基于 STM32 和 RFID 的電子牲畜地磅設(shè)計(jì)

牲畜在生長過程中體重?cái)?shù)據(jù)的測定，是養(yǎng)殖場養(yǎng)殖過程中重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)又是現(xiàn)場養(yǎng)殖人員苦惱的環(huán)節(jié)。 傳統(tǒng)用磅秤對牲畜進(jìn)行簡單測量，這種人工方式測量準(zhǔn)確度很難實(shí)際反映牲畜實(shí)際的生長速度、飼料利用率等性能指標(biāo)，更無法對牲畜生長狀況進(jìn)行有效的監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。 為滿足牲畜養(yǎng)殖高度智能化和自動化的需求以及牲畜養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于 STM32 和 RFID 的電子牲畜地磅。 該地磅可以實(shí)現(xiàn)生豬的自動稱重、電子標(biāo)簽識別和稱重信息的自動上傳。

1.系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的電子牲畜秤又可稱為體重?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 為多套固定設(shè)備，分別安裝于多個(gè)牲篷入口處，每個(gè)入口處只容許單只牲畜通過。 當(dāng)牲畜通過此通道，RFID （Radio Frequency I-dentification）讀寫器識別牲畜身上的卡號 ，地磅上的壓力測重傳感器對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波， 便可獲取到該牲畜當(dāng)次的體重?cái)?shù)據(jù)，最后通過 STM32 的串口，將獲取的數(shù)據(jù)以一定的幀格式上傳至應(yīng)用服務(wù)器保存。 系統(tǒng)設(shè)備布置如圖 1 所示。

系統(tǒng)主要功能模塊構(gòu)成：處理器平臺、RFID 識別設(shè)備、測重傳感設(shè)備。 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖 2所示。 各模塊功能介紹如下：

1．1 處理器平臺

采用 STM32F103 系列單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控制器， 其豐富的片內(nèi)資源、外圍接口、低功耗、高性能等特點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)的需求。

1．2 RFID 讀寫設(shè)備

RFID 技術(shù)作為構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”的關(guān)鍵技術(shù)近年來受到人們的關(guān)注。它是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)， 而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。 本文采用中電?？?/span> HIK－FR528 設(shè)備，其具有良好的多標(biāo)簽處理能力以及抗干擾性能，采用 920MHz 超高頻工作模式。

1．3 測重傳感設(shè)備

測重傳感設(shè)備由四個(gè) 100kg 壓力傳感器組成，分別布置于秤板的四個(gè)角，每個(gè)傳感器經(jīng) HX711 高精度 A ／ D 轉(zhuǎn)換器芯片，組成可承重 400kg 的測重設(shè)備。 如圖 3 所示。

2.系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的硬件主要以微控制器為中心， 由電源電路為控制器和 RFID 讀寫設(shè)備分別提供 5V 和 12V 直流電源。 壓力傳感器則通過 HX711，一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的 24 位A ／ D 轉(zhuǎn)換器芯片。 數(shù)據(jù)輸出部分，則由單片機(jī)的串口經(jīng)PL2303 轉(zhuǎn)換為 USB 接口 與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 各模塊電路已技術(shù)成熟，得到廣泛應(yīng)用，此處不再詳細(xì)闡述。 系統(tǒng)硬件如圖 4 所示。

3.系統(tǒng)軟件關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1 RFID 防碰撞處理。

1）問題描述。 該問題包含兩部分：根據(jù) RFID 射頻技術(shù)的工

作原理可知，當(dāng)一個(gè)有效標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別區(qū)，則讀寫設(shè)備

就實(shí)時(shí)的獲取到標(biāo)簽攜帶的標(biāo)識信息，這也意味著不斷的有消息

重復(fù)被識別；根據(jù)圖 1 系統(tǒng)設(shè)備布置圖可知，存在多頭牲畜位于同一 RFID 讀寫器識別有效范圍，引起不同卡號數(shù)據(jù)沖突問題。

2）算法實(shí)現(xiàn)。 仔細(xì)分析本系統(tǒng)的需求，就可以知道，對于一臺的 RFID 設(shè)備，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，對單張標(biāo)簽只需獲取到一次有效的標(biāo)簽信息即可；而由于 RFID 具備卡距離讀寫器越近、在有效識讀區(qū)域時(shí)間越長， 讀卡器獲取該標(biāo)簽信息的頻率越高的特點(diǎn)，如圖 1 中 ABCD 四處，位于 B 處的讀寫器獲取卡號頻率為 B＞C＞D＞A，可判斷此處 B 卡才是有效卡號。

