统具有集数据采集、环境监测和控制于一体、低成本、低价格等特点。本文主要解决RFID读卡器的硬件及软件设计、基于CYRF6936的射频模块无线通信设计和上位机软件设计等问题。2.1.2 上位机设计概述1、上位机主要功能(1)用户通过上位机软件设置系统工作模式，包括有人模式和无人模式；同时可以

9、设置标签工作模式，控制传感器的工作；(2)上位机通过网口及读卡器进行通信，接收读卡器传送的采集数据并显示，同时由用户向读卡器发送命令，操作控制设备，完成智能控制；(3)对接收数据进行解码、显示并保存至数据库；(4)将数据库上传至互联网，供远程用户访问查询；2、上位机软件架构图根据以上功能需求，软件架构如图2所示：图2 基于MSP430和RFID的小型智能农业系统软件架构图本系统主要对大棚内环境的温湿度、CO2浓度、光照强度进行测量显示并将其传输到主控室的计算机上，当环境参数达到一定值发出报警，以便主控室相关人员进行处理或者自动控制设备。前台监控子系统主要用于采集温室环境信息，包括大棚环境中的温

10、湿度、CO2浓度、光照强度信息。后台管理系统主要对采集参数进行设置、采集数据进行分析并产生相应报表。可以实现界面显示、性能分析及参数设置报表输出等功能。2.1.3 读卡器设计概述本系统中读卡器主要由嵌入式RFID系统组成，它是将RF收发设备嵌入至一般的嵌入式系统中，并基于Linux操作系统，通过设计RF设备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，完成读卡器及标签之间的无线通信。本系统中的RF收发设备采用的是cypress公司基于Wireless USB的CYRF6936无线通信芯片，它工作在2.4GHz的ISM频段，采用了直接序列扩频技术（DSSS），具有高集成度和

11、抗干扰等优点。在读卡器还加入了模糊控制和防冲突碰撞算法，使系统能更稳定的工作。1、读卡器主要功能(1)读卡器接收标签传回的大棚环境参数，通过模糊控制算法进行分析，控制外围设备（如空调、洒水设备）工作，进而调节大棚环境参数；(2)通过防冲突碰撞算法能准确的读取标签信息；(3)通过网口维持及上位机的通信，包括把采集到的数据和控制信息上传至上位机、接收上位机发送的控制命令。2、主要算法分析为了能让整个监控系统稳定、高效、可靠的运行，在读卡器部分引入了模糊控制和防冲突碰撞算法，下面分别介绍这两种算法。(1)、模糊控制算法在本系统中模糊控制的主要任务是控制大棚内的温湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子，

12、将这些经常变化的数值维持在作物的最佳生长范围内。从理论和实际经验上讲，模糊控制器的输入量引入的环境因子越多，其控制效果越好，但随着模糊控制器输入量的增多，将出现模糊控制器过于复杂和模糊规则制定困难等问题，即使上述问题得到解决，也会因为底层的微控制器处理能力弱使得控制效果大打折扣，显然众多环境因子中温度和湿度对温室内作物影响最大，因此，根据温室系统的要求和模糊控制器的设计原理，本文设计了“两输入多输出”模糊控制器。其总体结构如图3所示。图3 模糊控制总体结构(2)、基于顺序ALOHA的防冲突碰撞算法对于超高频RFID系统而言，防冲突机制至关重要。在单读卡器多标签环境必须采用一定的机制才能够顺利地

13、完成在读卡器作用范围内的标签的识别、数据信息的读写操作。1、ALOHA算法ALOHA是一种简单的TDMA的算法，这种算法多采取“标签先发言"的方式，即标签一进入读写器的阅读区域就自动向读写器发送自身的ID，即标签和读写器间开始通信。纯ALOHA存在一个严重的问题是存在错误判决问题，即对同一个标签，如果多次发生冲突，将导致读写器出现错误判断，认为这个标签不在自己作用范围。另外一个问题是数据帧发送过程中冲突发生的概率很大，其冲突期为2帧时间，存在部分冲突和完全冲突两种冲突期，如图4所示。图4 ALOHA算法模型2、顺序ALOHA算法根据本系统的应用场景，我们提出一种改进的ALOHA算法即

14、顺序ALOHA算法，可以完全避免碰撞冲突代来的错误读取数据问题，由前面讨论可知，读卡器实时接受单片机发送的数据，会带来两种情况的冲突。冲突一：当在中继处理模块接受范围内，出现多个标签同时发送传感器的信息，占用同一条信道，就不可避免的发生冲突。冲突二：当上位机发送采集命令时，标签接收到命令后立即响应，将传感器数据发送至中继处理模块，由于是同时响应，发生冲突。针对冲突一，只需在ALOHA算法的基础上加大标签发送的时间间隔即可解决碰撞问题，以三个标签 为例说明防碰撞问题。如图5所示。图5 顺序ALOHA算法模型每个标签发送的时间间隔t远小于标签再次发送数据的时间间隔T，只要tx大于0就可以保证各个标

