李震 郭玉姍 呂石磊 溫威 劉岳 顏少華

摘? 要： 針對山地果園在我國分布的地域較廣、相對分散，農(nóng)機使用的種類繁多、使用效率和使用情況不能實時更新等狀況，設(shè)計了一款輕巧、小型、便于安裝的監(jiān)測裝置。該裝置通過GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)數(shù)據(jù)包提供的Text獲取農(nóng)機的序列號、累計使用次數(shù)、本次啟動后的工作時長、運行速率、經(jīng)緯度位置以及有無故障等情況，數(shù)據(jù)信息顯示在PC端上位機。實驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)發(fā)送丟包率為0%，電池電量耗損與農(nóng)機運行速率變化呈負(fù)向關(guān)系。通過該監(jiān)測系統(tǒng)，可獲取農(nóng)機的歷史使用情況，為相關(guān)決策提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 監(jiān)測系統(tǒng); 農(nóng)機監(jiān)測; 雙模定位; GSM無線通信; 數(shù)據(jù)傳輸; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN92?34; S24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）21?0001?05

Design of online monitoring system for transportation equipments of mountain orchard

LI Zhen1， 2， 3， 4， GUO Yushan4， L? Shilei1， 2， 3， 4， WEN Wei2， 5， LIU Yue4， YAN Shaohua4

（1. MOE Key Laboratory of Southern Agricultural Machinery and Equipment Key Technology， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China;

2. Machinery Research Office of National Citrus Industry Technology System， Guangzhou 510642， China;

3. Guangdong Engineering Technology Research Center of Agricultural Information Monitoring， Guangzhou 510642， China;

4. College of Electronic Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China;

5. Engineering Fundamental Teaching and Training Center， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Abstract： In view of the facts that the geographical area is wide， geographical distribution is relatively scattered， the agricultural machinery of mountain orchards is various， and the application efficiency and situation of the agricultural machinery can not be updated in real time， a lightweight and small monitoring device which would be easy to install is designed. The data transmission of the device is realized through the GSM network. The serial number of the agricultural machinery， the cumulative use times， the operation time after it starts， the running speed， the latitude and longitude position， and the operation situation （with or without fault） are obtained according to the Text provided by the data packet. The data information is displayed on PC?side host computer. The experiment result shows that the transmission data of the monitoring system is stable and reliable， its packet loss rate in data transmission is 0%， and the battery power consumption is negatively correlated with the running speed change of agricultural machinery. The historical service condition of agricultural machinery can be obtained by the monitoring system， which can provide the reference basis for relevant decision?making.

Keywords： monitoring system; agricultural machinery monitoring; dual?mode positioning; GSM wireless communication; cation data transmission; system testing

0? 引? 言

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平的提升，山地果園機械化監(jiān)測管理的水平和范圍也在不斷優(yōu)化[1]，尤其是單軌運送裝備越來越廣泛地被應(yīng)用。但是在應(yīng)用過程中存在狀態(tài)、位置不清晰等問題，需要用現(xiàn)代通信技術(shù)手段在線獲取狀態(tài)信息。前人很多研究局限于使用無線數(shù)傳電臺方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種方式投入大、傳輸距離有限且是單向傳輸，難以進(jìn)行控制[2]?；跓o線通信技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)中，ZigBee、GPRS、WiFi、藍(lán)牙等無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)被廣泛運用，導(dǎo)致其日益擁擠[3]。使用其他頻段實現(xiàn)無線通信迫在眉睫，稍低頻段的GSM無線通信兼具遠(yuǎn)距離和低功耗的特性，逐漸引起大眾關(guān)注[4]。GPS和衛(wèi)星遙感為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向提供了一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)和管理系統(tǒng)[5]，但GPS產(chǎn)品在我國衛(wèi)星導(dǎo)航終端市場占壟斷地位，給國家安全和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展帶來巨大隱患[6]，開發(fā)基于北斗/GPS的雙模定位系統(tǒng)對農(nóng)事安全有重大意義[7]。在山地果園機械監(jiān)測管理中，人們的關(guān)注點總是偏向于機械作業(yè)效率、農(nóng)田灌溉等。在關(guān)于農(nóng)業(yè)機械使用情況的農(nóng)情方面，封閉的管理系統(tǒng)、傳統(tǒng)的調(diào)研方式得到的數(shù)據(jù)只單單依靠農(nóng)戶們的口述，不能保證每張問卷的真實有效性。因此山地果園管理信息化、實時化是未來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械網(wǎng)絡(luò)化管理的必然需求。本文設(shè)計旨在將信息技術(shù)科學(xué)地應(yīng)用到山地果園農(nóng)用機械的使用情況中，為農(nóng)機管理部門做決策、為企業(yè)銷售產(chǎn)品等提供有效依據(jù)[8]。相較于需要經(jīng)常出差走訪、工作量繁重的傳統(tǒng)調(diào)研方式，本設(shè)計優(yōu)勢明顯，在信號差、無法使用網(wǎng)絡(luò)的山區(qū)地帶也能保證正常通信，對提高山地果園生產(chǎn)效率、降低果農(nóng)勞動強度、促進(jìn)果園可持續(xù)發(fā)展以及對于農(nóng)機保有率的關(guān)注情況都有重要意義[9]。

