农田作业机车工况远程数据传输系统设计论文
时间：2021-08-31农田作业机车工况远程数据传输系统设计论文
随着通信技术的不断进步，无线通信网络已覆盖在各个领域，从有线通信到无线通信有了进一步的跨越。有线网络难以摆脱线缆束缚，在田间布线耗时耗精力，维护起来也不够方便，为了节省精力和时间，提高田间机车工作的数据传输可靠性及稳定性。因此，选用GPRS技术对田间作业机群信息进行远程数据传输，实现机车作业状态、作业环境、地理环境等监控[1]，这样系统可以实时准确对田间机具运行状态和数据进行监控，同时工作人员能随时对田间作业机车进行远程控制，还能通过上位机对读取的数据进行分配、组合和集中管理提供了可靠的依据。这样一来为工作人员节省了大量的时间，也能及时地了解田间机具的工作状态。因此利用此技术也能够提高现代农业的工作效率和经济发展等方面有着重要作用。
1系统整体方案
系统主要研究微控制器、GPRS通信网络和数据中心三部分组成。传感器采集到数据经过A/D转换以及相关处理后发送到STM32微控制器，STM32通过串口将数据发送到GPRSSIM900A模块，GPRS无线数据传输系统与数据中心之间一般可通过HTTP协议建立数据连接。将数据经GPRS空中接口接入无线网络，并由移动通信连接到网络，通过网关到达远程数据中心，数据中心接受数据将其分类整理储存等。
2STM32芯片特性
意法半导体推出的STM32系列32位微控制器基于ARMCortex-M3内核，包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集、大幅度提高的中断响应，而且所有新功能都具有非常低的功耗水平。Cortex-M3处理器在高性能内核基础上，集成了多种系统外设，可以满足不同应用对成本和性能的要求。处理器是全部可综合、高度可定制的（包括物理中断、系统调试等）。处理器内核是ARMv7-M架构的。Cortex-M3内核是建立在一个高性能哈佛结构的三级流水线基础上的，可满足事件驱动的应用需求。STM32的优势是低功耗、高性能，程序在不同核之间的兼容性很好。基于Cortex-M3内核的STM32芯片比其他ARM系列芯片运行速度更快，性能也得到很大提高[2]。
2.1STM32最小系统
2.1.1电源控制电路
基于主控制器STM32F103RCT6的最小系统硬件电路包括电源电路、复位电路、晶振电路接口电路等。STM32处理器工作电压为2.0~3.6V，常用3.3V。通过内置的电压调节器为内核、内存和片上外设提供所需的1.8V电源。为了提高转换的精度，ADC使用一个独立的电源供电，过滤和屏蔽一些外部干扰。ADC的电源引脚为VDDA，独立的电源地VSSA当主电源VDD掉电后，可通过VBAT脚为实时时钟和备份寄存器提供电源，切换VBAT供电由复位模块中的掉电复位功能控制。
3STM32与SIM900A通讯链接方式
MAX232是TTL—RS232电平转换的典型芯片，按照芯片的推荐电路，取振荡电容为uF的时候，若输入为5V，输出可以达到-14V左右，输入为0V，输出可以达到14V，在扇出电流为20mA的时候，处处电压可以稳定在12V和-12V。因此，在功耗不是很大的情况下，可以将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用。RS232串口通信分配连接在USART2上，由PA2和PA3连接MAX3232电平转换芯片，以DB9针形座输出MAXA3232串口电路图2所示。
3.1SIM900A模块
SIM900A是ALIENTEK推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块。SIM900A模块板载是工业级GSM/GPRS模块：SIM900A，工作频段双频：900/1800Mhz，SIM900A模块支持RS232串口，并带硬件流控制，支持5~24V的超宽工作范围，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输[3]。GPRS模块采用内置HTTP协议的SIM900A作为数据传输工具，从而保证数据传输实时性和可靠性，而且非常经济实用。SIM900A模块的功能特性如表1所示。
3.2GPRS技术的优势
