基于ARM的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孫永佳，竇青青，張波，孫宜田，沈景新

(1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100； 2. 卡樂(lè)(濟(jì)南)設(shè)計(jì)有限公司，濟(jì)南市，250031)

0 引言

農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)是采用GPS/BDS衛(wèi)星定位技術(shù)、GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)，將農(nóng)機(jī)作業(yè)的數(shù)據(jù)信息、空間信息和圖像信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)的綜合性系統(tǒng)。目前，國(guó)外的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械大部分均安裝有遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)車(chē)載終端采集農(nóng)機(jī)作業(yè)位置及工作狀態(tài)等信息，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控管理中心服務(wù)器實(shí)時(shí)傳輸[1-2]。

隨著“十三五”以來(lái)對(duì)智能農(nóng)機(jī)裝備的深入研究，我國(guó)在耕、種、管、收等主要農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)節(jié)均有智能化監(jiān)控裝備安裝應(yīng)用，但對(duì)于農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的研究剛剛起步，如杜志偉等[3]采用LPC2368芯片設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，按照J(rèn)T/T808協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸成功率在98.3%左右；田野等[4]基于嵌入式技術(shù)和3 g通信技術(shù)設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于農(nóng)機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻無(wú)線傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)每秒25幀720×576分辨率的實(shí)時(shí)視頻傳輸。這些產(chǎn)品功能過(guò)于單一，無(wú)法滿足客戶對(duì)農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求，并且由于農(nóng)機(jī)作業(yè)多在野外偏僻的農(nóng)田，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面不如城市地區(qū)廣泛，存在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)丟失的盲點(diǎn)，此時(shí)采集到的作業(yè)信息就無(wú)法傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)，導(dǎo)致作業(yè)數(shù)據(jù)丟失[5-7]。因此，研究具有補(bǔ)傳機(jī)制的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)顯得十分重要。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一款基于ARM的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)的數(shù)據(jù)信息、空間信息和圖像信息的遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)設(shè)計(jì)了作業(yè)信息補(bǔ)傳系統(tǒng)，保證了在田間GPRS移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)丟失時(shí)的作業(yè)信息正常傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、作業(yè)圖像采集模塊、CAN總線通信模塊和衛(wèi)星定位模塊等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體方案

整個(gè)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，包括數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、作業(yè)圖像采集模塊、CAN總線通信模塊、衛(wèi)星定位模塊和作業(yè)數(shù)據(jù)補(bǔ)傳模塊，其中，CAN總線通信模塊與各種機(jī)具的作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可按照約定好的通信協(xié)議向本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程輸出系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)數(shù)據(jù)，例如播種機(jī)的每行播種數(shù)量、植保機(jī)的噴霧流量、深松機(jī)的耕作深度等。

圖1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

作業(yè)圖像采集模塊和衛(wèi)星定位模塊負(fù)責(zé)作業(yè)機(jī)具的圖像數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的采集，控制器負(fù)責(zé)生成機(jī)具作業(yè)的時(shí)間數(shù)據(jù)，并把收集到的時(shí)間信息、空間信息、圖像信息和作業(yè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析整合，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸模塊發(fā)送到監(jiān)管平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型農(nóng)機(jī)具的作業(yè)信息的遠(yuǎn)程傳輸。數(shù)據(jù)補(bǔ)傳模塊用于田間無(wú)線信號(hào)缺失時(shí)的作業(yè)信息本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程補(bǔ)傳，與控制器之間通過(guò)SPI總線連接。

2 遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為器件選型和原理圖PCB設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軟件采用Altium Designer 2015，分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件部分的模塊組成包括主芯片電路、作業(yè)圖像采集模塊、作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸和衛(wèi)星定位模塊以及作業(yè)數(shù)據(jù)補(bǔ)傳模塊。

2.1 主芯片電路

針對(duì)系統(tǒng)對(duì)多種通信接口的需求，主芯片選用STM32F103，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz，內(nèi)部擁有資源包括3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)USART、1個(gè)USB、1個(gè)CAN等，并帶有4個(gè)片選的靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器，支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲(chǔ)器，配置非常強(qiáng)大，滿足系統(tǒng)需求[17]，主芯片電路如圖2所示。

圖2 主芯片電路

2.2 作業(yè)圖像采集模塊

作業(yè)圖像采集模塊通過(guò)串口攝像頭采集農(nóng)機(jī)的田間作業(yè)圖像，攝像頭需要具備很好的防水性能，本文選用JP-C38CK型串口攝像頭，其內(nèi)部包含30萬(wàn)像素CMOS傳感器，可輸出標(biāo)準(zhǔn)JPEG/M-JPEG格式的圖像，具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)增益控制。串口攝像頭與控制器之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，波特率設(shè)置為9 600 bps，串口電路如圖3所示，串口芯片選用MAX3232。

