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農(nóng)田作業(yè)機(jī)車(chē)工況遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)已覆蓋在各個(gè)領(lǐng)域，從有線通信到無(wú)線通信有了進(jìn)一步的跨越。有線網(wǎng)絡(luò)難以擺脫線纜束縛，在田間布線耗時(shí)耗精力，維護(hù)起來(lái)也不夠方便，為了節(jié)省精力和時(shí)間，提高田間機(jī)車(chē)工作的數(shù)據(jù)傳輸可靠性及穩(wěn)定性。因此，選用GPRS技術(shù)對(duì)田間作業(yè)機(jī)群信息進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境、地理環(huán)境等監(jiān)控[1]，這樣系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確對(duì)田間機(jī)具運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)工作人員能隨時(shí)對(duì)田間作業(yè)機(jī)車(chē)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，還能通過(guò)上位機(jī)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分配、組合和集中管理提供了可靠的依據(jù)。這樣一來(lái)為工作人員節(jié)省了大量的時(shí)間，也能及時(shí)地了解田間機(jī)具的工作狀態(tài)。因此利用此技術(shù)也能夠提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的工作效率和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面有著重要作用。
1系統(tǒng)整體方案
系統(tǒng)主要研究微控制器、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心三部分組成。傳感器采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換以及相關(guān)處理后發(fā)送到STM32微控制器，STM32通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRSSIM900A模塊，GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間一般可通過(guò)HTTP協(xié)議建立數(shù)據(jù)連接。將數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS空中接口接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并由移動(dòng)通信連接到網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)到達(dá)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心接受數(shù)據(jù)將其分類(lèi)整理儲(chǔ)存等。
2STM32芯片特性
意法半導(dǎo)體推出的STM32系列32位微控制器基于ARMCortex-M3內(nèi)核，包括提升性能的同時(shí)又提高了代碼密度的Thumb-2指令集、大幅度提高的中斷響應(yīng)，而且所有新功能都具有非常低的功耗水平。Cortex-M3處理器在高性能內(nèi)核基礎(chǔ)上，集成了多種系統(tǒng)外設(shè)，可以滿足不同應(yīng)用對(duì)成本和性能的要求。處理器是全部可綜合、高度可定制的（包括物理中斷、系統(tǒng)調(diào)試等）。處理器內(nèi)核是ARMv7-M架構(gòu)的。Cortex-M3內(nèi)核是建立在一個(gè)高性能哈佛結(jié)構(gòu)的三級(jí)流水線基礎(chǔ)上的，可滿足事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用需求。STM32的優(yōu)勢(shì)是低功耗、高性能，程序在不同核之間的兼容性很好。基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片比其他ARM系列芯片運(yùn)行速度更快，性能也得到很大提高[2]。
2.1STM32最小系統(tǒng)
2.1.1電源控制電路
基于主控制器STM32F103RCT6的最小系統(tǒng)硬件電路包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路接口電路等。STM32處理器工作電壓為2.0~3.6V，常用3.3V。通過(guò)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)核、內(nèi)存和片上外設(shè)提供所需的1.8V電源。為了提高轉(zhuǎn)換的精度，ADC使用一個(gè)獨(dú)立的電源供電，過(guò)濾和屏蔽一些外部干擾。ADC的電源引腳為VDDA，獨(dú)立的電源地VSSA當(dāng)主電源VDD掉電后，可通過(guò)VBAT腳為實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器提供電源，切換VBAT供電由復(fù)位模塊中的掉電復(fù)位功能控制。
3STM32與SIM900A通訊鏈接方式
MAX232是TTL—RS232電平轉(zhuǎn)換的典型芯片，按照芯片的推薦電路，取振蕩電容為uF的時(shí)候，若輸入為5V，輸出可以達(dá)到-14V左右，輸入為0V，輸出可以達(dá)到14V，在扇出電流為20mA的時(shí)候，處處電壓可以穩(wěn)定在12V和-12V。因此，在功耗不是很大的情況下，可以將MAX232的輸出信號(hào)經(jīng)穩(wěn)壓塊后作電源使用。RS232串口通信分配連接在USART2上，由PA2和PA3連接MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，以DB9針形座輸出MAXA3232串口電路圖2所示。
3.1SIM900A模塊
SIM900A是ALIENTEK推出的一款高性能工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊。SIM900A模塊板載是工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊：SIM900A，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，SIM900A模塊支持RS232串口，并帶硬件流控制，支持5~24V的超寬工作范圍，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[3]。GPRS模塊采用內(nèi)置HTTP協(xié)議的SIM900A作為數(shù)據(jù)傳輸工具，從而保證數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性，而且非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用。SIM900A模塊的功能特性如表1所示。
3.2GPRS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
在GSM網(wǎng)絡(luò)中，GPRS首先引入了分組交換的傳輸模式，使得原有的采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生了根本變換，這在一定程度上解決了無(wú)限資源稀缺的問(wèn)題。用戶只有充分利用這些空隙，才能充分利用無(wú)線資源，從而提高信道利用率[4]。傳輸速率高，GPRS可提供高達(dá)115Kbits-1的數(shù)據(jù)傳輸速率。這意味著通過(guò)便攜式電腦GPRS用戶將可以獲得和ISDN用戶一樣的快速上網(wǎng)瀏覽，使快速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以隨時(shí)隨地。接入時(shí)間短，分組交換接入時(shí)間小于1秒，能提供快速即時(shí)的連接。可以大幅度提高一些事物的效率，并使現(xiàn)有的Internet操作更加方便、快捷、流暢。GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議。支持X.25協(xié)議可使已經(jīng)存在的X.25應(yīng)用能夠在GSM網(wǎng)絡(luò)上繼續(xù)使用。而且由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，所以使得GPRS能夠提供Internet和其他分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無(wú)線接入[6]。
