基于STM32橡膠園割膠作業(yè)信息平臺設(shè)計與實現(xiàn)*

鄧祥豐 ， 賈 倩 ， 黎土煜 ， 肖蘇偉 ， 王玲玲 ， 吳思浩

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，海南 海口 571101；2.國家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心機(jī)械分中心，海南 海口 571101）

天然橡膠是我國重要戰(zhàn)略物資，也是海南省熱帶農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的割膠方式勞動強(qiáng)度大、技術(shù)要求高，隨著電動割膠刀的研制并逐步推廣應(yīng)用，有效改善了膠工的作業(yè)條件。但目前電動割膠刀只在機(jī)械上實現(xiàn)了割膠作業(yè)功能，缺乏割膠作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測與反饋，無法為今后的農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼提供技術(shù)支撐。為使割膠作業(yè)精細(xì)化，本研究基于GPS技術(shù)，對4GXJ型電動割膠刀進(jìn)行智能化升級，旨在為后期膠園信息化管理、作業(yè)補(bǔ)貼制定提供科學(xué)依據(jù)。將GPS模塊與電動割膠刀主控模塊進(jìn)行有效耦合，研究并實現(xiàn)使用電動割膠刀作業(yè)路徑數(shù)據(jù)的動態(tài)采集和遠(yuǎn)程傳輸，為實現(xiàn)使用電動割膠刀作業(yè)的信息化管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 定位裝置的安裝方案選取

通過分析4GXJ-2型電動割膠刀的整機(jī)設(shè)計情況，GPS模塊可與電源模塊進(jìn)行耦合連接。由于膠刀主體的內(nèi)部空間有限，除去傳動結(jié)構(gòu)、電調(diào)開關(guān)等部件已無空間容納GPS模塊，只能將其外置，且GPS模塊的天線需要裸露于外部傳送與接收來自衛(wèi)星的信號[1-3]。因此，選擇將GPS模塊安裝位置與電動割膠刀的電源裝置相連接，在電源裝置處仍保留一定的空間余量，并且在割膠作業(yè)的過程中，電源裝置是放置在收納包當(dāng)中，即便GPS模塊需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計上的改進(jìn)，也不影響電動割膠刀整體的結(jié)構(gòu)。這樣既保障了GPS模塊的電源供應(yīng)，也有相對于電動割膠刀主體充足的空間實現(xiàn)安裝，如圖1所示。

圖1 電動割膠刀電源裝置與GPS模塊連接

1.2 數(shù)據(jù)信息采集與傳輸?shù)目蚣茉O(shè)計

電動割膠刀的作業(yè)信息系統(tǒng)主要實現(xiàn)作業(yè)區(qū)域的位置信息采集、存儲、傳輸以及移動軌跡的繪制等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括位置信息感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用管理層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

首先，GPS模塊采集所在位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并在本地進(jìn)行存儲；其次，通過NB-IoT模塊將位置信息傳送到OneNET數(shù)據(jù)管理云平臺；最后，云平臺數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。其中位置信息感知層以STM32為應(yīng)用控制核心，包括GPS模塊、電源模塊、存儲管理、應(yīng)用接口及外圍控制電路等；無線通信NB-IoT模塊主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸功能；云平臺應(yīng)用管理軟件包括PC端應(yīng)用管理軟件和移動端應(yīng)用管理軟件[4-9]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)的搭建

該定位終端主要實現(xiàn)檢測目標(biāo)的位置信息提取，并將位置信息傳輸至云平臺，系統(tǒng)主要由定位終端和上位機(jī)兩部分組成，定位終端主要由以搭載在STM32單片機(jī)的BC20為核心的GPS定位模塊、通信模塊以及無線串口模塊組成，其中的數(shù)據(jù)傳輸均采用串行通信實現(xiàn)。位置檢測模塊主要實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的獲取，若該定位終端位于基站覆蓋范圍內(nèi)，則可通過BC20將定位信息上傳，若未在基站覆蓋范圍內(nèi)，可采用無線串口模塊作為輔助通信手段將定位信息上傳[10-12]。

本設(shè)計采用BC20模塊來實現(xiàn)位置信息的獲取，BC20模塊與STM32單片機(jī)通過串口相連，STM32微處理器向BC20模塊發(fā)送AT指令，對BC20模塊進(jìn)行定位方式選擇的控制，BC20模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)，從而獲取到具體的位置信息。通常STM32單片機(jī)集成有5路串口，在本設(shè)計中使用3個串口。將UART2和UART3與無線傳輸模塊相連，將位置信息上傳至上位機(jī)。UART1為BC20模塊的主串口，用于AT指令的傳送、GPS數(shù)據(jù)的傳輸，通過該串口將AT指令傳送到BC20模塊，收到指令后BC20模塊進(jìn)行解析，并將采集到的數(shù)據(jù)通過該串口傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)，具體流程如圖3所示[13]。定位開啟后，微處理器通過串口向BC20模塊發(fā)送打開GPS定位方式的指令，模塊開啟GPS定位，若檢測不到目標(biāo)的位置信息，微處理器將通過打開基站定位的方式，將目標(biāo)位置信息快速上傳至人機(jī)界面上，確保在任何情況下能夠檢測到目標(biāo)的具體位置。

