農田作業機車工況遠程數據傳輸系統設計論文

隨着通信技術的不斷進步，無線通信網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。有線網絡難以擺脱線纜束縛，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數據傳輸可靠性及穩定性。因此，選用GPRS技術對田間作業機羣信息進行遠程數據傳輸，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運行狀態和數據進行監控，同時工作人員能隨時對田間作業機車進行遠程控制，還能通過上位機對讀取的數據進行分配、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着重要作用。

1系統整體方案

系統主要研究微控制器、GPRS通信網絡和數據中心三部分組成。傳感器採集到數據經過A/D轉換以及相關處理後發送到STM32微控制器，STM32通過串口將數據發送到GPRSSIM900A模塊，GPRS無線數據傳輸系統與數據中心之間一般可通過HTTP協議建立數據連接。將數據經GPRS空中接口接入無線網絡，並由移動通信連接到網絡，通過網關到達遠程數據中心，數據中心接受數據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位微控制器基於ARMCortex-M3內核，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處理器在高性能內核基礎上，集成了多種系統外設，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、高度可定製的（包括物理中斷、系統調試等）。處理器內核是ARMv7-M架構的。Cortex-M3內核是建立在一個高性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、高性能，程序在不同核之間的兼容性很好。基於Cortex-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

基於主控制器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掉電後，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覆位功能控制。

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的輸出信號經穩壓塊後作電源使用。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級GSM/GPRS模塊。SIM900A模塊板載是工業級GSM/GPRS模塊：SIM900A，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，SIM900A模塊支持RS232串口，並帶硬件流控制，支持5~24V的超寬工作範圍，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸[3]。GPRS模塊採用內置HTTP協議的SIM900A作為數據傳輸工具，從而保證數據傳輸實時性和可靠性，而且非常經濟實用。SIM900A模塊的功能特性如表1所示。

3.2GPRS技術的優勢

在GSM網絡中，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傳輸數據發生了根本變換，這在一定程度上解決了無限資源稀缺的問題。用户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的數據傳輸速率。這意味着通過便攜式電腦GPRS用户將可以獲得和ISDN用户一樣的快速上網瀏覽，使快速網絡服務可以隨時隨地。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接。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支持Internet上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。支持X.25協議可使已經存在的X.25應用能夠在GSM網絡上繼續使用。而且由於GSM網絡覆蓋面廣，所以使得GPRS能夠提供Internet和其他分組網絡的全球性無線接入[6]。

3.3GPRSHTTP服務實現步驟

在本系統中，利用STM32串口2發送AT指令對SIM900A無線數據傳輸模塊的工作狀態進行控制。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，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AT+SAPBR=1，1；//打開承載AT+SAPBR=2，1；//請求承載AT+HTTPINIT；//初始化HTTP協議AT+HTTPPARA=“CID”，1；//測試HTTP設置值AT+HTTPPARA=“URL”，“”//域名訪問，提交數據AT+HTTPACTION=0；//HTTP激活方式：GET，上載數據由圖3可見，該SIM900A系統實現了GPRSHTTP服務功能。我們通過該SIM900A系統向雲服務器提交了傳感器採集的機車工作狀態的實時數據。

3.4系統通信方式與優勢

機車遠程數據傳輸系統通過GPRS無線數據模塊發送到雲服務器處理存儲。服務器具有固定的IP，所以終端查詢客户端可以在任何一台或多台計算機進行數據訪問。服務器提供面向連接、可靠數據傳輸服務，能夠實現發送應答機制，數據無差錯、無重複的發送，且按發送順序接收，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數據的傳輸[5]。

4系統方案實現

4.1數據中心的設計

數據中心的設計主要包括網絡通信的實現，數據的接受與發送和數據庫的管理及對傳輸終端的控制。在硬件啟動之後，經過系統調度，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）在調制解調器屬性中輸入AT命令，控制GPRS模塊，完成系統的啟動，獲得GPRS內部固定的IP地址。（3）在計算機系統的調制解調器上重新建立一個新的撥號連接，並將之設為斷線重撥模式。（4）成功登錄GPRS網絡之後，採用HTTP協議傳輸數據，進一步降低編程工作量並同時提高系統的穩定性。

4.2終端界面

設計的終端經過機車開始工作後，通過傳感器採集到的數據監測機車田間的工作狀態、温度、油耗等，在數據中心的界面進行監測[6-7]。如圖5所示對温度測試。GSM模塊定時發送採集到的數據，將作業狀態、作業速度、地理位置信息實時上載給數據中心。機車工作中勻速行駛，遠程數據採集以定時採集的模式向遠程監測中心上載數據，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，使系統數據傳輸穩定性好，實時性強。機車作業過程中，遠程數據中心通過讀取數據採集器發送的地理位置信息，實時對機車進行作業軌跡的動態跟隨（如圖6所示）。

5結論

設計了機車遠程數據傳輸系統，通過遠程數據採集器收集到的數據實現了農業機械作業狀態、收穫面積、及地理信息的遠程自動檢測和自動上載；再次證明無線傳輸的穩定性、實時性及準確性。通過接入數據中心服務器與終端實現數據交互。基於STM32遠程數據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互聯網平台，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、收穫面積等參數的查詢、調用與分析，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。