1? 系統(tǒng)架構(gòu)及整體設(shè)計

在線農(nóng)機監(jiān)測系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：一部分是由STM32控制器和GSM Modem1組成的下位機嵌入式信息采集終端;另一部分是由人機交互監(jiān)測中心的PC機、GSM Modem2以及數(shù)據(jù)庫組成的農(nóng)用機械使用情況監(jiān)測管理中心。下位機終端與上位機人機交互界面通過GSM網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和整體框圖分別如圖1，圖2所示。

現(xiàn)場監(jiān)測點通過安裝下位機系統(tǒng)裝置，將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)以SMS方式傳輸至PC端，GSM模塊輸出端選用SIM900A芯片，以此完成數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和存儲，用戶可根據(jù)該農(nóng)機的使用情況數(shù)據(jù)做一個農(nóng)機狀況評估表。

2? 硬件選型及其程序設(shè)計

硬件電路主要包括STM32最小系統(tǒng)、SIM900A模塊及外圍電路、定位模塊、電源模塊、通信電路、旋轉(zhuǎn)編碼器以及單片機其他外圍電路等。編寫數(shù)據(jù)發(fā)送裝置程序的開發(fā)環(huán)境采用MDK_Keil5，開發(fā)語言使用C語言，控制部分需用到AT命令，以短息文本的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行傳輸。

主控制器采用基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的STM32F103VET6芯片，該芯片能工作于-40～105 ℃的溫度范圍[5]。STM32F10是ST公司推出的STM32互聯(lián)型系列控制器中一款功能強大、性價比高的產(chǎn)品。本系統(tǒng)中單片機各引腳對應(yīng)連接關(guān)系及其含義如表1所示。

2.1? 北斗/GPS雙模接收機

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國具有自主產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[10]。系統(tǒng)具有快速定位、簡短通信和精密授時三大優(yōu)勢。使用該系統(tǒng)無需重建通信鏈路、無需租用衛(wèi)星信道[11]，不僅使用方便，而且可以取得非常明顯的價格優(yōu)勢。

本系統(tǒng)中衛(wèi)星信號接收機選用SkyTraq公司生產(chǎn)的S1216F8?BD模組為核心的BDS/GPS雙模一體機G?Mouse，其集成了衛(wèi)星接收機和天線，可同時接收BD2_B1和GPS_L1信號，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、定位精度高等優(yōu)點[12]。系統(tǒng)啟動后優(yōu)先使用GPS定位系統(tǒng)，在國家之間發(fā)生沖突或者貿(mào)易戰(zhàn)爭爆發(fā)之際，可快速切換成北斗系統(tǒng)，以保證農(nóng)機繼續(xù)無隱患安全運作，G?Mouse應(yīng)用電路如圖3所示。

2.2? 霍爾傳感器測速電路

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器，用磁鐵靠近霍爾傳感器時，霍爾傳感器的引腳電平會發(fā)生變化。

