基于STM32橡膠園割膠作業信息平臺設計與實現*

鄧祥豐 ， 賈 倩 ， 黎土煜 ， 肖蘇偉 ， 王玲玲 ， 吳思浩

（1.中國熱帶農業科學院橡膠研究所，海南 海口 571101；2.國家重要熱帶作物工程技術研究中心機械分中心，海南 海口 571101）

天然橡膠是我國重要戰略物資，也是海南省熱帶農業發展的重要產業，傳統的割膠方式勞動強度大、技術要求高，隨著電動割膠刀的研制并逐步推廣應用，有效改善了膠工的作業條件。但目前電動割膠刀只在機械上實現了割膠作業功能，缺乏割膠作業相關數據信息的監測與反饋，無法為今后的農機補貼提供技術支撐。為使割膠作業精細化，本研究基于GPS技術，對4GXJ型電動割膠刀進行智能化升級，旨在為后期膠園信息化管理、作業補貼制定提供科學依據。將GPS模塊與電動割膠刀主控模塊進行有效耦合，研究并實現使用電動割膠刀作業路徑數據的動態采集和遠程傳輸，為實現使用電動割膠刀作業的信息化管理提供數據基礎。

1 系統架構設計

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設計情況，GPS模塊可與電源模塊進行耦合連接。由于膠刀主體的內部空間有限，除去傳動結構、電調開關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，并且在割膠作業的過程中，電源裝置是放置在收納包當中，即便GPS模塊需要進行結構設計上的改進，也不影響電動割膠刀整體的結構。這樣既保障了GPS模塊的電源供應，也有相對于電動割膠刀主體充足的空間實現安裝，如圖1所示。

圖1 電動割膠刀電源裝置與GPS模塊連接

1.2 數據信息采集與傳輸的框架設計

電動割膠刀的作業信息系統主要實現作業區域的位置信息采集、存儲、傳輸以及移動軌跡的繪制等功能，系統結構包括位置信息感知層、數據傳輸層和應用管理層，系統架構如圖2所示。

圖2 系統架構

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

2 系統硬件設計

2.1 整體結構的搭建

該定位終端主要實現檢測目標的位置信息提取，并將位置信息傳輸至云平臺，系統主要由定位終端和上位機兩部分組成，定位終端主要由以搭載在STM32單片機的BC20為核心的GPS定位模塊、通信模塊以及無線串口模塊組成，其中的數據傳輸均采用串行通信實現。位置檢測模塊主要實現定位數據的獲取，若該定位終端位于基站覆蓋范圍內，則可通過BC20將定位信息上傳，若未在基站覆蓋范圍內，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]。

本設計采用BC20模塊來實現位置信息的獲取，BC20模塊與STM32單片機通過串口相連，STM32微處理器向BC20模塊發送AT指令，對BC20模塊進行定位方式選擇的控制，BC20模塊將采集的數據發送給STM32單片機，從而獲取到具體的位置信息。通常STM32單片機集成有5路串口，在本設計中使用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。UART1為BC20模塊的主串口，用于AT指令的傳送、GPS數據的傳輸，通過該串口將AT指令傳送到BC20模塊，收到指令后BC20模塊進行解析，并將采集到的數據通過該串口傳輸到STM32單片機，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，若檢測不到目標的位置信息，微處理器將通過打開基站定位的方式，將目標位置信息快速上傳至人機界面上，確保在任何情況下能夠檢測到目標的具體位置。

圖3 定位檢測流程

2.2 主控板的設計

基于GPS技術的4GXJ型電動割膠刀優化升級，所應用到的配件主要有STM32單片機開發板、GNSS有源天線、USB數據通信線、串口調試與下載程序、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

4GXJ-2型電動割膠刀的位置信息監測與作業軌跡繪制的實現，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，硬件架構如圖5所示。主控板STM32使用單總線協議讀取來自串口協議，采集到的數據幀由STM32單片機進行解析并轉化為定位信息，并通過通信模塊的串口將數據上傳至OneNET服務器平臺，最終實現移動軌跡的繪制以及位置信息的獲取與記錄[14]。

圖5 硬件架構圖

3 軟件系統設計

3.1 通信協議的選擇

在數據傳送上，BC20通信模組可經過HTTP協議將數據發送至網頁終端，通過MQTT/LWM2M協議將數據發送至OneNET平臺。本研究選擇OneNET平臺作為系統的搭載平臺，通過LWM2M協議進行GPS終端與OneNET平臺之間的數據傳輸[15]。

3.2 位置信息數據的獲取

通過USB數據串接口將STM32單片機與PC端連接通電，并在軟件中啟動BC20的控制程序，激活GPS模塊與衛星的定位，如圖6所示。由于需要通過搜星來獲取衛星信息，因此在剛進行激活時顯示界面產生延時，位置獲取的響應較慢。在進行位置信息采集時，要將信號線裸露在外界，以此來保持數據信號傳輸的穩定性。

圖6 GPS經緯度位置信息顯示

程序運行后，微處理器通過串口向BC20模塊發送打開GPS定位方式的指令AT+QGNSSC=1，模塊開啟GPS定位。開啟GPS定位后，模塊能快速返回GPS數據，顯示經緯度信息。使用GPS模塊檢測到的測試位置信息為東經110.193 763°、北緯19.590 056°，使用百度網頁坐標拾取系統獲取到的檢測地點經緯度信息為東經110.194 851°、北緯19.591 017°。根據經緯度換算度分秒法則，東經110.193 763°=110°11′37″、北緯19.590 056°=19°35′24″；同理，實際經緯度信息換算后為東經110°11′41″、北緯19°35′27″[16]。根據兩點經緯度距離公式可知，使用設備檢測到的位置與實際位置的偏差范圍較小。

3.3 平臺數據傳輸的實現過程

將GPS定位傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器與單片機主板連接，USB 電源給系統供電，串口調試工具QCOM界面顯示串口的打印輸出，波特率設置為115 200 bit/s。通過NB-IoT通信模組將開發板與OneNET平臺連接，平臺接收到通信模組的移動SIM卡的狀態、信號質量、注冊狀態，從而實現數據互聯互通。

OneNET平臺收到終端發出的消息后，推送topic（Qos0級別）到相關的訂閱設備，待平臺顯示訂閱成功后，OneNET 平臺與終端設備可以互聯互通。通過API調用，并采用HTTP協議將所獲得的位置信息接入OneNET平臺，從而實現電動割膠刀作業狀態的信息讀取，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

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型電動割膠刀內部空間結構的分析，選取出適合與GPS模塊耦合的部位。

2）完成GPS信息定位數據的采集。目前已根據GPS模塊的功能特征，初步解析位置定位的傳輸與反饋模式，對相關的數據信息進行采集并由PC端將具體的經緯度參數顯示出來，從而獲取目標區域較為詳細的位置信息。

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