農田作業機車工況遠端資料傳輸系統設計論文
農田作業機車工況遠端資料傳輸系統設計論文
隨著通訊技術的不斷進步，無線通訊網路已覆蓋在各個領域，從有線通訊到無線通訊有了進一步的跨越。有線網路難以擺脫線纜束縛，在田間佈線耗時耗精力，維護起來也不夠方便，為了節省精力和時間，提高田間機車工作的資料傳輸可靠性及穩定性。因此，選用GPRS技術對田間作業機群資訊進行遠端資料傳輸，實現機車作業狀態、作業環境、地理環境等監控[1]，這樣系統可以實時準確對田間機具執行狀態和資料進行監控，同時工作人員能隨時對田間作業機車進行遠端控制，還能透過上位機對讀取的資料進行分配、組合和集中管理提供了可靠的依據。這樣一來為工作人員節省了大量的時間，也能及時地瞭解田間機具的工作狀態。因此利用此技術也能夠提高現代農業的工作效率和經濟發展等方面有著重要作用。
1系統整體方案
系統主要研究微控制器、GPRS通訊網路和資料中心三部分組成。感測器採集到資料經過A/D轉換以及相關處理後傳送到STM32微控制器，STM32透過串列埠將資料傳送到GPRSSIM900A模組，GPRS無線資料傳輸系統與資料中心之間一般可透過HTTP協議建立資料連線。將資料經GPRS空中介面接入無線網路，並由行動通訊連線到網路，透過閘道器到達遠端資料中心，資料中心接受資料將其分類整理儲存等。
2STM32晶片特性
意法半導體推出的STM32系列32位微控制器基於ARMCortex-M3核心，包括提升效能的同時又提高了程式碼密度的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處理器在高效能核心基礎上，集成了多種系統外設，可以滿足不同應用對成本和效能的要求。處理器是全部可綜合、高度可定製的（包括物理中斷、系統除錯等）。處理器核心是ARMv7-M架構的。Cortex-M3核心是建立在一個高效能哈佛結構的三級流水線基礎上的，可滿足事件驅動的應用需求。STM32的優勢是低功耗、高效能，程式在不同核之間的相容性很好。基於Cortex-M3核心的STM32晶片比其他ARM系列晶片執行速度更快，效能也得到很大提高[2]。
2.1STM32最小系統
2.1.1電源控制電路
基於主控制器STM32F103RCT6的最小系統硬體電路包括電源電路、復位電路、晶振電路介面電路等。STM32處理器工作電壓為2.0~3.6V，常用3.3V。透過內建的電壓調節器為核心、記憶體和片上外設提供所需的1.8V電源。為了提高轉換的精度，ADC使用一個獨立的電源供電，過濾和遮蔽一些外部干擾。ADC的電源引腳為VDDA，獨立的電源地VSSA當主電源VDD掉電後，可透過VBAT腳為實時時鐘和備份暫存器提供電源，切換VBAT供電由復位模組中的掉電覆位功能控制。
3STM32與SIM900A通訊連結方式
MAX232是TTL—RS232電平轉換的典型晶片，按照晶片的推薦電路，取振盪電容為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的輸出訊號經穩壓塊後作電源使用。RS232串列埠通訊分配連線在USART2上，由PA2和PA3連線MAX3232電平轉換晶片，以DB9針形座輸出MAXA3232串列埠電路圖2所示。
3.1SIM900A模組
SIM900A是ALIENTEK推出的一款高效能工業級GSM/GPRS模組。SIM900A模組板載是工業級GSM/GPRS模組：SIM900A，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，SIM900A模組支援RS232串列埠，並帶硬體流控制，支援5~24V的超寬工作範圍，可以低功耗實現語音、SMS、資料和傳真資訊的傳輸[3]。GPRS模組採用內建HTTP協議的SIM900A作為資料傳輸工具，從而保證資料傳輸實時性和可靠性，而且非常經濟實用。SIM900A模組的`功能特性如表1所示。
3.2GPRS技術的優勢
