基于GPS/GPRS的大型農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李彬 劉榮 李江全

摘要：針對大型農(nóng)機(jī)具田間作業(yè)管理的需求，設(shè)計(jì)了一套基于GPS和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由監(jiān)控終端、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。監(jiān)控終端將農(nóng)機(jī)具關(guān)鍵部件狀態(tài)信息和位置信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)上傳到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與解析、數(shù)據(jù)存儲與查詢、農(nóng)機(jī)具位置實(shí)時(shí)顯示與軌跡回放。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為大型農(nóng)機(jī)運(yùn)營公司安全生產(chǎn)、科學(xué)調(diào)度提供了技術(shù)支持平臺，對大型農(nóng)機(jī)具的管理信息化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：大型農(nóng)機(jī)具；GPS/GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號： S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0349-03

收稿日期：2013-06-18

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技支疆項(xiàng)目（編號：2011AB024）。

作者簡介：李彬（1985—），男，安徽宿州人，碩士研究生。E-mail：383048256@qq.com。

通信作者：李江全，教授，從事檢測與控制研究。E-mail：ljq6949@163.com。全球定位系統(tǒng)（GPS）是目前較為實(shí)用的一種衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，在進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)，GPS技術(shù)將發(fā)揮重要作用[1]。針對大型農(nóng)業(yè)機(jī)械安全保障、作業(yè)管理、應(yīng)急維修等方面的迫切需求，本研究試圖設(shè)計(jì)大型農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控可視化、管理科學(xué)化，進(jìn)而提高大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率，增加大型農(nóng)機(jī)作業(yè)公司的經(jīng)濟(jì)效益。

1監(jiān)控系統(tǒng)組成與工作原理

大型農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、通信系統(tǒng)和監(jiān)控中心3部分組成[2-5]，如圖 1所示。

1.1監(jiān)控終端

監(jiān)控終端具有農(nóng)機(jī)具作業(yè)狀態(tài)采集、GPS定位、GSM/GPRS 無線通訊等功能。采集信息包括農(nóng)機(jī)具行駛速度、關(guān)鍵部件工作狀態(tài)和作業(yè)面積等。

1.2通信系統(tǒng)

終端將農(nóng)機(jī)具位置和狀態(tài)信息按一定協(xié)議打包以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過Internet網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。

1.3監(jiān)控中心

監(jiān)控中心采用C/S架構(gòu)，包括服務(wù)器和客戶端，用于農(nóng)機(jī)具數(shù)據(jù)管理、可視化監(jiān)控等。

系統(tǒng)通過監(jiān)控終端確定大型農(nóng)機(jī)具的位置和狀態(tài)信息，采用GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控中心進(jìn)行處理，并在電子地圖上顯示，以實(shí)現(xiàn)大型農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息管理、統(tǒng)計(jì)分析。

2監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

2.1主要模塊選型

2.1.1MCU模塊MCU是監(jiān)控終端的核心，實(shí)現(xiàn)信息交換與處理。本設(shè)計(jì)選用了ARM微控制器STM32F101C8。它具有最高可達(dá)36 MHz的工作頻率，64 K的閃存程序存儲器和10 K的SRAM，3個串口，36個快速I/O端口，滿足終端系統(tǒng)在速度、存儲空間、串口通信、信號采集等特點(diǎn)的要求；而且其工作溫度為-40～85 ℃，能滿足農(nóng)機(jī)具室外作業(yè)特點(diǎn)。

2.1.2GPS模塊獲得農(nóng)機(jī)具田間位置信息。本設(shè)計(jì)選擇了瑞士uBlox公司的LEA-5H-0-009 GPS模塊，該模塊具有超低的耗電量，體積微小，內(nèi)置于金屬殼內(nèi)，便于攜帶且有保護(hù)和屏蔽作用，比較適合嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

2.1.3GPRS模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端與監(jiān)控中心通信。本設(shè)計(jì)采用SimCom公司的緊湊型模塊Sim900A，該模塊外觀精巧，性能穩(wěn)定，性價(jià)比高，自身帶有TCP/IP協(xié)議棧，能夠滿足用戶多重需求。

2.2主要電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集板主要包括信號采集電路、LED接口電路、電源電路等模塊。

