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農田作業(yè)機車(chē)工況遠程數據傳輸系統設計論文
隨著(zhù)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )已覆蓋在各個(gè)領(lǐng)域，從有線(xiàn)通信到無(wú)線(xiàn)通信有了進(jìn)一步的跨越。有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )難以擺脫線(xiàn)纜束縛，在田間布線(xiàn)耗時(shí)耗精力，維護起來(lái)也不夠方便，為了節省精力和時(shí)間，提高田間機車(chē)工作的數據傳輸可靠性及穩定性。因此，選用GPRS技術(shù)對田間作業(yè)機群信息進(jìn)行遠程數據傳輸，實(shí)現機車(chē)作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境、地理環(huán)境等監控[1]，這樣系統可以實(shí)時(shí)準確對田間機具運行狀態(tài)和數據進(jìn)行監控，同時(shí)工作人員能隨時(shí)對田間作業(yè)機車(chē)進(jìn)行遠程控制，還能通過(guò)上位機對讀取的數據進(jìn)行分配、組合和集中管理提供了可靠的依據。這樣一來(lái)為工作人員節省了大量的時(shí)間，也能及時(shí)地了解田間機具的工作狀態(tài)。因此利用此技術(shù)也能夠提高現代農業(yè)的工作效率和經(jīng)濟發(fā)展等方面有著(zhù)重要作用。
1系統整體方案
系統主要研究微控制器、GPRS通信網(wǎng)絡(luò )和數據中心三部分組成。傳感器采集到數據經(jīng)過(guò)A/D轉換以及相關(guān)處理后發(fā)送到STM32微控制器，STM32通過(guò)串口將數據發(fā)送到GPRSSIM900A模塊，GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統與數據中心之間一般可通過(guò)HTTP協(xié)議建立數據連接。將數據經(jīng)GPRS空中接口接入無(wú)線(xiàn)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)到達遠程數據中心，數據中心接受數據將其分類(lèi)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A(yíng)RMCortex-M3內核，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，而且所有新功能都具有非常低的功耗水平。Cortex-M3處理器在高性能內核基礎上，集成了多種系統外設，可以滿(mǎn)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、系統調試等）。處理器內核是ARMv7-M架構的。Cortex-M3內核是建立在一個(gè)高性能哈佛結構的三級流水線(xiàn)基礎上的，可滿(mǎn)足事件驅動(dòng)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
2.1.1電源控制電路
基于主控制器STM32F103RCT6的最小系統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(guò)內置的電壓調節器為內核、內存和片上外設提供所需的1.8V電源。為了提高轉換的精度，ADC使用一個(gè)獨立的電源供電，過(guò)濾和屏蔽一些外部干擾。ADC的電源引腳為VDDA，獨立的電源地VSSA當主電源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，輸出可以達到-14V左右，輸入為0V，輸出可以達到14V，在扇出電流為20mA的時(shí)候，處處電壓可以穩定在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(shí)現語(yǔ)音、SMS、數據和傳真信息的傳輸[3]。GPRS模塊采用內置HTTP協(xié)議的SIM900A作為數據傳輸工具，從而保證數據傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性，而且非常經(jīng)濟實(shí)用。SIM900A模塊的功能特性如表1所示。
3.2GPRS技術(shù)的優(yōu)勢
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傳輸數據發(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(hù)只有充分利用這些空隙，才能充分利用無(wú)線(xiàn)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的數據傳輸速率。這意味著(zhù)通過(guò)便攜式電腦GPRS用戶(hù)將可以獲得和ISDN用戶(hù)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�？梢源蠓忍岣咭恍┦挛锏男�，并使現有的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(luò )上繼續使用。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(xiàn)接入[6]。