15、签发送时其他标签没有进行发送，即不会出现冲突。针对冲突二，采取顺序ALOHA算法，即每次标签发送两次数据，标签再次发送数据的时间分别为t1,t2,t3，且有tt1(t2-t)(t3-t),以标签1为例当标签1发送数据碰撞后，间隔t1后数据重新发送，由于tt1，标签1不会和第一次发送数据的其他标签发生碰撞，同理其他标签第一次发生碰撞后也不会及第一次发送数据的标签发生碰撞，由于t1+t<t2,t2+t<t3，可知各个标签第二次发送数据时均可保证不会发送碰撞。2.1.4有源标签设计概述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

16、的检测及控制。温室内的温湿度、CO2浓度、光照强度是主要的环境因子，本系统中有源标签通过传感器采集温室环境因子，对这四个环境因子进行实时检测，可以为温室环境的科学调控提供原始的数据来源，传感器部分主要有温湿度、CO2浓度、光照强度传感器组成。3 系统硬件设计本系统的硬件部分主要由三部分组成：读卡器、有源标签、PC机。其中读卡器和PC机通过网口通信，读卡器及有源标签通过RF模块进行通信。系统总体结构如图6所示。图6 系统总体结构3.1 读卡器设计本系统中读卡器主要由核心处理器、SDRAM和FLASH共同组成，其中核心处理器选用S3C2440芯片，SDRAM用于系统内存，FLASH为整个系统的存储

17、设备。读卡器将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，使读卡器及标签之间进行无线通信。读卡器架构如图7所示。图7 读卡器系统架构3.2 有源标签设计有源标签采用MSP430F2122单片机作为主控芯片，该芯片是一款具有小巧灵活、成本低、超低功耗、处理能力强和抗干扰能力强的单片机芯片。MSP430F2122通过SPI接口及CYRF6936实现数据交互，从而及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

18、将数据上传给读卡器，实现对环境因子的检测及控制。有源标签硬件框图如图8所示。图8 标签原理框图1、温湿度测量电路DHTxx系列数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保其具有极高的可靠性及稳定性。传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，DHTxx传感器采用单线制串行输出接口。因为DHTxx系列芯片具备全标定、数字输出、低能耗、卓越的长期稳定性以及插针封装、易于安装等优势，故选择这款温湿度一体传感器。在本设计中我们采用DHT11温湿度传感器，它通过单总线形式及标签的MCU相连，电路如图9所示。图9 温湿度传感器接口

19、电路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，在转换周期结束后，转换结果分别传输至通道0和通道1的数据寄存器中，并采用双缓冲结构的数据传输来确保数据的完整性。数据传输完毕后，TSL2561自动开始下一次积分周期。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，故在本方案中选择这款芯片作为光强度传感器。TSL2561的内部结构如图10所示。图10 TSL2561

20、的内部结构在本设计中MSP430采用I2C接口及TSL2561相连，光强测量电路如图11所示。图11 光强测量电路3、CO2测量电路T6004型CO2模块最大工作电压为5.5V，必须加保护电路以防止电源意外冲击将其损坏。T6004型CO2模块通过三种信号输出方式，本文采用模拟信号输出方式。同时该款芯片具有体型小巧，结构紧凑，适合应用到相关控制器和检测仪、功耗很小（<45mA），所以特别适合安全检测或便携仪器使用。故选择此芯片作为传感器模块。CO2测量电路如图12所示。图12 CO2测量电路4 系统软件设计本系统软件主要包括上位机以及读卡器软件设计。上位机软件主要完成参数配置、数据显示及存

21、储功能。读卡器主要完成底层硬件驱动程序。下面分别介绍上位机以及读卡器软件设计。4.1 上位机软件设计上位机主要完成数据显示和配置文件设置这两方面工作，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，温室选择(不同的温室根据设置的不同配置文件也不同)，外部设备的开关状态设定（包括调节温室温湿度设备、光照强度调节设备、CO2浓度调节设备）。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。根据各层完成的功能不同，结合本系统的需求分析，可以将上位机软件划分为以下功能模块。4.2 上位机软件工作流程由上位机设置配

22、置文件，将配置文件传送给读卡器，完成读卡器的配置；接收读卡器传回的数据，并进行处理，上位机将接收到的数据写入数据库，并判断是否包含报警信息。若包含，再进一步确认系统工作模式，若为人工控制模式，系统将等待工作人员手动操作，继而向读卡器发送控制命令，操作控制模块排除警报。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，排除警报。具体流程如图13所示。图13 上位机软件工作流程图4.3 读卡器软件设计本文设计的读卡器选择了嵌入式Linux操作系统作为开发平台。Linux具有开源、扩展性好等特点，满足本文设计的需求。读卡器软件设计主要包括应用层软件设计和设备驱动程序设计。读