2.2.1信號采集電路包括脈沖采集、開關(guān)量采集和模擬量采集電路。脈沖采集電路將農(nóng)機(jī)具的發(fā)動機(jī)、風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)速信號濾波整形成MCU可處理的脈沖信號；開關(guān)量采集電路將農(nóng)機(jī)具部件的升降、起停等開關(guān)信號經(jīng)串電阻分壓和并聯(lián)電容濾波處理成MCU可接受電平信號；模擬量采集電路將農(nóng)機(jī)具油溫、油量等模擬信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。設(shè)計(jì)的脈沖量采集電路如圖2所示。

2.2.2LED接口電路為方便機(jī)手實(shí)時(shí)直觀的觀察終端信息，本終端設(shè)置了顯示屏幕和狀態(tài)指示燈。考慮到農(nóng)機(jī)具室外作業(yè)時(shí)光線較明亮，設(shè)計(jì)采用七段LED數(shù)碼管顯示屏和LED指示燈，顯示信息主要包括日期、時(shí)間、位置、GPRS狀態(tài)、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、速度、農(nóng)田工作面積、報(bào)警等內(nèi)容。數(shù)字顯示使用共陽極型七段數(shù)碼管，接口電路與指示燈均使用陰極串電

阻限流方式連接MCU的I/O口。

2.2.3電源電路考慮到大型農(nóng)機(jī)具車載電源常見電壓等級為24 V或12 V，而終端內(nèi)部各模塊供電電壓為3、3.3、3.8 V 等多種規(guī)格，因此需要很寬的電壓范圍，以確保為各模塊提供高質(zhì)量的電源。寬電壓電源電路如圖3所示。

寬電壓電源電路是以開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM2596-ADJ、穩(wěn)壓芯片RT9131和大電流調(diào)整器XC6203為基礎(chǔ)構(gòu)成，具有功耗低、效率高等特點(diǎn)，外部可輸入電壓范圍為4.5～40 V，能夠承受不同電壓等級的車載電壓。電路具有很好的線性輸出，輸出電流可達(dá)3 A，滿足GPRS模塊的大電流工作要求。

車載電源經(jīng)LM2596-ADJ模塊轉(zhuǎn)換后，分成3部分：一經(jīng)RT9131模塊調(diào)整為3 V電壓單獨(dú)供給S4-1513 GPS模塊；二經(jīng)XC6203模塊調(diào)整為3.3 V供給處理器等部分電路；三經(jīng)MOS管控制電路供給SIM900A模塊。

3監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1監(jiān)控終端程序設(shè)計(jì)

主要包括MCU、GPS、GPRS等模塊的初始化、設(shè)備信息采集、GPS解析程序、GPRS通信等程序模塊。主程序流程如圖4所示。

3.1.1初始化終端上電后，MCU執(zhí)行定時(shí)器、串口、ADC功能以及GPRS模塊初始化。GPRS模塊的初始化是使用MCU端口拉低PWRKEY管腳1 s后釋放，再延時(shí)大于 2 s。MCU通過串口檢測接收的字符串中有“RDY”表示GPRS開機(jī)成功。然后設(shè)置GSM、GPRS通信格式，包括波特率、編碼格式等。

3.1.2設(shè)備信息采集農(nóng)機(jī)起停、部件升降等開關(guān)量是通過ADC采集的電壓值大小來判斷其狀態(tài)。如農(nóng)機(jī)具電源電壓為12 V時(shí)，若ADC采集的電壓值大于6 V，則可判定開關(guān)閉合。風(fēng)機(jī)、發(fā)動機(jī)等轉(zhuǎn)速信號使用脈沖限時(shí)計(jì)數(shù)方式折算成轉(zhuǎn)速值。

3.1.3GPS解析串口2中斷實(shí)時(shí)接收到的字符是否為“$”，遇到“$”符號后開始計(jì)數(shù)并檢測接收的第六個字符為“C”時(shí)表示本字符串為最小定位數(shù)據(jù)幀。在第二個逗號后為“A”時(shí)，表示GPS模塊定位有效，GPS解析函數(shù)提取有效字符串第一個逗號后的時(shí)間、第三個逗號后的經(jīng)緯度、第七個逗號后的GPS速度、第九個逗號后的日期。在農(nóng)機(jī)作業(yè)地點(diǎn)GPS模塊若無效定位時(shí)，忽略定位信息并將其他數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)中心。

