農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與研究

蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校 謝留婉

農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與研究

蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校 謝留婉

本文基于農(nóng)機信息化管理系統(tǒng)中涉及到的農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)需求進行了分析，確定出農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。從硬件和軟件兩個方面介紹具體設(shè)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(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與研究。

農(nóng)機、GPS；數(shù)據(jù)采集；SIM928A；GPRS；STM32F103

1 引言

近年來國家大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，要求全面提高農(nóng)業(yè)信息化水平。農(nóng)業(yè)管理部門提出，首先要求能對農(nóng)機進行信息化管理，實現(xiàn)農(nóng)機的在線化、數(shù)據(jù)化、管理高效化和服務(wù)便捷化的基本目標(biāo)，生產(chǎn)智能化邁上新臺階，實現(xiàn)后端的管理能與前端的機主實現(xiàn)信息互通，實現(xiàn)農(nóng)機與與管理人員的實時互動，有力支撐農(nóng)機現(xiàn)代化水平的提升[1]。

農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為農(nóng)機信息化管理平臺的前端裝置，具體要求是能實時提供農(nóng)機作業(yè)位置區(qū)域準確定位數(shù)據(jù)；能對農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量情況實時監(jiān)測；能對農(nóng)機作業(yè)有效面積準確測量；能實現(xiàn)農(nóng)機前端與后端管理后臺實時信息互通；以及能對采集數(shù)據(jù)進行有效備份等。

農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能需求分析：

1.農(nóng)機作業(yè)位置區(qū)域準確定位：目前比較成熟的技術(shù)就是依托于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，實時提供準確的定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)來進行農(nóng)機作業(yè)區(qū)域位置定位。

2.農(nóng)機作業(yè)情況實時檢測：可通過位移檢測傳感器，實時檢測農(nóng)機作業(yè)農(nóng)耕器具的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)是否達標(biāo)進行測量；另外可通過加裝高清攝像頭，對作業(yè)現(xiàn)場進行定時抓拍，實現(xiàn)遠程實時查看現(xiàn)場作業(yè)情況。

3.農(nóng)機作業(yè)面積測量：農(nóng)機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時提供有效的GPS定位數(shù)據(jù)，管理后臺描繪實時的農(nóng)機作業(yè)軌跡，實現(xiàn)有效作業(yè)面積的統(tǒng)計。

4.農(nóng)機前端與后端管理后臺信息互通：考慮到數(shù)據(jù)的通信要求，目前比較成熟的是可采用基于蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，實現(xiàn)前端采集端與后臺管理服務(wù)器系統(tǒng)間的遠程數(shù)據(jù)傳輸。

5.農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)本地存儲：作為數(shù)據(jù)遠程傳輸時的備份，避免在遠程傳輸數(shù)據(jù)失敗時造成作業(yè)數(shù)據(jù)的丟失。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

農(nóng)機信息化管理系統(tǒng)主要架構(gòu)是，由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過相關(guān)傳感器對農(nóng)機作業(yè)情況實時監(jiān)測，將農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)進行存儲，并依托于蜂窩網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信傳輸，通過Internet連接至農(nóng)機信息化管理服務(wù)器，最終實現(xiàn)農(nóng)機信息化管理。

本次主要對前端農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行研究，確定系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)工作狀態(tài)的檢測，同時借助高清攝像頭，對現(xiàn)場工作情況進行抓拍，把農(nóng)機耕作時的現(xiàn)場工作狀態(tài)進行記錄保存。系統(tǒng)自動根據(jù)農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)，實時獲取GPS模塊上經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域精確定位，并通過GPRS模塊，實現(xiàn)前端控制器與后臺服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)前端與后端的數(shù)據(jù)交換，最終將前端采集的農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)保存在后臺服務(wù)器，便于后臺管理系統(tǒng)跟蹤分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)。以下將根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，介紹具體器件選型、硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計等展開研究。

2.1 硬件電路設(shè)計

2．1．1 STM32F103系列單片機簡介

STM32F103xx增強型系列由意法半導(dǎo)體集團設(shè)計，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，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(biāo)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(chǔ)上PNX4851平臺還配備了GPS技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)、語音、短消息、傳真，具備工業(yè)標(biāo)準接口和GPS功能，可應(yīng)用于車載監(jiān)控等領(lǐng)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(wěn)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(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式[4]?？紤]到本方案中網(wǎng)絡(luò)傳輸是基于2G網(wǎng)的GPRS通信，數(shù)據(jù)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(jù)設(shè)計功能要求及技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)設(shè)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(nóng)機的精確定位、以及數(shù)據(jù)上報通信等功能，采用位移傳感器檢測農(nóng)機具的耕作作業(yè)工作狀態(tài)，為了能直觀掌握農(nóng)機現(xiàn)場的作業(yè)情況，需要配備OV7670攝像頭實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)情況進行定時抓拍，另外為了保障采集數(shù)據(jù)的不被丟失，系統(tǒng)集成有Micro SD Card，用以將數(shù)據(jù)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(tǒng)工作狀態(tài)進行實時顯示，系統(tǒng)電源需要從農(nóng)機上的蓄電池取出，由于不同農(nóng)機上蓄電池供電電壓不同，考慮到系統(tǒng)能安裝適用于各種不同的農(nóng)機，所以需要設(shè)計一個能適應(yīng)輸入寬電壓范圍9V～36V輸入的穩(wěn)壓電源。考慮以上這些需求，具體設(shè)計系統(tǒng)硬件電路主要包含由開關(guān)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(wěn)定型STM32F103系列單片機，主要負責(zé)各模塊的協(xié)調(diào)控制，如：對位移傳感器檢測，實訓(xùn)對農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)實時判斷；對攝像頭進行圖像數(shù)據(jù)采集保存；讀取GPS模塊的實時定位數(shù)據(jù)，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(zé)數(shù)據(jù)遠程通信，單片機將需要傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)，以及農(nóng)機工作狀態(tài)信息等發(fā)送至后臺服務(wù)器端，為后續(xù)數(shù)據(jù)的后臺存儲，以及數(shù)據(jù)統(tǒng)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(jié)構(gòu)，通過串口實現(xiàn)與單片機數(shù)據(jù)交互。具體功能是實現(xiàn)對農(nóng)機進行實時精確定位，系統(tǒng)實(2)仿真參數(shù)設(shè)置及其運行

設(shè)置仿真參數(shù)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(tǒng)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(jié)果

3 小結(jié)

電機與拖動涉及到電和磁的內(nèi)容，比較抽象，一直都是教與學(xué)的難點，本文提出將matlab仿真軟件應(yīng)用到電機與拖動課程的教學(xué)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(xué)生理解和掌握本門課程的重點與難點，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來不會感覺那么吃力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

[1]陸華才．Matlab在《電機與拖動》教學(xué)中的應(yīng)[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(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)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(xué)中的應(yīng)[J]．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報,2014,31(4):84-87．

[4]萬力,榮軍,萬軍華等．計算機仿真技術(shù)在直流電動機教學(xué)中的應(yīng)用[J]．湖南理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)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(xué)中的應(yīng)用研究[J]．渤海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(xué)本科，研究方向：金屬材料加工。