圖3 串口電路

2.3 作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)裝備智能監(jiān)控系統(tǒng)基本都可實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)的采集，但缺少遠(yuǎn)程傳輸功能，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)需要通過(guò)一個(gè)通信接口讀取這些監(jiān)控系統(tǒng)采集到的作業(yè)數(shù)據(jù)，參考國(guó)外成熟的ISO-BUS總線，本文選用CAN總線作為農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)采集接口。

主芯片STM32F103內(nèi)部集成有1個(gè)CAN總線控制器，支持標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0B通信，與作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間還需要CAN收發(fā)器才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本文選用SN65HVD233芯片作為CAN收發(fā)器，該芯片具有高輸入阻抗，允許120個(gè)節(jié)點(diǎn)保護(hù)，過(guò)電壓保護(hù)高達(dá)±36 V，同時(shí)還具有容錯(cuò)接地保護(hù)以及過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)等功能，在農(nóng)機(jī)作業(yè)高噪聲、高擾動(dòng)的復(fù)雜工作環(huán)境下具有良好的工作性能，總線接口電路如圖4所示。

圖4 總線接口電路

2.4 遠(yuǎn)程傳輸和衛(wèi)星定位模塊

為了降低系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化硬件電路，本文選用一個(gè)集成化的SIM808模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸和衛(wèi)星定位功能。SIM808是由SIMCOM推出的GSM+GPS+藍(lán)牙三合一組合模塊，其內(nèi)部集成了四頻段GSM/GPRS和GPS導(dǎo)航技術(shù)，可大大節(jié)省用戶開(kāi)發(fā)GPS應(yīng)用的時(shí)間和成本。SIM808的GPRS上行、下行傳輸最大速率均可達(dá)85.6 kbps，GPS定位水平精度<2.5 m，定時(shí)準(zhǔn)確性10 ns，SIM808與控制器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，控制器通過(guò)發(fā)送AT命令對(duì)SIM808進(jìn)行控制，其電路如圖5所示。

圖5 SIM808控制電路

2.5 作業(yè)數(shù)據(jù)補(bǔ)傳模塊

針對(duì)農(nóng)機(jī)在田間作業(yè)易發(fā)生無(wú)線信號(hào)丟失，導(dǎo)致遠(yuǎn)程平臺(tái)接收到的作業(yè)數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程補(bǔ)傳的功能，當(dāng)無(wú)線信號(hào)丟失，無(wú)法連接遠(yuǎn)程平臺(tái)時(shí)，先把當(dāng)前的作業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到機(jī)載儲(chǔ)存單元中，當(dāng)系統(tǒng)重新接入到遠(yuǎn)程平臺(tái)時(shí)，把記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)傳，確保整個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元選用W25Q128芯片，該芯片是一款SPI接口NOR Flash芯片，其存儲(chǔ)空間為16 MB，非常適用于RAM的編碼映射，可直接通過(guò)(兩線/四線)SPI接口執(zhí)行代碼、存儲(chǔ)語(yǔ)音、文本和數(shù)據(jù)，本文的W25Q128芯片通過(guò)四線SPI接口與主芯片連接，電路如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)補(bǔ)傳模塊電路

3 遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的SIM808與遠(yuǎn)程平臺(tái)之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器地址采用域名方式，端口號(hào)為8080，整個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀包括幀頭、作業(yè)類(lèi)型、設(shè)備ID、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、作業(yè)數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼和幀尾等，通信協(xié)議如表1所示，幀頭、校驗(yàn)碼和幀尾用于校驗(yàn)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的有效性，若三者任意一項(xiàng)校驗(yàn)未通過(guò)，則表明該幀數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)；作業(yè)類(lèi)型用于區(qū)分不同作業(yè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)播種作業(yè)設(shè)置為10400，深松作業(yè)設(shè)置為10200，植保作業(yè)設(shè)置為10500，收獲作業(yè)設(shè)置為10700；設(shè)備ID用于區(qū)分同作業(yè)類(lèi)型下的不同設(shè)備，長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)，可區(qū)分多達(dá)42億臺(tái)設(shè)備；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度用于指定傳輸?shù)竭h(yuǎn)程平臺(tái)的每幀數(shù)據(jù)的具體長(zhǎng)度，便于平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析；作業(yè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不固定，其與作業(yè)類(lèi)型匹配，包含作業(yè)的時(shí)間信息、數(shù)據(jù)信息、圖像信息和空間信息，其中數(shù)據(jù)信息和圖像信息通過(guò)標(biāo)志位進(jìn)行區(qū)分，空間信息的經(jīng)緯度按照ASCII碼格式發(fā)送。

