蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學校 謝留婉

農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與研究

蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學校 謝留婉

本文基于農(nóng)機信息化管理系統(tǒng)中涉及到的農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)需求進行了分析，確定出農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設計方案。從硬件和軟件兩個方面介紹具體設計思路和方法。主要詳細介紹了以STM32F103RBT6為控制核心、并基于GSM/GPRS-GPS與一體的SIM928A模塊，以及其他傳感器相配合的一種農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與研究。

農(nóng)機、GPS；數(shù)據(jù)采集；SIM928A；GPRS；STM32F103

1 引言

近年來國家大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，要求全面提高農(nóng)業(yè)信息化水平。農(nóng)業(yè)管理部門提出，首先要求能對農(nóng)機進行信息化管理，實現(xiàn)農(nóng)機的在線化、數(shù)據(jù)化、管理高效化和服務便捷化的基本目標，生產(chǎn)智能化邁上新臺階，實現(xiàn)后端的管理能與前端的機主實現(xiàn)信息互通，實現(xiàn)農(nóng)機與與管理人員的實時互動，有力支撐農(nóng)機現(xiàn)代化水平的提升[1]。

農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為農(nóng)機信息化管理平臺的前端裝置，具體要求是能實時提供農(nóng)機作業(yè)位置區(qū)域準確定位數(shù)據(jù)；能對農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量情況實時監(jiān)測；能對農(nóng)機作業(yè)有效面積準確測量；能實現(xiàn)農(nóng)機前端與后端管理后臺實時信息互通；以及能對采集數(shù)據(jù)進行有效備份等。

農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能需求分析：

1.農(nóng)機作業(yè)位置區(qū)域準確定位：目前比較成熟的技術(shù)就是依托于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，實時提供準確的定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)來進行農(nóng)機作業(yè)區(qū)域位置定位。

2.農(nóng)機作業(yè)情況實時檢測：可通過位移檢測傳感器，實時檢測農(nóng)機作業(yè)農(nóng)耕器具的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)是否達標進行測量；另外可通過加裝高清攝像頭，對作業(yè)現(xiàn)場進行定時抓拍，實現(xiàn)遠程實時查看現(xiàn)場作業(yè)情況。

3.農(nóng)機作業(yè)面積測量：農(nóng)機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時提供有效的GPS定位數(shù)據(jù)，管理后臺描繪實時的農(nóng)機作業(yè)軌跡，實現(xiàn)有效作業(yè)面積的統(tǒng)計。

4.農(nóng)機前端與后端管理后臺信息互通：考慮到數(shù)據(jù)的通信要求，目前比較成熟的是可采用基于蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，實現(xiàn)前端采集端與后臺管理服務器系統(tǒng)間的遠程數(shù)據(jù)傳輸。

5.農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)本地存儲：作為數(shù)據(jù)遠程傳輸時的備份，避免在遠程傳輸數(shù)據(jù)失敗時造成作業(yè)數(shù)據(jù)的丟失。

2 系統(tǒng)設計方案

農(nóng)機信息化管理系統(tǒng)主要架構(gòu)是，由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過相關(guān)傳感器對農(nóng)機作業(yè)情況實時監(jiān)測，將農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)進行存儲，并依托于蜂窩網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信傳輸，通過Internet連接至農(nóng)機信息化管理服務器，最終實現(xiàn)農(nóng)機信息化管理。

本次主要對前端農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行研究，確定系統(tǒng)設計方案是采用單片機作為控制核心，通過檢測位移傳感器，實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)工作狀態(tài)的檢測，同時借助高清攝像頭，對現(xiàn)場工作情況進行抓拍，把農(nóng)機耕作時的現(xiàn)場工作狀態(tài)進行記錄保存。系統(tǒng)自動根據(jù)農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)，實時獲取GPS模塊上經(jīng)緯度坐標數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域精確定位，并通過GPRS模塊，實現(xiàn)前端控制器與后臺服務器聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)前端與后端的數(shù)據(jù)交換，最終將前端采集的農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)保存在后臺服務器，便于后臺管理系統(tǒng)跟蹤分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)。以下將根據(jù)系統(tǒng)設計方案，介紹具體器件選型、硬件電路設計、軟件設計等展開研究。

2.1 硬件電路設計

2．1．1 STM32F103系列單片機簡介

STM32F103xx增強型系列由意法半導體集團設計，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設，所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN[2]。

2．1．2 SIM928A模塊簡介

SIM928A是一個緊湊的四頻（850/900/1800/1900MHz）GSM / GPRS模塊基礎上PNX4851平臺還配備了GPS技術(shù)，是一種集GSM / GPRS和GPS二合一模塊，兼容AT蜂窩命令集，采用了SMT封裝形式，功耗低，可通過GSM/GPRS網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)、語音、短消息、傳真，具備工業(yè)標準接口和GPS功能，可應用于車載監(jiān)控等領域[3]。