23、卡器软件系统框架如图14所示。图14 读卡器软件系统框架图4.4 应用程序设计读卡器在应用程序层主要包括以下几个主要线程：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、及上位机通讯线程。而从软件设计角度可分为如下几个模块：对数据采集设备操作模块、数据处理模块、有线网络通讯模块和无线网络通讯模块，还有对系统运行提供支持的设备驱动模块。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口将CYRF6936射频模块上的通信数据采集下来，再对数据进行一定处理，并存储原始数据，最后通过有线网络通讯模块及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

24、结果并接收上位机的控制命令。应用程序操作流程如图15所示。图15 应用程序操作流程4.5 设备驱动程序设计设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节。设备驱动程序是内核的一部分，具有下面的功能：(1)对设备初始化和释放；(2)把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；(3)读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；(4)检测和处理设备出现的错误。本次所开发的系统包含的驱动程序主要有SPI驱动程序、串口驱动和网口驱动等。本系统在底层主要通过SPI接口及CYRF6936进行数据交互，因此，本文主要对SPI驱动进行了设计。在硬件设计中，SPI

25、接口是通过S3C2440内部自带的SPI资源扩展的，用来及CYRF6936进行数据的读取及控制。其驱动程序结构框图如图16所示。图16驱动程序结构框图SPI驱动程序是以S3C2440处理器中SPI0模块作为主设备，完成主SPI及CYRF6936芯片中从SPI的数据收发过程。SPI操作主要完成对寄存器的读、写操作，对CYRF6936芯片的寄存器进行配置，实现读卡器及标签的无线通信。5 系统创新本系统的创新之处主要是在于系统器件选型上的优势，采用低功耗的设备，使得成本低廉，同时功耗较低，进一步提升其价值，以及其带来的成本、经济以及社会效益上。我国虽为农业大国但不是农业强国，发展现状不容乐观。粮食供

26、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75%的利用率，另外，化肥、农膜和农药使用量都呈现上升的态势。导致该现状的主要原因是设施的智能化水平低，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17所示为农产量预测图。图17农产量预测图目前，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。对于一些早期引进的小型化温室，存在诸多问题，需要考虑投入产出比，提高其经济效益。针对我国农业生成现状，将从成本、经济以及社会效益三个方面分析我们研发的基于MSP430和RFID的小型化智能农业监

27、控系统所能带来的系统效益。5.1 成本效益分析目前，基于ZigBee的智能农业网络控制系统的应用较为广泛，及此相比，本文提及的基于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统方案存在较为明显的成本优势。如图18所示是基于ZigBee技术的网络拓扑图。图18 基于ZigBee的智能农业网络控制系统结构基于以上网络架构，对于形成一定规模的小型化温室农业，当ZigBee控制单元和ZigBee传感器模块数目较大时，成本花费较大，但是效果确是大相径庭，如表2所示。相比基于ZigBee技术的网络架构，本文所提出来的基于MSP430和RFID的监控系统其较低的成本成本，使其更容易在小型温室农业农户中得到普

28、及和市场推广。表1、ZigBee监控系统及RFID监控系统成本对比表基于ZigBee控制系统ZigBee控制单元（元/个）数量ZigBee传感器模块（元/个）数量合计（元）300m100n300*m+100*n基于MSP430和RFID控制系统读卡器（元/个）数量有源标签（元/个）数量合计（元）200m20n200*m+20*n另外，RFID读卡器具有控制功能，读卡器及标签之间通过CYRF6936进行通信，能将接受到的数据先进行分析处理，再传到上位机，具有简单的通信协议和防碰撞算法，可降低路由算法复杂度，减少了用户终端处理繁杂数据的麻烦，也可以节约人工处理数据的多余花费。5.2 经济效益分析基

29、于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统具有低成本，低功耗，温室内近距离无线通信，可靠性强，推广性强的优点。小型化农业的农户使用本系统，可以做到农产品更加科学化、精细化的生产。另外，如图19（a）所示，从调查数据可以看出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，如下图19（b）所示。本系统的运用可促进当地农业发展，进一步壮大农户的主导产业，增加农户收入。随着产品的投产和使用规模的扩大，应用领域将不断拓展。图19（a） 不同耕作环境能量消耗比较图19（b） 不同耕作环境单位产量比较5.3 社会效益分析基于MSP430和RFID的小型化智能农业监控系统的研发符合国家的产业政策，是国家、省、市重点支持的发展领域，前景广阔。如