基于ARM的農機作業信息遠程傳輸系統設計與實現

龐國紅

（遼寧省昌圖縣亮中橋鎮農業綜合服務中心，遼寧 鐵嶺 112524）

隨著信息技術的發展，各種高新技術被廣泛應用于農業生產中，以有效收集農業生產環境的信息，推動農業農村現代化。農機作業信息遠程傳輸系統采用GPS/BDS衛星定位技術，將設計信息傳輸到遠程監控平臺，目前國外大型農業機械基本上都安裝了遠程實時監控系統，通過無線通信網絡向監控中心服務器實時傳輸。我國在主要農機作業環節應用智能監控裝備，有學者研究采用LPC2368芯片設計農機作業狀態監控系統，數據傳輸成功率為98.3%；實踐證明，該產品功能過于單一，無法滿足客戶的需求，農機作業于偏僻農田環境，無線網絡覆蓋面較小，采集作業信息無法傳輸到遠程監管平臺。因此，研究一種具有補傳機制的農機作業信息遠程傳輸系統非常重要。

1 農機作業信息遠程傳輸系統技術

隨著科技的進步，人們對農產品質量的要求越來越高，傳統農業種植方式不能滿足現代社會的需求[1]。當前我國設施農業溫室大棚廣泛應用，但大部分采用傳統手工測試控制方式，由于工業機使用成本價格昂貴，給農業生產應用帶來很大不便，利用嵌入式集中器作為主控制器是適宜的選擇。農機作業信息遠程傳輸系統可以有效提高農技人員的積極性，在未來農業發展中具有重要的科研價值。

農機作業信息遠程傳輸系統研究有助于改善傳統生產管理技術落后情況，提高我國農業的核心競爭力[2]。嵌入式系統是以應用為中心對系統可靠性等嚴格規定的計算機專用系統，嵌入式系統被廣泛應用于工控網絡設備、環境監測等多個領域，嵌入式系統結構包含板載硬件、嵌入式應用程序等，應用程序和操作系統構成系統軟件部分。嵌入式系統具有芯片集成度高、響應速度快等特點，目前全球嵌入式操作系統已有200多種，隨著嵌入式領域的發展，許多商業嵌入式操作系統有大量開放源碼操作系統。嵌入式操作系統的選擇是前期設計的重要工作，選用系統應考慮操作系統對硬件的支持，選擇滿足應用需求的操作系統非常重要。嵌入式系統軟件平臺由嵌入式操作系統和應用軟件組成。嵌入式處理器主頻通常為40 MHz，常見的嵌入式系統有μClinux、PalmOS等[3]。處理器帶有MMU可以從硬件上將應用程序分開編譯管理，沒有MMU的處理器經常應用程序操作系統編譯運行。ARM處理器被廣泛應用于無線通信、網絡產品等領域，以ARM技術的微處理器應用占據32位RISC微處理器約75%以上市場份額，采用RISC架構的ARM微處理器具有低成本、高性能的特點，可兼容8位/16位器件，大多數數據操作在寄存器中完成。以ARM為內核的處理器不斷增多，選擇開發基于ARM的嵌入式系統需要合理選擇微處理器。

2 農機作業信息遠程傳輸系統設計

現代化農業基于精細農業的理念，農田中的溫濕度等特性隨著時空變化，目前采用統一管理模式容易造成資源浪費、低效率等問題，采用精細農業確定合適的管理決策可以降低消耗，實時監測農田的溫濕度、降雨量等參數，保證農產品優質高產[4]。精細農業管理方式需要獲得農作物生長環境信息數據，根據收集到的數據作業、決策、施肥等。隨著傳感器技術及通信半導體技術的發展，可集成信息采集等多種功能，打破傳統計算機設計模式，為農業信息化發展奠定基礎。借助工業監測領域技術設計農機作業信息遠程傳輸系統，使系統集成性、穩定性與現場可操作性大幅度提高。控制系統整體設計框圖如圖1所示。

圖1 控制系統整體設計框圖

傳統農機作業遠程信息傳輸系統采用人工方式控制環境，由于人為因素影響降低了控制效率。研究設計基于ARM的農機作業信息遠程傳輸系統，設計作業信息補傳系統，對數據遠程傳輸模塊、CAN總線通信模塊等進行設計與實驗驗證。遠程傳輸系統設計包括作業圖像采集模塊、衛星定位模塊等[5]。CAN總線通信模塊與機具作業數據采集系統連接，設計遠程傳輸系統發出作業數據，如植保機的噴霧流量等。作業圖像采集模塊負責作業機具的圖像數據采集，控制器負責將收集的時空信息與作業數據信息進行解析整合，實現各種類型農業機具作業信息的遠程傳輸。農機作業信息遠程傳輸系統由多個硬件平臺和軟件組成，設計包括嵌入式集中器子系統、智能手機App子系統等。系統功能劃分包括集中器管理子系統與手機App管理子系統等模塊，PC機服務器子系統分為數據存儲查詢、溫室數據曲線變化等，集中器子系統包括數據采集單元、設備控制單元等。

