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

2011-2012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[e-mail]谭成宇在读硕士[e-mail]谢小芳在读硕士[e-mail]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：15118126010、[e-mail]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。“Smallandmessy”isthefeatureofthegreenhouseagricultureinChina,soaintelligentagriculturemonitoringsystembasedonMSP430andRFIDwasputforward.ThesystemtooktheS3C2440asthemaincontrollerofthereader、MSP430madebyTIcorporationactedasthecontrollerofthetagandtheCYRF6936RFchipmadebyCYPRESScompanyasthewirelessmodule.Thetagcollectedtheinformationoftheenvironmentsuchasthetemperature、densityoftheCO2andtheintensityofthelightbykindsofsensors,thentransfertothemonitoringcenter.Thearticlemainlydescribedthedesignofhardwareandsoftwareaswellreflectedthecreativityofthesystem.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，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，成本稍高的技术与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与国外发达国家相比，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与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。100M网口路由……上位机读卡器读卡器有源标签有源标签有源标签有源标签有源标签有源标签读卡器有源标签有源标签有源标签Internet上传数据库图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读卡器的硬件与软件设计、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；同时可以设置标签工作模式，控制传感器的工作；(2)上位机通过网口与读卡器进行通信，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：CO2监控前台监控子系统基于RFID的小型智能农业系统软件架构图温湿度监控光照监控界面显示后台管理子系统数据存储图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，完成读卡器与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WirelessUSB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)通过网口维持与上位机的通信，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，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。知识库模糊化去模糊化模糊推理模糊控制器传感器D/A执行结构大棚标签传回给读卡器温度、湿度值温度误差湿度误差图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。标签1标签2标签3共享信道图4ALOHA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。tx标签1标签2标签3tT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t＜t1＜(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t＜t1，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与第一次发送数据的标签发生碰撞，由于t1+tt2,t2+tt3，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，实现对环境因子的检测与控制。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，读卡器与有源标签通过RF模块进行通信。系统总体结构如图6所示。核心处理器SDRAMFlash100M网口RF设备（CYRF6936）RF无线通信MSP430F2122RF设备（CYRF6936）传感器PC端读卡器部分标签部分GPIO外围设备电源模块图6系统总体结构3.1读卡器设计本系统中读