3.3GPRSHTTP服務(wù)實(shí)現步驟
在本系統中，利用STM32串口2發(fā)送AT指令對SIM900A無(wú)線(xiàn)數據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AT+SAPBR=1，1；//打開(kāi)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(fǎng)問(wèn)，提交數據AT+HTTPACTION=0；//HTTP激活方式：GET，上傳數據由圖3可見(jiàn)，該SIM900A系統實(shí)現了GPRSHTTP服務(wù)功能。我們通過(guò)該SIM900A系統向云服務(wù)器提交了傳感器采集的機車(chē)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)數據。
3.4系統通信方式與優(yōu)勢
機車(chē)遠程數據傳輸系統通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)數據模塊發(fā)送到云服務(wù)器處理存儲。服務(wù)器具有固定的IP，所以終端查詢(xún)客戶(hù)端可以在任何一臺或多臺計算機進(jìn)行數據訪(fǎng)問(wèn)。服務(wù)器提供面向連接、可靠數據傳輸服務(wù)，能夠實(shí)現發(fā)送應答機制，數據無(wú)差錯、無(wú)重復的發(fā)送，且按發(fā)送順序接收，數據傳輸系統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(mǎn)足傳輸的要求。該方案使用范圍廣，費用低廉，穩定性強等優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足數據的傳輸[5]。
4系統方案實(shí)現
4.1數據中心的設計
數據中心的設計主要包括網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)現，數據的接受與發(fā)送和數據庫的管理及對傳輸終端的控制。在硬件啟動(dòng)之后，經(jīng)過(guò)系統調度，主要包括：初始化、參數配置、建立連接、數據傳輸、斷開(kāi)連接五個(gè)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(xiàn)與RAM的串口相連。（2）在調制解調器屬性中輸入AT命令，控制GPRS模塊，完成系統的啟動(dòng)，獲得GPRS內部固定的IP地址。（3）在計算機系統的調制解調器上重新建立一個(gè)新的撥號連接，并將之設為斷線(xiàn)重撥模式。（4）成功登錄GPRS網(wǎng)絡(luò )之后，采用HTTP協(xié)議傳輸數據，進(jìn)一步降低編程工作量并同時(shí)提高系統的穩定性。
4.2終端界面
設計的終端經(jīng)過(guò)機車(chē)開(kāi)始工作后，通過(guò)傳感器采集到的數據監測機車(chē)田間的工作狀態(tài)、溫度、油耗等，在數據中心的界面進(jìn)行監測[6-7]。如圖5所示對溫度測試。GSM模塊定時(shí)發(fā)送采集到的數據，將作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)速度、地理位置信息實(shí)時(shí)上傳給數據中心。機車(chē)工作中勻速行駛，遠程數據采集以定時(shí)采集的模式向遠程監測中心上傳數據，時(shí)間間隔設定值最小為20s，最大達到24小時(shí)。這樣作業(yè)時(shí)間間隔與實(shí)時(shí)間隔一致，使系統數據傳輸穩定性好，實(shí)時(shí)性強。機車(chē)作業(yè)過(guò)程中，遠程數據中心通過(guò)讀取數據采集器發(fā)送的地理位置信息，實(shí)時(shí)對機車(chē)進(jìn)行作業(yè)軌跡的動(dòng)態(tài)跟隨（如圖6所示）。
5結論
設計了機車(chē)遠程數據傳輸系統，通過(guò)遠程數據采集器收集到的數據實(shí)現了農業(yè)機械作業(yè)狀態(tài)、收獲面積、及地理信息的遠程自動(dòng)檢測和自動(dòng)上傳；再次證明無(wú)線(xiàn)傳輸的穩定性、實(shí)時(shí)性及準確性。通過(guò)接入數據中心服務(wù)器與終端實(shí)現數據交互�；赟TM32遠程數據傳輸系統應用于田間機車(chē)，可實(shí)現一個(gè)易于操作和管理無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實(shí)現對機車(chē)控制和管理。機車(chē)工作時(shí)的作業(yè)時(shí)長(cháng)、作業(yè)狀態(tài)、速度、收獲面積等參數的查詢(xún)、調用與分析，實(shí)現田間機車(chē)的動(dòng)態(tài)組合和機車(chē)管理，提高了田間作業(yè)機車(chē)的工作效率。
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