在GSM網路中，GPRS首先引入了分組交換的傳輸模式，使得原有的採用電路交換模式的GSM傳輸資料發生了根本變換，這在一定程度上解決了無限資源稀缺的問題。使用者只有充分利用這些空隙，才能充分利用無線資源，從而提高通道利用率[4]。傳輸速率高，GPRS可提供高達115Kbits-1的資料傳輸速率。這意味著透過行動式電腦GPRS使用者將可以獲得和ISDN使用者一樣的快速上網瀏覽，使快速網路服務可以隨時隨地。接入時間短，分組交換接入時間小於1秒，能提供快速即時的連線。可以大幅度提高一些事物的效率，並使現有的Internet操作更加方便、快捷、流暢。GPRS支援Internet上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。支援X.25協議可使已經存在的X.25應用能夠在GSM網路上繼續使用。而且由於GSM網路覆蓋面廣，所以使得GPRS能夠提供Internet和其他分組網路的全球性無線接入[6]。
3.3GPRSHTTP服務實現步驟
在本系統中，利用STM32串列埠2傳送AT指令對SIM900A無線資料傳輸模組的工作狀態進行控制。首先透過串列埠2與SIM900A串列埠相連線。啟動STM32的GPRS通訊工作狀態，串列埠波特率-9600，相應的AT命令控制GSM模組工作，詳見下圖5串列埠子程式流程圖。AT+SAPBR=3，1“，Contype”“，GPRS”；//配置承載AT+SAPBR=3，1，“APN”，“CMNET”；//配置GPRS引數AT+SAPBR=1，1；//開啟承載AT+SAPBR=2，1；//請求承載AT+HTTPINIT；//初始化HTTP協議AT+HTTPPARA=“CID”，1；//測試HTTP設定值AT+HTTPPARA=“URL”，“ninsword.sinaapp.com/get.php?data=%d%d.%d”//域名訪問，提交資料AT+HTTPACTION=0；//HTTP啟用方式：GET，上傳資料由圖3可見，該SIM900A系統實現了GPRSHTTP服務功能。我們透過該SIM900A系統向雲伺服器提交了感測器採集的機車工作狀態的實時資料。
3.4系統通訊方式與優勢
機車遠端資料傳輸系統透過GPRS無線資料模組傳送到雲伺服器處理儲存。伺服器具有固定的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資料訪問。伺服器提供面向連線、可靠資料傳輸服務，能夠實現傳送應答機制，資料無差錯、無重複的傳送，且按傳送順序接收，資料傳輸系統本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個實時的雙向的傳輸通道，能很好的滿足傳輸的要求。該方案使用範圍廣，費用低廉，穩定性強等優點來滿足資料的傳輸[5]。
4系統方案實現
4.1資料中心的設計
資料中心的設計主要包括網路通訊的實現，資料的接受與傳送和資料庫的管理及對傳輸終端的控制。在硬體啟動之後，經過系統排程，主要包括：初始化、引數配置、建立連線、資料傳輸、斷開連線五個組成部分。如圖4所示，應用程式流程圖。其中對通訊配置主要步驟概括如下：（1）將GPRS模組的串列埠線與RAM的串列埠相連。（2）在調變解調器屬性中輸入AT命令，控制GPRS模組，完成系統的啟動，獲得GPRS內部固定的IP地址。（3）在計算機系統的調變解調器上重新建立一個新的撥號連線，並將之設為斷線重撥模式。（4）成功登入GPRS網路之後，採用HTTP協議傳輸資料，進一步降低程式設計工作量並同時提高系統的穩定性。
4.2終端介面
設計的終端經過機車開始工作後，透過感測器採集到的資料監測機車田間的工作狀態、溫度、油耗等，在資料中心的介面進行監測[6-7]。如圖5所示對溫度測試。GSM模組定時傳送採集到的資料，將作業狀態、作業速度、地理位置資訊實時上傳給資料中心。機車工作中勻速行駛，遠端資料採集以定時採集的模式向遠端監測中心上傳資料，時間間隔設定值最小為20s，最大達到24小時。這樣作業時間間隔與實時間隔一致，使系統資料傳輸穩定性好，實時性強。機車作業過程中，遠端資料中心透過讀取資料採集器傳送的地理位置資訊，實時對機車進行作業軌跡的動態跟隨（如圖6所示）。
5結論
設計了機車遠端資料傳輸系統，透過遠端資料採集器收集到的資料實現了農業機械作業狀態、收穫面積、及地理資訊的遠端自動檢測和自動上傳；再次證明無線傳輸的穩定性、實時性及準確性。透過接入資料中心伺服器與終端實現資料互動。基於STM32遠端資料傳輸系統應用於田間機車，可實現一個易於操作和管理無線網際網路平臺，實現對機車控制和管理。機車工作時的作業時長、作業狀態、速度、收穫面積等引數的查詢、呼叫與分析，實現田間機車的動態組合和機車管理，提高了田間作業機車的工作效率。