霍爾傳感器主要用在測速技術(shù)限位上，本系統(tǒng)采用測轉(zhuǎn)速功能獲取單軌運輸機的速度，被測軸安裝有12只磁鋼，即轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生12個脈沖。安裝和工作示意圖分別如圖4和圖5所示。

鐵芯、磁鋼、霍爾傳感器的位置關(guān)系清晰明了，單片機的控制程序如下：

charcesu[5]="";

itoa （Frequency_value，cesu，10）;

strcat （AG_machine_status，cesu）;

strcat （AG_machine_status，" "）;

要求轉(zhuǎn)速以轉(zhuǎn)/分顯示，因此要將測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的方法是將測得的數(shù)據(jù)乘以60，但由于轉(zhuǎn)軸上安裝有12只磁鋼，每旋轉(zhuǎn)一周可以得到12個脈沖，因此，要將測得的數(shù)據(jù)除以12，所以綜合起來，將測得的數(shù)據(jù)乘以5即可得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。

2.3? 無線通信電路

本設(shè)計通過GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信，STM32控制發(fā)送AT指令，GSM1按指令要求進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)。SIM900A在SIM工作模式下頻率為900 MHz，接口為標(biāo)準(zhǔn)RS 232，只需簡單利用2個串行通信管腳和2個電源管腳即可實現(xiàn)與MCU的信息交互，選用SIM900A作為GSM模塊的芯片對本系統(tǒng)的構(gòu)建起了簡化作用。解調(diào)模塊的TXD，RXD引腳分別與單片機的PA02，PA03接口相連，TXD為發(fā)送端，RXD為接收端，組成串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，通常設(shè)定為9 600 b/s。

GSM模塊通過異步通信接口實現(xiàn)對SMS的控制，共有三種接入?yún)f(xié)議：Block Mode、基于AT指令的Text Mode、基于AT指令的PDU Mode。發(fā)送SIM900A的命令字來發(fā)出短信時，在編程軟件中設(shè)置三個數(shù)組，每個數(shù)組包含一條AT指令。

charcode mode[]="AT+CMGF=1＼r";

charcode mode1[]="AT+CMGS=＼"+8618344306607**＼" ＼r";

char mode2=0x1a;

“AT+CMGF=1”代表選擇Text模式，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包是基于數(shù)字和字符組成的，為了保證系統(tǒng)的適用性，SMS的收發(fā)采用Text Mode。在該模式下，模塊發(fā)送和接收的信息幀格式如圖6所示。

數(shù)據(jù)幀由幀頭、幀數(shù)據(jù)和校驗子三部分組成。幀頭表示數(shù)據(jù)幀的標(biāo)記，由兩個固定的字符“ss”構(gòu)成，這兩個字符可以通過模塊直接發(fā)送;幀數(shù)據(jù)的字段長度為150 B，最多發(fā)送70個字符（采用Text模式，可發(fā)送漢字）;檢驗子為數(shù)據(jù)字段所有字節(jié)累加和的補碼，由一個字節(jié)組成。

2.4? 程序設(shè)計

主程序是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，功能包括：初始化CPU和網(wǎng)絡(luò)（包括串口GSM協(xié)議棧的初始化和外設(shè)的初始化）、讀取內(nèi)部時鐘信號、外部電源掉電檢測、FLASH讀取并保存參數(shù)設(shè)置等。系統(tǒng)主程序的工作流程如圖7所示。

通電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后讀取FLASH存儲的參數(shù)，為下一次FLASH里需要保留的參數(shù)做準(zhǔn)備（FLASH存儲的是農(nóng)機啟動次數(shù)參數(shù)）。如果農(nóng)機是第一次啟動，則需要先把FLASH數(shù)據(jù)清零，如不是，則啟動次數(shù)直接加1保存至FLASH，再保存數(shù)據(jù)。下一步測試GSM模塊是否正常啟動，若沒有正常啟動，2 s后模塊會自動復(fù)位，單片機重新檢測GSM模塊能否正常啟動，20 s后如果服務(wù)器端收到第一條數(shù)據(jù)包，說明監(jiān)測系統(tǒng)正常啟動，由此判斷農(nóng)機進(jìn)入正常工作狀態(tài)。中斷后，延時啟動，此后每隔10 min系統(tǒng)便發(fā)出一條數(shù)據(jù)，時間序列加1。當(dāng)系統(tǒng)故障停止或斷電停電前一瞬間會發(fā)送警告提醒信息。