3 基于ARM的農機作業信息遠程傳輸系統的實現

農業是人類生存發展的基礎，現代農業應用新技術可以使操作者獲取實時數據，功能模塊優化等方面更加智能，對影響作物生長環境因素實現智能采集判斷。實現農業生產信息化發展中必須有效控制相關因素數據采集，采取有效保護措施減少不利因素造成的損失[6]。農機作業信息傳輸系統可有效指導農業生產作業，基于ARM的農機作業信息傳輸系統將傳感器掛接于環境現場作為監測點，通過外圍電路配置各種應用接口檢測環境信息，將采集數據融合傳輸到客戶端實現遠程監測。

3.1 農機作業信息遠程傳輸系統硬件

現代科技快速發展使得各種新型設備在農業生產中得到普及，新技術可以使功能模塊優化等方面更加智能化，對影響農業作物生長環境因素實現智能采集，采取有效保護措施克服人為因素造成的弊端，充分發揮智能化帶給農業生產的經濟效益[7]。通過溫濕度傳感器等組成多傳感器模塊，對信息進行歸一化處理，通過網絡通信模塊將信息發送至手機端。系統服務端包括傳感器和通信模塊，客戶端向服務器發出請求處理時，數據請求通過HTTP POST方法發送。

系統硬件設計分為器件選型與原理圖PCB設計，硬件部分模塊組成包括主芯片電路、作業數據采集系統等。針對系統對多種通信接口需求，芯片采用Cortex-M3內核，內部擁有資源包括3個SPI等，帶有4個片選的靈活靜態存儲器控制器，支持SRAM、NAND存儲器等[8]。作業圖像采集模塊通過串口攝像機采集農機田間作業圖像，選用JP-C38CK型串口攝像頭，可輸出標準JPEC/M-JPEG格式的圖像，可實現自動曝光、白平衡與增益控制。波特率設置為9 600 bps。研究設計遠程傳輸系統需要通過通信接口辨取監測系統采集的作業數據，選用CAN總線作為農機作業數據采集的接口。主芯片STM32F103支持標準CAN2.0B通信，選用SN65HVD233芯片作為CAN收發器，允許120個節點保護，具有容錯接地保護等功能。為降低系統成本選用集成化SIM808模塊實現遠程傳輸功能，SIM808是GSM+GPS+藍牙組合模塊，SIM808的GPRS上行傳輸最大速率達85.6 kbps，定位準確性10 ns，控制器通過發送AT命令對SIM808進行控制。

3.2 農機作業信息遠程傳輸系統軟件

研究SIM808與遠程平臺端通過TCP/IT協議進行數據傳輸，傳輸數據幀包括作業滿型、校驗碼和幀尾等，檢驗遠程傳輸系統發送數據的有效性，作業滿型用于區分不足作業環節的數據，設備ID用于區分作業類型下的不同設備；作業數據長度不固定，包含作業時空與數據信息等，空間信息經緯度按照ASCII碼格式發送[9]；深松作業發送具體時間從定位模塊中讀取，故障狀態用于平臺判斷機具端的故障，具體故障類型可查詢對應的故障代碼說明。

系統軟件采用Keil uVision5開發，系統上電后進行CAN模塊初始化操作，通過串口1讀取SIM808定位模塊的時空信息，與CAN通信讀取作業數據按遠程傳輸協議進行融合，根據連接遠程平臺設置平臺域名，連接失敗將數據信息存儲到本地NOR Flash芯片中[10]，連接成功后判斷是否存在需要補傳的數據信息。設計農機作業信息傳輸系統在農業機械科研院所遠程監管平臺應用，系統可靠測試時遠程傳輸系統安裝在拖拉機上，遠程服務器通過網絡調試助手設置IP地址，發送數據幀內包含數據的幀序號，累計發送1 000幀數據后停止實驗，記錄遠程傳輸系統發送數據。仿真結果表明，該農機作業信息遠程傳輸系統數據丟包率不超過0.2%，產生數據丟包的原因是平臺網絡環境波動。

4 結語

綜上所述，農機作業信息遠程傳輸系統可有效指導農業生產作業，人工采集記錄站點操作方式工作量大，系統用于有線通信下的信息傳輸，農業溫室中伴隨環境因素往往導致電纜老化等問題出現，系統采用實時通信網絡進行數據傳輸，可以滿足農業生產中對準確性的需求。筆者設計的基于ARM的農機作業信息遠程傳輸系統結構精簡，可實現農機作業數據空間信息遠程傳輸，保證田間GPRS 移動無線網絡信號丟失時作業信息正常傳輸，系統丟包率低于0.2%，系統通信可靠性良好。