綜合以上兩點(diǎn)，系統(tǒng)定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體包含：卡號、觸發(fā)時(shí)刻、觸發(fā)次數(shù)三個(gè)變量。 以此為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)消息緩存鏈表。

每當(dāng)捕獲一條新的 RFID 觸發(fā)信息， 則根據(jù)此卡號從鏈表頭開始查找同卡號的節(jié)點(diǎn)，若鏈表中無此卡號，則直接將此條信息插入鏈表頭部；若在鏈表中找到此卡號，再根據(jù)鏈表中記錄的此卡號捕獲時(shí)刻與當(dāng)前捕獲時(shí)刻進(jìn)行對比， 若當(dāng)前時(shí)刻距離上一次捕獲時(shí)刻相隔大于一個(gè)有效的間隔時(shí)間 t，則刪除原鏈表節(jié)點(diǎn)后續(xù)部分，將此新的節(jié)點(diǎn)插入鏈表頭部；若相隔時(shí)間小于一個(gè)有效的時(shí)間間隔 t， 則增加該卡號的計(jì)數(shù)變量；RFID 過濾流程圖如圖 5 所示。

3．2 RFID 防碰撞處理。

1）問題描述。 體重?cái)?shù)據(jù)的測量，看似簡單，然而對于一只體形大，愛亂動的牲畜來說，無法輕易獲取一個(gè)穩(wěn)定的有效值。 活體牲畜在稱重設(shè)備上采集的體重?cái)?shù)據(jù)會劇烈震蕩。

2）算法實(shí)現(xiàn)。 要想獲取獲取一個(gè)十分精準(zhǔn)的體重?cái)?shù)值確為難事， 但經(jīng)過一定的濾波算法來獲取一個(gè)較接近于真值的穩(wěn)定值，確實(shí)可以辦到的。 稱重?cái)?shù)據(jù)修正算法示意圖如圖 6 所示。

從圖 6 可知，雖然體重?cái)?shù)據(jù)會存在劇烈波動，但是波動范圍卻大部分位于其峰值線之間，只要能夠?qū)⑦@個(gè)區(qū)間進(jìn)一步縮小，所需的數(shù)據(jù)也就進(jìn)一步精準(zhǔn)了。 本系統(tǒng)的體重?cái)?shù)據(jù)修正算法描述如下：

每當(dāng)系統(tǒng)采集到一個(gè)體重?cái)?shù)據(jù)， 則記錄體重和漲跌趨勢兩個(gè)參數(shù)，每當(dāng)體重參數(shù)到達(dá)一個(gè)波峰或波谷出現(xiàn)拐點(diǎn)，則將此時(shí)的體重值和峰谷狀態(tài)作為一個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)， 存入體重?cái)?shù)據(jù)緩存鏈表，依次原則記錄整個(gè)采集過程中的所有數(shù)據(jù)。

當(dāng)一個(gè)采集過程完成，系統(tǒng)濾除緩存鏈表中頭尾各 20％的體重?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)根據(jù)緩存鏈表中的數(shù)據(jù)，分別求出各個(gè)峰谷數(shù)據(jù)的中值，其有效數(shù)據(jù)波動范圍 L1、L2 范圍已縮小。系統(tǒng)再對所求中值進(jìn)行算數(shù)平均，該值作為本次采集最終有效數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)工作流程圖如圖 7 所示。

4.結(jié)束語

設(shè)計(jì)以 STM32 為核， 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)概念， 采用了 RFID 電子標(biāo)簽身份識別技術(shù)，結(jié)合閾值濾波 、 終止濾波 、 均值濾波等 圖 7 體重?cái)?shù)據(jù)修正算法流程圖算法來獲取一個(gè)最終數(shù)據(jù)。 它的需求量和潛在市場很大，涉及傻瓜除了材質(zhì)、工藝等需改善外，仍需根據(jù)實(shí)際牲畜質(zhì)量等設(shè)計(jì)不同用戶需求的產(chǎn)品，拓寬計(jì)量生物的范圍。