2.5? 數(shù)據(jù)包格式設(shè)計

本設(shè)計通過主控芯片控制發(fā)送短信指令，GSM1模塊按指令要求進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)，發(fā)送數(shù)據(jù)由模塊GSM2接收后在PC端顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)正常接收數(shù)據(jù)后依據(jù)手機通信號碼判斷是否為指定監(jiān)測端發(fā)送的指令，以避免其他終端干擾操作。數(shù)據(jù)包操作采用特定Text格式，分成5段：A，B，C，D，E。A表示農(nóng)機的特定編號即序列號，預(yù)留5位;B表示啟動次數(shù)，預(yù)留3位，從000開始，農(nóng)機每啟動一次累積加1（重新燒錄程序才會清零）;C表示農(nóng)機工作時長，預(yù)留2位，從00開始，每次啟動農(nóng)機后自動清零為00，隨后間隔5 min（時間可調(diào)節(jié)，即農(nóng)機工作時長）加1;D表示霍爾傳感器的測速編號，單位是r/min，預(yù)留2位;E表示定位接收的經(jīng)緯度定位信息（經(jīng)緯度用于確認(rèn)農(nóng)機所處大概省市即可），預(yù)留30位，經(jīng)緯度之間用“，”分隔。各段最終均轉(zhuǎn)換為字符串格式存儲，格式位于段之間用半角或全角字符空格隔開。

3? PC上位機界面設(shè)計與功能實現(xiàn)

在農(nóng)機使用情況管理的監(jiān)測系統(tǒng)中采用Windows操作系統(tǒng)，所以在軟件設(shè)計時采用微軟開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio，C#作為編程語言[8]。PC機與GSM2模塊通過串口RS 232連接，以此實現(xiàn)上位機與監(jiān)測系統(tǒng)的通信，人機交互主界面如圖8所示，操作界面頁主要用到串口調(diào)試功能和查詢服務(wù)。串口調(diào)試功能界面主要包括串口傳輸、接收信息、索引信息以及存儲數(shù)據(jù)等功能，調(diào)用GSM Modem提供短信貓API，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等。SerialPort類的DataReceived事件為本文的主要使用技術(shù)，直接使用串口類SerialPort，通過實例化串口對象sp完成向設(shè)備發(fā)送AT指令及讀取設(shè)備返回字符串，從而完成對“貓”的控制及數(shù)據(jù)傳輸。對于數(shù)據(jù)的分割和存儲，若不連接數(shù)據(jù)庫，“保存所有短信”可實現(xiàn)保存在Excel表格里。

在查詢服務(wù)界面，可實現(xiàn)寫入新農(nóng)機信息，再存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。C#.Net窗體與SQL建立連接的關(guān)鍵代碼如下：

Sql Command cmd = null ;

Sql Connection con = new Sql Connection （ " 連接數(shù)據(jù)庫字符串" ）;? //連接數(shù)據(jù)庫

cmd. Text=″INSE RT INTO Basical1（手機號，農(nóng)機序列號，農(nóng)機名稱，農(nóng)機類型，地區(qū)）VALUES（′″+Mobiletxt.Text+″′，′″+ Serialnumtxt.Text+″′，′″+nametxt.Text+″′，′″+typetxt.Text+″′+ areatxt.Text+″′）″;

//在數(shù)據(jù)庫中插入新農(nóng)機信息，Basical1為表的名稱

當(dāng)用戶想要查詢自己使用的農(nóng)機信息時，可以根據(jù)序列號，從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出SIM卡中的信息。

4? 系統(tǒng)測試及實驗結(jié)果分析

農(nóng)機監(jiān)測系統(tǒng)信息平臺對數(shù)據(jù)內(nèi)容具有識別功能，從而當(dāng)有信息到達(dá)時，采取相應(yīng)的動作，如數(shù)據(jù)歸類、內(nèi)容分離提取、刪除無效或已讀數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)內(nèi)容等。

