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農(nóng)田作業(yè)機車工況遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計論文
隨著通信技術(shù)的不斷進步，無線通信網(wǎng)絡已覆蓋在各個領域，從有線通信到無線通信有了進一步的跨越。有線網(wǎng)絡難以擺脫線纜束縛，在田間布線耗時耗精力，維護起來也不夠方便，為了節(jié)省精力和時間，提高田間機車工作的數(shù)據(jù)傳輸可靠性及穩(wěn)定性。因此，選用GPRS技術(shù)對田間作業(yè)機群信息進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)機車作業(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)可以實時準確對田間機具運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，同時工作人員能隨時對田間作業(yè)機車進行遠程控制，還能通過上位機對讀取的數(shù)據(jù)進行分配、組合和集中管理提供了可靠的依據(jù)。這樣一來為工作人員節(jié)省了大量的時間，也能及時地了解田間機具的工作狀態(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A/D轉(zhuǎn)換以及相關處理后發(fā)送到STM32微控制器，STM32通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRSSIM900A模塊，GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間一般可通過HTTP協(xié)議建立數(shù)據(jù)連接。將數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS空中接口接入無線網(wǎng)絡，并由移動通信連接到網(wǎng)絡，通過網(wǎng)關到達遠程數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心接受數(shù)據(jù)將其分類整理儲存等。
2STM32芯片特性
意法半導體推出的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又提高了代碼密度的Thumb-2指令集、大幅度提高的中斷響應，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)核基礎上，集成了多種系統(tǒng)外設，可以滿足不同應用對成本和性能的要求。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)核是建立在一個高性能哈佛結(jié)構(gòu)的三級流水線基礎上的，可滿足事件驅(qū)動的應用需求。STM32的優(yōu)勢是低功耗、高性能，程序在不同核之間的兼容性很好�；贑ortex-M3內(nèi)核的STM32芯片比其他ARM系列芯片運行速度更快，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。通過內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)核、內(nèi)存和片上外設提供所需的1.8V電源。為了提高轉(zhuǎn)換的精度，ADC使用一個獨立的電源供電，過濾和屏蔽一些外部干擾。ADC的電源引腳為VDDA，獨立的電源地VSSA當主電源VDD掉電后，可通過VBAT腳為實時時鐘和備份寄存器提供電源，切換VBAT供電由復位模塊中的掉電復位功能控制。
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的時候，若輸入為5V，輸出可以達到-14V左右，輸入為0V，輸出可以達到14V，在扇出電流為20mA的時候，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GSM/GPRS模塊。SIM900A模塊板載是工業(yè)級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，可以低功耗實現(xiàn)語音、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)傳輸實時性和可靠性，而且非常經(jīng)濟實用。SIM900A模塊的功能特性如表1所示。
3.2GPRS技術(shù)的優(yōu)勢
在GSM網(wǎng)絡中，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限資源稀缺的問題。用戶只有充分利用這些空隙，才能充分利用無線資源，從而提高信道利用率[4]。傳輸速率高，GPRS可提供高達115Kbits-1的數(shù)據(jù)傳輸速率。這意味著通過便攜式電腦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)絡服務可以隨時隨地。接入時間短，分組交換接入時間小于1秒，能提供快速即時的連接�？梢源蠓忍岣咭恍┦挛锏男�，并使現(xiàn)有的Internet操作更加方便、快捷、流暢。GPRS支持Internet上應用最廣泛的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應用能夠在GSM網(wǎng)絡上繼續(xù)使用。而且由于GSM網(wǎng)絡覆蓋面廣，所以使得GPRS能夠提供Internet和其他分組網(wǎng)絡的全球性無線接入[6]。
3.3GPRSHTTP服務實現(xiàn)步驟
在本系統(tǒng)中，利用STM32串口2發(fā)送AT指令對SIM900A無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作狀態(tài)進行控制。首先通過串口2與SIM900A串口相連接。啟動STM32的GPRS通信工作狀態(tài)，串口波特率-9600，相應的AT命令控制GSM模塊工作，詳見下圖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；//打開承載AT+SAPBR=2，1；//請求承載AT+HTTPINIT；//初始化HTTP協(xié)議AT+HTTPPARA=“CID”，1；//測試HTTP設置值AT+HTTPPARA=“URL”，“ninsword.sinaapp.com/get.php?data=%d%d.%d”//域名訪問，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，該SIM900A系統(tǒng)實現(xiàn)了GPRSHTTP服務功能。我們通過該SIM900A系統(tǒng)向云服務器提交了傳感器采集的機車工作狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)。
3.4系統(tǒng)通信方式與優(yōu)勢
機車遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過GPRS無線數(shù)據(jù)模塊發(fā)送到云服務器處理存儲。服務器具有固定的IP，所以終端查詢客戶端可以在任何一臺或多臺計算機進行數(shù)據(jù)訪問。服務器提供面向連接、可靠數(shù)據(jù)傳輸服務，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送應答機制，數(shù)據(jù)無差錯、無重復的發(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，提供一個實時的雙向的傳輸通道，能很好的滿足傳輸?shù)囊�。該方案使用范圍廣，費用低廉，穩(wěn)定性強等優(yōu)點來滿足數(shù)據(jù)的傳輸[5]。
4系統(tǒng)方案實現(xiàn)
4.1數(shù)據(jù)中心的設計
數(shù)據(jù)中心的設計主要包括網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送和數(shù)據(jù)庫的管理及對傳輸終端的控制。在硬件啟動之后，經(jīng)過系統(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、斷開連接五個組成部分。如圖4所示，應用程序流程圖。其中對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，獲得GPRS內(nèi)部固定的IP地址。（3）在計算機系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器上重新建立一個新的撥號連接，并將之設為斷線重撥模式。（4）成功登錄GPRS網(wǎng)絡之后，采用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，進一步降低編程工作量并同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4.2終端界面
設計的終端經(jīng)過機車開始工作后，通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)監(jiān)測機車田間的工作狀態(tài)、溫度、油耗等，在數(shù)據(jù)中心的界面進行監(jiān)測[6-7]。如圖5所示對溫度測試。GSM模塊定時發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，將作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)速度、地理位置信息實時上傳給數(shù)據(jù)中心。機車工作中勻速行駛，遠程數(shù)據(jù)采集以定時采集的模式向遠程監(jiān)測中心上傳數(shù)據(jù)，時間間隔設定值最小為20s，最大達到24小時。這樣作業(yè)時間間隔與實時間隔一致，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好，實時性強。機車作業(yè)過程中，遠程數(shù)據(jù)中心通過讀取數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的地理位置信息，實時對機車進行作業(yè)軌跡的動態(tài)跟隨（如圖6所示）。
5結(jié)論
設計了機車遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過遠程數(shù)據(jù)采集器收集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機械作業(yè)狀態(tài)、收獲面積、及地理信息的遠程自動檢測和自動上傳；再次證明無線傳輸?shù)姆�(wěn)定性、實時性及準確性。通過接入數(shù)據(jù)中心服務器與終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。基于STM32遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應用于田間機車，可實現(xiàn)一個易于操作和管理無線互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對機車控制和管理。機車工作時的作業(yè)時長、作業(yè)狀態(tài)、速度、收獲面積等參數(shù)的查詢、調(diào)用與分析，實現(xiàn)田間機車的動態(tài)組合和機車管理，提高了田間作業(yè)機車的工作效率。
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