森林檢測小車的GPRS 系統設計

李嘉鵬 王心愉 蔣雨龍 李丹丹* 王仕臣

（東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著社會的進步，計算機信息技術的發展，智能科技代替人工人力的技術越來越成熟，自動化、信息化的發展使得工作的完成更高效、更經濟。當前GPRS 技術已經非常成熟，基于GPRS 的無線通訊技術使得我們在進行數據傳輸有了技術保證。

智能檢測小車，是基于計算機科學發展誕生的一種檢測工具?；谝陨蟽热荩豢罨贕PRS 技術的無線傳輸系統設計能夠滿足技術的監控和數據的反饋，使用GPRS 無線通訊模塊使得將在小車移動過程中可以根據各個傳感器中的數據及時進行反饋，單片機實現實時收集、存儲、處理、監控、反饋相關數據，進行可靠傳輸。通過當前人們熟悉的GPRS 傳輸模塊與單片機相結合，進行數據檢測與處理，實現森林防火與預警。

1 GPRS 傳輸系統總體設計

基于GPRS 的數據傳輸系統采集的數據包括溫度數據、肥力數據、火災預警等數據收集。硬件系統總體框圖如圖1。

圖1 硬件系統總體框圖

本設計運用STM32 結合GPRS 無線通訊模塊完成對溫度、肥力信息、火災預報等數據的監控與傳輸，通過數據的接收，單片機對數據進行處理，然后通過GPRS 模塊將數據傳送。在進行數據收集是應該注意即使進行數據更新，從而保持傳送數據的實時性，本設計中采用SIM800A 模塊，該模塊有綜合的功能能夠保證高效的數據傳輸。

2 GPRS 總體設計

本系統計主要使用STM32-F103-VET6 進行實現。GPRS 技術運用分組交換技術，即將一個報文分成若干小的分組，然后進行存儲下來后查找轉發表，轉發到下一個結點，其相比于傳統采用電路交換的GSM 來說，速度更快，延時更小，準確性更高。使用GPRS 模塊為SIM-800A，SIM800A 模塊可支持4 頻GSM/G PRS，工作頻段為GSM 850MHZ、EGSM 900MHZ、DCS 1800MHZ 和PCS 1900MHZ。

本系統由三個部分組成：數據采集模塊、數據收發單元、作為數據處理的上位機。其中數據采集運用各類傳感器采集溫度、濕度、土壤信息等，數據處理部分運用STM32 單片機，通過單片機上的GPRS 模塊使得每一個采集模塊得到的數據發送給上位機，上位機位于監控室的PC 端，從而進行數據的存儲、處理、分析。

2.1 傳感器數據收集

（1）本設計所使用濕度傳感器為RS485 數字傳感器，它會把溫度轉化為對應范圍的二進制代碼，比如傳感器的測溫范圍是0 到100°，那對應輸出的二進制代碼是0x00 到0xFF，因為已經是數字信號，單片機可以直接識別[3]。

（2）本設計所用超聲波傳感器為US-100 超聲波測距模塊，該模塊性能穩定，測度距離精準，模塊高精度，盲區小，遮擋物面積一般應大于0.5 平方米，切不可太薄。測距模塊的原理圖如圖2 所示。

圖2 US-100 超聲波測距模塊

本模塊中觸發信號由Trig 端口從單片機想超聲波模塊發出，告訴超聲波測距模塊一個測距信號，超聲波測距模塊接收到信號后，超聲波模塊會發出8 個40kHZ 的方波，檢測是否有信號返回，如果有信號返回，Echo 會給單片機輸入回響信號，為高電平信號，且輸出的時間與檢測距離成比例，因此用公式，可以將信號返回時間換算成兩者間的距離，通常將測量周期設置為60ms 以上，防止發射信號對回響信號產生影響。

因為兩種模塊均采用RS485 進行串口通訊，RS485 是半雙工的工作方式，但是可以做到多個發送多個接收，即掛在總線上的設備都可以進行發送跟接收通過對單片機進行控制，進而控制單片機對ROM進行編輯當作程序存儲器，存儲數據。

2.2 GPRS 數據傳輸

在采集裝置中，STM32 通過向GPRS 模塊串口發送AT 指令，控制所采集到的信息的無線傳輸。GPRS 模塊數據傳輸程序設計包括模塊初始化、建立連接、數據發送、關閉連接的過程。

