農機作業數據采集系統設計與研究

蘇州工業園區工業技術學校 謝留婉

農機作業數據采集系統設計與研究

蘇州工業園區工業技術學校 謝留婉

本文基于農機信息化管理系統中涉及到的農機作業數據需求進行了分析，確定出農機作業數據采集系統的整體設計方案。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機作業數據采集系統的設計與研究。

農機、GPS；數據采集；SIM928A；GPRS；STM32F103

1 引言

近年來國家大力發展智慧農業，要求全面提高農業信息化水平。農業管理部門提出，首先要求能對農機進行信息化管理，實現農機的在線化、數據化、管理高效化和服務便捷化的基本目標，生產智能化邁上新臺階，實現后端的管理能與前端的機主實現信息互通，實現農機與與管理人員的實時互動，有力支撐農機現代化水平的提升[1]。

農機作業數據采集系統作為農機信息化管理平臺的前端裝置，具體要求是能實時提供農機作業位置區域準確定位數據；能對農機作業質量情況實時監測；能對農機作業有效面積準確測量；能實現農機前端與后端管理后臺實時信息互通；以及能對采集數據進行有效備份等。

農機作業數據采集系統功能需求分析：

1.農機作業位置區域準確定位：目前比較成熟的技術就是依托于全球衛星定位系統GPS，實時提供準確的定位經緯度數據來進行農機作業區域位置定位。

2.農機作業情況實時檢測：可通過位移檢測傳感器，實時檢測農機作業農耕器具的工作狀態，實現對農機作業是否達標進行測量；另外可通過加裝高清攝像頭，對作業現場進行定時抓拍，實現遠程實時查看現場作業情況。

3.農機作業面積測量：農機數據采集系統實時提供有效的GPS定位數據，管理后臺描繪實時的農機作業軌跡，實現有效作業面積的統計。

4.農機前端與后端管理后臺信息互通：考慮到數據的通信要求，目前比較成熟的是可采用基于蜂窩網數據的無線通信技術，實現前端采集端與后臺管理服務器系統間的遠程數據傳輸。

5.農機作業數據本地存儲：作為數據遠程傳輸時的備份，避免在遠程傳輸數據失敗時造成作業數據的丟失。

2 系統設計方案

農機信息化管理系統主要架構是，由前端數據采集系統，通過相關傳感器對農機作業情況實時監測，將農機作業數據進行存儲，并依托于蜂窩網進行數據通信傳輸，通過Internet連接至農機信息化管理服務器，最終實現農機信息化管理。

本次主要對前端農機作業數據采集系統進行研究，確定系統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，實現對農機作業工作狀態的檢測，同時借助高清攝像頭，對現場工作情況進行抓拍，把農機耕作時的現場工作狀態進行記錄保存。系統自動根據農機作業狀態，實時獲取GPS模塊上經緯度坐標數據，實現對作業區域精確定位，并通過GPRS模塊，實現前端控制器與后臺服務器聯網通信，實現前端與后端的數據交換，最終將前端采集的農機作業數據保存在后臺服務器，便于后臺管理系統跟蹤分析，統計數據。以下將根據系統設計方案，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內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條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，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網絡傳輸數據、語音、短消息、傳真，具備工業標準接口和GPS功能，可應用于車載監控等領域[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量、數據格式和傳輸方式[4]。考慮到本方案中網絡傳輸是基于2G網的GPRS通信，數據傳輸量不能太大，故采用CIF低碼率傳輸。

2．1．4 硬件電路組成

根據設計功能要求及技術指標要求，系統設計采用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，來進行對農機的精確定位、以及數據上報通信等功能，采用位移傳感器檢測農機具的耕作作業工作狀態，為了能直觀掌握農機現場的作業情況，需要配備OV7670攝像頭實現對現場作業情況進行定時抓拍，另外為了保障采集數據的不被丟失，系統集成有Micro SD Card，用以將數據即時本地保存，同時再配置一塊TFT3.2寸全彩信息顯示屏，可以將系統工作狀態進行實時顯示，系統電源需要從農機上的蓄電池取出，由于不同農機上蓄電池供電電壓不同，考慮到系統能安裝適用于各種不同的農機，所以需要設計一個能適應輸入寬電壓范圍9V～36V輸入的穩壓電源?？紤]以上這些需求，具體設計系統硬件電路主要包含由開關電源模塊、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。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

硬件電路主要功能模塊介紹：

單片機控制核心模塊：采用高速穩定型STM32F103系列單片機，主要負責各模塊的協調控制，如：對位移傳感器檢測，實訓對農機作業狀態實時判斷；對攝像頭進行圖像數據采集保存；讀取GPS模塊的實時定位數據，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，主要負責數據遠程通信，單片機將需要傳輸的定位數據，以及農機工作狀態信息等發送至后臺服務器端，為后續數據的后臺存儲，以及數據統計分析提供可能。

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構，通過串口實現與單片機數據交互。具體功能是實現對農機進行實時精確定位，系統實(2)仿真參數設置及其運行

設置仿真參數的“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”仿真結果

3 小結

電機與拖動涉及到電和磁的內容，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。