3.3GPRSHTTP服務(wù)實(shí)現(xiàn)步驟
在本系統(tǒng)中，利用STM32串口2發(fā)送AT指令對(duì)SIM900A無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。首先通過(guò)串口2與SIM900A串口相連接。啟動(dòng)STM32的GPRS通信工作狀態(tài)，串口波特率-9600，相應(yīng)的AT命令控制GSM模塊工作，詳見(jiàn)下圖5串口子程序流程圖。AT+SAPBR=3，1“，Contype”“，GPRS”；//配置承載AT+SAPBR=3，1，“APN”，“CMNET”；//配置GPRS參數(shù)AT+SAPBR=1，1；//打開(kāi)承載AT+SAPBR=2，1；//請(qǐng)求承載AT+HTTPINIT；//初始化HTTP協(xié)議AT+HTTPPARA=“CID”，1；//測(cè)試HTTP設(shè)置值A(chǔ)T+HTTPPARA=“URL”，“ninsword.sinaapp.com/get.php?data=%d%d.%d”//域名訪問(wèn)，提交數(shù)據(jù)AT+HTTPACTION=0；//HTTP激活方式：GET，上傳數(shù)據(jù)由圖3可見(jiàn)，該SIM900A系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GPRSHTTP服務(wù)功能。我們通過(guò)該SIM900A系統(tǒng)向云服務(wù)器提交了傳感器采集的機(jī)車(chē)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
3.4系統(tǒng)通信方式與優(yōu)勢(shì)
機(jī)車(chē)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過(guò)GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)模塊發(fā)送到云服務(wù)器處理存儲(chǔ)。服務(wù)器具有固定的IP，所以終端查詢(xún)客戶端可以在任何一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。服務(wù)器提供面向連接、可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送應(yīng)答機(jī)制，數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù)的發(fā)送，且按發(fā)送順序接收，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個(gè)實(shí)時(shí)的雙向的傳輸通道，能很好的滿足傳輸?shù)囊蟆Ｔ摲桨甘褂梅秶鷱V，費(fèi)用低廉，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿足數(shù)據(jù)的傳輸[5]。
4系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)
4.1數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送和數(shù)據(jù)庫(kù)的管理及對(duì)傳輸終端的控制。在硬件啟動(dòng)之后，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)度，主要包括：初始化、參數(shù)配置、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、斷開(kāi)連接五個(gè)組成部分。如圖4所示，應(yīng)用程序流程圖。其中對(duì)通信配置主要步驟概括如下：（1）將GPRS模塊的串口線與RAM的串口相連。（2）在調(diào)制解調(diào)器屬性中輸入AT命令，控制GPRS模塊，完成系統(tǒng)的啟動(dòng)，獲得GPRS內(nèi)部固定的IP地址。（3）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器上重新建立一個(gè)新的撥號(hào)連接，并將之設(shè)為斷線重?fù)苣Ｊ健＃?）成功登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)之后，采用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)一步降低編程工作量并同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4.2終端界面
設(shè)計(jì)的終端經(jīng)過(guò)機(jī)車(chē)開(kāi)始工作后，通過(guò)傳感器采集到的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)田間的工作狀態(tài)、溫度、油耗等，在數(shù)據(jù)中心的界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6-7]。如圖5所示對(duì)溫度測(cè)試。GSM模塊定時(shí)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，將作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)速度、地理位置信息實(shí)時(shí)上傳給數(shù)據(jù)中心。機(jī)車(chē)工作中勻速行駛，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集以定時(shí)采集的模式向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心上傳數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔設(shè)定值最小為20s，最大達(dá)到24小時(shí)。這樣作業(yè)時(shí)間間隔與實(shí)時(shí)間隔一致，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。機(jī)車(chē)作業(yè)過(guò)程中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心通過(guò)讀取數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的地理位置信息，實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行作業(yè)軌跡的動(dòng)態(tài)跟隨（如圖6所示）。
5結(jié)論
設(shè)計(jì)了機(jī)車(chē)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器收集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)狀態(tài)、收獲面積、及地理信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)上傳；再次證明無(wú)線傳輸?shù)姆�(wěn)定性、實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性。通過(guò)接入數(shù)據(jù)中心服務(wù)器與終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。基于STM32遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于田間機(jī)車(chē)，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)易于操作和管理無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)控制和管理。機(jī)車(chē)工作時(shí)的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)狀態(tài)、速度、收獲面積等參數(shù)的查詢(xún)、調(diào)用與分析，實(shí)現(xiàn)田間機(jī)車(chē)的動(dòng)態(tài)組合和機(jī)車(chē)管理，提高了田間作業(yè)機(jī)車(chē)的工作效率。
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