在本設計中，與GPRS 模塊相連的為STM32 的USART4 串口，微控制器經串口控制現場通信模塊和GPRS 模塊的工作。具體圖示如圖3 所示。

圖3 GPRS 與Internet 連接示意圖

其中當模塊啟動的時候主控器通過AT 指令與SIM800A 模塊完成通信連接。STM32 主控器通過返回確認值確定SIM32 的工作狀態，完成網絡注冊程序。

當GPRS 出現數據傳輸異常的情況發生時，比如TCP 發送數據錯誤或者TCP 連接中斷，則用“AT+CIPCLOSE”指令關閉鏈接，然后用“AT+CIPSTART”新建鏈接，此過程可重復進行兩次；如果仍有錯誤發生，則使用“AT+CIPSHUT”關閉PDP 上下文然后重新建立鏈接。如果上述兩種方法仍無法解決傳輸異常的問題，保存采集數據于芯片中，然后對模塊進行重啟，下次重新建立連接，續傳斷點數據。

GPRS 數據接收的系統通過設計上位機數據接收軟件，用于實現上位機與下位機間的數據傳遞與交換。其中數據接收軟件采用Python/C 語言開發，軟件開發環境為Pycharm。Pycharm是Python 語言軟件開發工具包并適用于多種環境，數據接收軟件的功能用來進行采集數據收集裝置的數據幀，同時配置采集裝置的信息，進而完成采集周期，脈沖設置等參數的設定。采集裝置與接收軟件的數據交互及信息配置數據包有：采集裝置的請求數據包、數據接收軟件的周期配置數據包、采集裝置采集的實時數據包、數據接收軟件的確認接收數據包等。數據接收軟件最終將交互數據存于log 文件中，用于數據展示、分析、查詢等，GPRS 的數據傳輸系統流程圖如圖4 所示。

為了實現與信息采集裝置的數據交互，數據接收軟件需要具備的功能有：初始化并配置文件讀寫、連接采集裝置監聽客戶端、數據接收線程以及數據回復線程、數據存儲、數據動態顯示還有日志記錄等。

圖4 GPRS 的數據傳輸流程圖

數據接收軟件將解析后的有用數據存入數據庫中來以供日后數據調取和數據分析之用，并展示出所得的數據，然后進行。數據接收軟件對檢測到的信息進行分類存儲，包括空氣溫濕度，土壤ph 值，土壤氮磷鉀肥力的數據等。

數據發送和接收需注意兩點：

（1）在數據發送/接收時要應用USART_Get Flag Status()函數檢查USART4 的狀態，只有等到數據發送或接收完畢之后才能進行下一幀數據的發送或接收。

（2）在數據發送開始前，需清除USART4 的標志位，否則會第1 位數據會丟失。

2.3 系統主程序設計

圖5 程序設計流程

程序的主要流程圖如圖5 所示。STM32F103 單片機作為整個系統的核心控制部分，主要采集、處理和傳輸傳感器傳輸過來的數據，STM32F103 單片機帶有數模轉換通道，由數模轉換通道再由單片機上的GPRS 傳輸模塊，將數據傳輸給上位機，上位機再進行存儲與處理，單片機可以自動判斷當前的具體情況，進行判斷，判斷數據是否達到設定數值，然后進行報警，通過單片機的數據處理進而得到相應的狀態分析，進而使得總系統做出相應的反應。

GPRS 模塊與單片機之間采用串口通信、分組交換，當傳感器采集到的數據，通過單片機的分析與處理后，由單片機已經編寫好的程序進行數據的處理，得出是否需要進行警報，并把數據傳給上位機。

2.4 超聲波傳感器程序設計

本系統中采用的主要傳感器為超聲波測距傳感器，采用HC-SR04 模塊工作電壓3～5.5V。在5V 工作電壓下，探測距離為2～450cm。在3.3V 工作電壓，探測范圍為2～400cm。使用方法為接通VCC 和GND，出發引腳接提供超過10 微秒的電頻，發射端將發射脈沖，遇到障礙物反射后接受，經過芯片處理，在回收引腳會場生一段時間高電平。經過單片機可以計算出超聲波發射到接受過程需要的時間，根據聲速可以算出距離。用來進行距離的測量和路徑的規劃，超聲波傳感器為數字信號的輸出，將超聲波測距模塊的輸出信號，直接輸出給單片機，單片機通過GPRS 模塊把從超聲波傳感器所獲得的信號，進行放大、處理、判斷、傳輸，進而使得單片機做出相應的動作，從而完成對于從障礙物的避障。

3 結論

本論文使用STM32F103X 系列作為控制板，實現上位機與下位機之間的通訊，通過GPRS 模塊進而實現對于兩者之間的數據傳輸，GPRS 為現在常用的遠距了，離通訊模塊，當兩個模塊成功配對的時候，即可進行兩者間的無線通訊，通過使用GPRS 傳輸故模塊即可解放勞動力，減少人力資源，解放生產力，智能化的現代林場的管理，改善了林區檢測范圍大，人力投入多的現狀，本文也有需要改進的地方，例如通過使用更高端的通訊方式，例如使用5G+技術，使得林區作業可以進行更為精確的操作，林區網上育種是一個更好的發展方向。