在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换的传输模式，使得原有的采用电路交换模式的GSM传输数据发生了根本变换，这在一定程度上解决了无限资源稀缺的问题。用户只有充分利用这些空隙，才能充分利用无线资源，从而提高信道利用率[4]。传输速率高，GPRS可提供高达115Kbits-1的数据传输速率。这意味着通过便携式电脑GPRS用户将可以获得和ISDN用户一样的快速上网浏览，使快速网络服务可以随时随地。接入时间短，分组交换接入时间小于1秒，能提供快速即时的连接。可以大幅度提高一些事物的效率，并使现有的Internet操作更加方便、快捷、流畅。GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议。支持X.25协议可使已经存在的X.25应用能够在GSM网络上继续使用。而且由于GSM网络覆盖面广，所以使得GPRS能够提供Internet和其他分组网络的全球性无线接入[6]。
3.3GPRSHTTP服务实现步骤
在本系统中，利用STM32串口2发送AT指令对SIM900A无线数据传输模块的工作状态进行控制。首先通过串口2与SIM900A串口相连接。启动STM32的`GPRS通信工作状态，串口波特率-9600，相应的AT命令控制GSM模块工作，详见下图5串口子程序流程图。AT+SAPBR=3，1“，Contype”“，GPRS”；//配置承载AT+SAPBR=3，1，“APN”，“CMNET”；//配置GPRS参数AT+SAPBR=1，1；//打开承载AT+SAPBR=2，1；//请求承载AT+HTTPINIT；//初始化HTTP协议AT+HTTPPARA=“CID”，1；//测试HTTP设置值AT+HTTPPARA=“URL”，“ninsword.sinaapp.com/get.php?data=%d%d.%d”//域名访问，提交数据AT+HTTPACTION=0；//HTTP激活方式：GET，上传数据由图3可见，该SIM900A系统实现了GPRSHTTP服务功能。我们通过该SIM900A系统向云服务器提交了传感器采集的机车工作状态的实时数据。
3.4系统通信方式与优势
机车远程数据传输系统通过GPRS无线数据模块发送到云服务器处理存储。服务器具有固定的IP，所以终端查询客户端可以在任何一台或多台计算机进行数据访问。服务器提供面向连接、可靠数据传输服务，能够实现发送应答机制，数据无差错、无重复的发送，且按发送顺序接收，数据传输系统本身就是可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足传输的要求。该方案使用范围广，费用低廉，稳定性强等优点来满足数据的传输[5]。
4系统方案实现
4.1数据中心的设计
数据中心的设计主要包括网络通信的实现，数据的接受与发送和数据库的管理及对传输终端的控制。在硬件启动之后，经过系统调度，主要包括：初始化、参数配置、建立连接、数据传输、断开连接五个组成部分。如图4所示，应用程序流程图。其中对通信配置主要步骤概括如下：（1）将GPRS模块的串口线与RAM的串口相连。（2）在调制解调器属性中输入AT命令，控制GPRS模块，完成系统的启动，获得GPRS内部固定的IP地址。（3）在计算机系统的调制解调器上重新建立一个新的拨号连接，并将之设为断线重拨模式。（4）成功登录GPRS网络之后，采用HTTP协议传输数据，进一步降低编程工作量并同时提高系统的稳定性。
4.2终端界面
设计的终端经过机车开始工作后，通过传感器采集到的数据监测机车田间的工作状态、温度、油耗等，在数据中心的界面进行监测[6-7]。如图5所示对温度测试。GSM模块定时发送采集到的数据，将作业状态、作业速度、地理位置信息实时上传给数据中心。机车工作中匀速行驶，远程数据采集以定时采集的模式向远程监测中心上传数据，时间间隔设定值最小为20s，最大达到24小时。这样作业时间间隔与实时间隔一致，使系统数据传输稳定性好，实时性强。机车作业过程中，远程数据中心通过读取数据采集器发送的地理位置信息，实时对机车进行作业轨迹的动态跟随（如图6所示）。
5结论
设计了机车远程数据传输系统，通过远程数据采集器收集到的数据实现了农业机械作业状态、收获面积、及地理信息的远程自动检测和自动上传；再次证明无线传输的稳定性、实时性及准确性。通过接入数据中心服务器与终端实现数据交互。基于STM32远程数据传输系统应用于田间机车，可实现一个易于操作和管理无线互联网平台，实现对机车控制和管理。机车工作时的作业时长、作业状态、速度、收获面积等参数的查询、调用与分析，实现田间机车的动态组合和机车管理，提高了田间作业机车的工作效率。
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