2．1．3 OV7670攝像頭模塊簡介

攝像頭模塊是采用OmniVision公司的OV7670圖像傳感器，其具有體積小、工作電壓低，功耗低，穩(wěn)定度高等特點，可最大采集640×480像素圖像，最高可達30幀/秒，支持VGA、GIF和CIF到40×30的各種尺寸。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式[4]?？紤]到本方案中網(wǎng)絡傳輸是基于2G網(wǎng)的GPRS通信，數(shù)據(jù)傳輸量不能太大，故采用CIF低碼率傳輸。

2．1．4 硬件電路組成

根據(jù)設計功能要求及技術(shù)指標要求，系統(tǒng)設計采用STM32F103系列單片機STM32F103RBT6為控制核心，并基于SIM928A模塊的GPS和GPRS二合一模塊，來進行對農(nóng)機的精確定位、以及數(shù)據(jù)上報通信等功能，采用位移傳感器檢測農(nóng)機具的耕作作業(yè)工作狀態(tài)，為了能直觀掌握農(nóng)機現(xiàn)場的作業(yè)情況，需要配備OV7670攝像頭實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)情況進行定時抓拍，另外為了保障采集數(shù)據(jù)的不被丟失，系統(tǒng)集成有Micro SD Card，用以將數(shù)據(jù)即時本地保存，同時再配置一塊TFT3.2寸全彩信息顯示屏，可以將系統(tǒng)工作狀態(tài)進行實時顯示，系統(tǒng)電源需要從農(nóng)機上的蓄電池取出，由于不同農(nóng)機上蓄電池供電電壓不同，考慮到系統(tǒng)能安裝適用于各種不同的農(nóng)機，所以需要設計一個能適應輸入寬電壓范圍9V～36V輸入的穩(wěn)壓電源?？紤]以上這些需求，具體設計系統(tǒng)硬件電路主要包含由開關(guān)電源模塊、單片機控制電路、LCD顯示模塊、GPRS-GPS模塊、位移傳感器模塊、攝像頭模塊、本地存儲模塊、RS233串口接口等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件電路主要功能模塊介紹：

單片機控制核心模塊：采用高速穩(wěn)定型STM32F103系列單片機，主要負責各模塊的協(xié)調(diào)控制，如：對位移傳感器檢測，實訓對農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)實時判斷；對攝像頭進行圖像數(shù)據(jù)采集保存；讀取GPS模塊的實時定位數(shù)據(jù)，可采用多次讀取比對，提供定位精確度；控制信息顯示屏，將信息本地顯示出來，提高可視化，以及信息實時交互能力；GPRS模塊，主要負責數(shù)據(jù)遠程通信，單片機將需要傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)，以及農(nóng)機工作狀態(tài)信息等發(fā)送至后臺服務器端，為后續(xù)數(shù)據(jù)的后臺存儲，以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供可能。

GPRS-GPS模塊：采用SIM928A模塊，它是集GSM/GPRS-GPS與一體的方案，可以大大簡化電路的硬件結(jié)構(gòu)，通過串口實現(xiàn)與單片機數(shù)據(jù)交互。具體功能是實現(xiàn)對農(nóng)機進行實時精確定位，系統(tǒng)實(2)仿真參數(shù)設置及其運行

設置仿真參數(shù)的“Start time”為“0”，“Stop time”為“0.5”，“Solver options”的步長選擇變步長“Variable-Step”，解算方法“Solve”選擇“ode23tb”解算器，保存該系統(tǒng)模型并進行仿真，仿真后的波形如圖6，圖7所示。

圖7 異步電動機m端輸出的“Scope 1”仿真結(jié)果

3 小結(jié)

電機與拖動涉及到電和磁的內(nèi)容，比較抽象，一直都是教與學的難點，本文提出將matlab仿真軟件應用到電機與拖動課程的教學中，并通過兩個仿真實例進行分析，驗證了在課程中使用仿真軟件能幫助學生理解和掌握本門課程的重點與難點，使學生學習起來不會感覺那么吃力，提高了學生學習的積極性。

[1]陸華才．Matlab在《電機與拖動》教學中的應[J]．科技信息,2009,25:502-503．

[2]劉桂英,伍家駒,張立生等．基于MATLAB的《電機與拖動》仿真實驗[J]．南昌航空工業(yè)學院學報(自然科學版),2002,16(1):47-50．

[3]魏立明,陳偉利,韓成浩．MATLAB軟件在電機與拖動課程教學中的應[J]．吉林建筑工程學院學報,2014,31(4):84-87．

[4]萬力,榮軍,萬軍華等．計算機仿真技術(shù)在直流電動機教學中的應用[J]．湖南理工學院學報(自然科學版),2015,28(4):82-85．

[5]巫慶輝,崔總澤,李琳．MATLAB/Simulink s-function在三相異步電機教學中的應用研究[J]．渤海大學學報(自然科學版),2011,32(3):249-253．

胡林林（1988—）， 女，碩士研究生，研究方向：信號處理與機器視覺。

付龍（1989—），男，大學本科，研究方向：金屬材料加工。