以單軌運輸機為平臺，檢驗系統(tǒng)的工作效果并驗證有效性及可行性。在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系試驗基地的單軌控制機上經(jīng)過為期兩周的實驗（監(jiān)測器啟動后每5 min發(fā)送一條數(shù)據(jù)包），得到不同載重下單軌機運行時長如表2所示。再取三種不同載重，通過霍爾傳感器傳輸?shù)霓D(zhuǎn)速變化，以運輸機電池電壓為指標(biāo)（用無紙記錄儀記錄電壓，同監(jiān)測器一致5 min取一個點，最后選出轉(zhuǎn)速變化的點），得出不同載重情況下單軌機的運行時長以及運行速率隨時間的變化，工作狀況效果圖如圖9，圖10所示。

由表2可得，運輸機耗時與載重呈負(fù)關(guān)系，如圖9所示。由圖10可知，除空載、在有負(fù)載的兩種情況下，單軌機的供電時長和速率變化規(guī)律比較一致，基本處于持平狀態(tài);在設(shè)備不斷電、SIM卡不欠費的情況下，實際收到的數(shù)據(jù)包[S]與理論應(yīng)收到的數(shù)據(jù)包[L]數(shù)量幾乎一致，受上位機端串口傳輸?shù)奈⑷跤绊?，實驗丟包率平均接近于[（L-S）L]=0.51%。

測試知，滿電量電池電壓達(dá)49.7 V，空電量約余41.5 V。將壓降平均截成五段，如圖10所示，電量80%以上時，速率基本無波動;電量余60%～80%時，速率隨載重有輕微變化，重量每增10%，速率降2.38%;電量余40%～60%時，轉(zhuǎn)速變化偶爾出現(xiàn)一次偏差，但不影響總體，載重增10%，速率相應(yīng)降低1.39%;電量余20%～40%時，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)短暫持平狀態(tài);電量不足20%后，速率驟降，重量增10%，相應(yīng)轉(zhuǎn)速降約5.13%。速率減緩百分比[μ]隨單軌機載重增加的百分比計算公式如下所示：

[Δv=（v1-v3）v1+（v2-v3）v22] （1）

[Δm=（m1-m3）m1+（m2-m3）m22] （2）

[μ=ΔvΔm] （3）

經(jīng)實驗，本系統(tǒng)可達(dá)到預(yù)期要求：服務(wù)器端按時收到終端發(fā)來的數(shù)據(jù)包，上位機讀取后分割保存;重復(fù)多次重啟終端也準(zhǔn)時發(fā)送并收到數(shù)據(jù);在系統(tǒng)上電后，讀完一條數(shù)據(jù)保存后立即刪除該數(shù)據(jù)包，以免系統(tǒng)故障時重復(fù)讀取或SIM卡存滿后無法接收新數(shù)據(jù);系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題時自動復(fù)位等。

5? 結(jié)? 語

本研究是基于GSM無線通信的農(nóng)用機械使用情況的監(jiān)測系統(tǒng)，采集的信息可通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的數(shù)據(jù)方式傳至上位機，然后將數(shù)據(jù)包分割提取，通過在后臺數(shù)據(jù)庫查詢，得到該工作農(nóng)機機型、所處省市、有效工作時長等數(shù)據(jù)。至此，本系統(tǒng)實現(xiàn)的監(jiān)測功能順利測試完成，在減輕調(diào)研人員工作量的同時，也節(jié)約了調(diào)研人員的工作時間，解決了調(diào)研人員拿到問卷的不準(zhǔn)確性、效率低下等問題。經(jīng)過一段時間的實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)輕巧小型、便于攜帶安裝，收發(fā)數(shù)據(jù)及時、花銷低廉，具有很好的實際應(yīng)用價值。

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作者簡介：李? 震（1981—），男，吉林人，博士，教授，研究方向為機電一體化技術(shù)應(yīng)用、農(nóng)情信息獲取與應(yīng)用技術(shù)研究。

郭玉姍（1993—），女，湖北人，碩士生在讀，研究方向為農(nóng)業(yè)信息化。

呂石磊（1984—），男，博士，研究方向為智能計算、算法優(yōu)化應(yīng)用。