圖3 定位檢測流程

2.2 主控板的設(shè)計

基于GPS技術(shù)的4GXJ型電動割膠刀優(yōu)化升級，所應(yīng)用到的配件主要有STM32單片機(jī)開發(fā)板、GNSS有源天線、USB數(shù)據(jù)通信線、串口調(diào)試與下載程序、DC 5V 2A電源適配器、SIM卡等，如圖4所示。

圖4 主控板STM32單片機(jī)

4GXJ-2型電動割膠刀的位置信息監(jiān)測與作業(yè)軌跡繪制的實現(xiàn)，以STM32主控板為搭載核心，BC20模塊為通信渠道，其中包括GNSS無線通信模塊、NB-IoT通信模塊及供電模塊等部分，硬件架構(gòu)如圖5所示。主控板STM32使用單總線協(xié)議讀取來自串口協(xié)議，采集到的數(shù)據(jù)幀由STM32單片機(jī)進(jìn)行解析并轉(zhuǎn)化為定位信息，并通過通信模塊的串口將數(shù)據(jù)上傳至OneNET服務(wù)器平臺，最終實現(xiàn)移動軌跡的繪制以及位置信息的獲取與記錄[14]。

圖5 硬件架構(gòu)圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 通信協(xié)議的選擇

在數(shù)據(jù)傳送上，BC20通信模組可經(jīng)過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)頁終端，通過MQTT/LWM2M協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET平臺。本研究選擇OneNET平臺作為系統(tǒng)的搭載平臺，通過LWM2M協(xié)議進(jìn)行GPS終端與OneNET平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸[15]。

3.2 位置信息數(shù)據(jù)的獲取

通過USB數(shù)據(jù)串接口將STM32單片機(jī)與PC端連接通電，并在軟件中啟動BC20的控制程序，激活GPS模塊與衛(wèi)星的定位，如圖6所示。由于需要通過搜星來獲取衛(wèi)星信息，因此在剛進(jìn)行激活時顯示界面產(chǎn)生延時，位置獲取的響應(yīng)較慢。在進(jìn)行位置信息采集時，要將信號線裸露在外界，以此來保持?jǐn)?shù)據(jù)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

圖6 GPS經(jīng)緯度位置信息顯示

程序運(yùn)行后，微處理器通過串口向BC20模塊發(fā)送打開GPS定位方式的指令A(yù)T+QGNSSC=1，模塊開啟GPS定位。開啟GPS定位后，模塊能快速返回GPS數(shù)據(jù)，顯示經(jīng)緯度信息。使用GPS模塊檢測到的測試位置信息為東經(jīng)110.193 763°、北緯19.590 056°，使用百度網(wǎng)頁坐標(biāo)拾取系統(tǒng)獲取到的檢測地點經(jīng)緯度信息為東經(jīng)110.194 851°、北緯19.591 017°。根據(jù)經(jīng)緯度換算度分秒法則，東經(jīng)110.193 763°=110°11′37″、北緯19.590 056°=19°35′24″；同理，實際經(jīng)緯度信息換算后為東經(jīng)110°11′41″、北緯19°35′27″[16]。根據(jù)兩點經(jīng)緯度距離公式可知，使用設(shè)備檢測到的位置與實際位置的偏差范圍較小。

3.3 平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程

將GPS定位傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器與單片機(jī)主板連接，USB 電源給系統(tǒng)供電，串口調(diào)試工具QCOM界面顯示串口的打印輸出，波特率設(shè)置為115 200 bit/s。通過NB-IoT通信模組將開發(fā)板與OneNET平臺連接，平臺接收到通信模組的移動SIM卡的狀態(tài)、信號質(zhì)量、注冊狀態(tài)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。

OneNET平臺收到終端發(fā)出的消息后，推送topic（Qos0級別）到相關(guān)的訂閱設(shè)備，待平臺顯示訂閱成功后，OneNET 平臺與終端設(shè)備可以互聯(lián)互通。通過API調(diào)用，并采用HTTP協(xié)議將所獲得的位置信息接入OneNET平臺，從而實現(xiàn)電動割膠刀作業(yè)狀態(tài)的信息讀取，web端的顯示界面如圖7所示[17-18]。

圖7 信息平臺顯示

4 總結(jié)

1）完成電動割膠刀的主控模塊與GPS模塊的集成。通過對4GXJ-2型電動割膠刀內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的分析，選取出適合與GPS模塊耦合的部位。

2）完成GPS信息定位數(shù)據(jù)的采集。目前已根據(jù)GPS模塊的功能特征，初步解析位置定位的傳輸與反饋模式，對相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集并由PC端將具體的經(jīng)緯度參數(shù)顯示出來，從而獲取目標(biāo)區(qū)域較為詳細(xì)的位置信息。

3）通過本研究可繪制割膠作業(yè)行走路徑軌跡并在終端上進(jìn)行反饋，也為后期膠園信息化管理、作業(yè)補(bǔ)貼制定提供依據(jù)。