表1 通信協(xié)議Tab. 1 Communication protocol

以深松作業(yè)為例，具體的作業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議如表2所示，先發(fā)送作業(yè)的具體時(shí)間，此時(shí)間從定位模塊中讀取，需要進(jìn)行北京時(shí)間轉(zhuǎn)換，故障狀態(tài)位用于平臺(tái)判斷機(jī)具端的故障，并進(jìn)行故障信息記錄，便于進(jìn)行系統(tǒng)查詢，具體的故障類(lèi)型可查詢對(duì)應(yīng)的故障代碼說(shuō)明，衛(wèi)星連接數(shù)量用于指示當(dāng)前的連接衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度，數(shù)量越大表示信號(hào)強(qiáng)度越好，圖片數(shù)據(jù)標(biāo)志位用于區(qū)分作業(yè)數(shù)據(jù)和照片數(shù)據(jù)，幅寬表示機(jī)具的作業(yè)寬幅，用于平臺(tái)進(jìn)行面積計(jì)算，實(shí)時(shí)耕深為機(jī)具端采集的實(shí)際耕作深度，平臺(tái)可根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量判斷。

表2 深松作業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)議Tab. 2 Subsoiling operation data protocol

4 遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用Keil uVision5開(kāi)發(fā)，采用模塊化開(kāi)發(fā)模式，軟件流程如圖7所示，系統(tǒng)上電后先進(jìn)行CAN模塊初始化操作，初始化完畢后通過(guò)CAN通信模塊接收作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送的作業(yè)數(shù)據(jù)，之后系統(tǒng)初始化串口模塊和SIM808芯片，通過(guò)串口1讀取SIM808定位模塊的時(shí)間信息和空間信息，通過(guò)串口2讀取攝像頭采集的圖像信息，最后與CAN通信讀取到的作業(yè)數(shù)據(jù)按照遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后設(shè)置SIM808的遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議為T(mén)CP/IP，并根據(jù)要連接的遠(yuǎn)程平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)域名和端口號(hào)，通過(guò)串口發(fā)送AT指令與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立通信連接，若連接失敗，則把此時(shí)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到本地的NOR Flash芯片中，然后重新嘗試與服務(wù)器建立連接。連接成功后，先判斷是否存在需要補(bǔ)傳的數(shù)據(jù)信息，若是則先發(fā)送補(bǔ)傳數(shù)據(jù)，補(bǔ)傳數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

5 試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)在山東農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院的遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)上進(jìn)行了應(yīng)用，并進(jìn)行了系統(tǒng)通信可靠性測(cè)試和系統(tǒng)安全保障機(jī)制試驗(yàn)。

5.1 系統(tǒng)可靠性測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)，遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)安裝在拖拉機(jī)上，田間地塊無(wú)高建筑遮擋，在遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手設(shè)置好IP地址和端口號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)。遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)配置SIM808的發(fā)送地址和端口號(hào)與遠(yuǎn)程服務(wù)器一致，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送時(shí)間間隔為2 s，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含該包數(shù)據(jù)的幀序號(hào)，每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)幀序號(hào)自動(dòng)加1，累計(jì)發(fā)送1 000幀數(shù)據(jù)后停止試驗(yàn)，通過(guò)遠(yuǎn)程平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手查看接收到的數(shù)據(jù)幀是否存在數(shù)據(jù)丟失的情況，分別記錄遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)和接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)，計(jì)算數(shù)據(jù)丟包率，重復(fù)5次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)丟包率試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Packet loss rate experiment result

由表3可知，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟包率不超過(guò)0.2%，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包的主要原因是平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的波動(dòng)，由于本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)補(bǔ)傳機(jī)制，因此即使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境波動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)仍可以有效地傳輸。

5.2 系統(tǒng)安全保障機(jī)制試驗(yàn)

對(duì)系統(tǒng)安全保障機(jī)制進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信正常的情況下，通過(guò)關(guān)閉遠(yuǎn)程平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的端口的方式模擬系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸異?，F(xiàn)象，遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)與遠(yuǎn)程平臺(tái)的連接斷開(kāi)后，重新打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的監(jiān)聽(tīng)端口。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀中包含補(bǔ)傳數(shù)據(jù)標(biāo)志位，通過(guò)觀察網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手接收到的數(shù)據(jù)幀是否包含補(bǔ)傳標(biāo)志位，判斷數(shù)據(jù)補(bǔ)傳是否成功，重復(fù)5次試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，如表4所示。

由表4可知，本文設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的安全保障機(jī)制完善，掉線后數(shù)據(jù)補(bǔ)傳的成功率為100%，系統(tǒng)通信可靠性良好，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)管的要求。

表4 數(shù)據(jù)補(bǔ)傳試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Data supplementary transmission experiment result

6 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)的基于ARM的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)的數(shù)據(jù)信息、空間信息和圖像信息的遠(yuǎn)程傳輸，并具有作業(yè)信息補(bǔ)傳機(jī)制，保證了在田間GPRS移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)丟失時(shí)的作業(yè)信息正常傳輸，為作業(yè)質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)管提供了技術(shù)支撐。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)丟包率低于0.2%，掉線后數(shù)據(jù)補(bǔ)傳的成功率100%，系統(tǒng)通信可靠性和安全性良好。