3.1.4GPRS通信MCU通過串口1發(fā)送相應(yīng)的AT指令對SIM900A進(jìn)行設(shè)置，例如啟動任務(wù)、GPRS激活、設(shè)置本地端口號、獲取本地IP地址、建立TCP連接。串口1接收到GPRS模塊的應(yīng)答字符串CONNECT OK后再發(fā)送AT指令A(yù)T+CIPSEND＼r＼n執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)命令，之后將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊即可。MCU每次發(fā)送數(shù)據(jù)前使用AT+CIPSTATUS＼r＼n檢測GPRS連接狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)后等待監(jiān)控中心的應(yīng)答字符串以確認(rèn)數(shù)據(jù)上傳成功。MCU在主循環(huán)函數(shù)里每次循環(huán)向GPRS模塊循環(huán)發(fā)送一次AT+CMGR=1＼r＼n讀取序號1位置的短信，當(dāng)接收的短信號碼和格式均匹配時(shí)，MCU提取新IP和端口號，刪除短信且重新建立GPRS連接。

3.2監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于.NET平臺，采用Visual C#語言進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server。軟件的主要功能模塊如圖5所示。

3.2.1數(shù)據(jù)通信模塊數(shù)據(jù)通信模塊主要完成對監(jiān)控終端數(shù)據(jù)的接收，并將指令下發(fā)到監(jiān)控終端。監(jiān)控中心系統(tǒng)采用 TCP/IP協(xié)議與監(jiān)控終端以及客戶端軟件進(jìn)行通信，通過套接字接口（Socket）來實(shí)現(xiàn)，保證了通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。 監(jiān)控終端在GPRS 通信鏈路的基礎(chǔ)上，將采集到的位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心服務(wù)器會將監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)信息傳遞給客戶端，用戶通過客戶端登錄系統(tǒng)后，選擇要監(jiān)控的終端，則被選終端的信息將會在客戶端程序界面顯示出來。

3.2.2數(shù)據(jù)解析模塊根據(jù)應(yīng)用層通信協(xié)議對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到時(shí)間、位置、狀態(tài)等信息。例如監(jiān)控終端向服務(wù)器發(fā)送的一組數(shù)據(jù)為：（10HX0088005000003FCE0000 00F382CD8200120721A4418.5523N08603.6292E000.014333 6000.00470F0000001DBB D323F），根據(jù)監(jiān)控終端應(yīng)用層協(xié)議對該數(shù)據(jù)串進(jìn)行解析，就可得到位置和狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)解析程序主要包括：（1）時(shí)間解析。按照協(xié)議從系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)中取年、月、日數(shù)據(jù)為從第37位開始取6位字符，時(shí)、分、秒數(shù)據(jù)為從第70位開始取6位字符，便得到表示時(shí)間的字節(jié)。GPS時(shí)間轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間的過程中要注意閏年的區(qū)分。（2）位置解析。例如在接收到的數(shù)據(jù)中第44個字符開始取9位表示GPS緯度信息，第54個字符開始取11位表示GPS經(jīng)度信息。為了便于運(yùn)算需將經(jīng)緯度的整數(shù)和小數(shù)部分分別取出，然后運(yùn)算出具體的經(jīng)緯度。（3）狀態(tài)解析。大型農(nóng)機(jī)具的行駛狀態(tài)、內(nèi)部工作部件狀態(tài)、溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等通過終端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)中預(yù)留字節(jié)，為終端在各種大型農(nóng)機(jī)具保留通用性。例如從監(jiān)控終端傳送過來的數(shù)據(jù)中第82個字符開始的兩個字節(jié)轉(zhuǎn)換成為16進(jìn)制數(shù)，每一個二進(jìn)制位分別表示大型農(nóng)機(jī)具的設(shè)備狀態(tài)信息。

3.2.3數(shù)據(jù)存儲與查詢模塊數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫選用SQL Server，主要用來存儲大型農(nóng)機(jī)具機(jī)組信息、車載終端信息、大型農(nóng)機(jī)具作業(yè)信息等。數(shù)據(jù)存儲模塊包括以下內(nèi)容：（1）電子地圖數(shù)據(jù)的記錄、更新和瀏覽。包括各個作業(yè)團(tuán)場連隊(duì)的遙感影像圖、MapInfo地圖、農(nóng)田電子地圖等。（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的記錄、更新和瀏覽。包括大型農(nóng)機(jī)具信息、作業(yè)人員信息、終端信息等。（3）動態(tài)數(shù)據(jù)的記錄、更新和瀏覽。包括大型農(nóng)機(jī)具的位置信息、實(shí)時(shí)車況信息、報(bào)警信息、作業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

3.2.4顯示模塊在監(jiān)控中心，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控終端上傳的位置信息在Google Map電子地圖上實(shí)時(shí)顯示大型農(nóng)機(jī)具的具體位置、運(yùn)行狀態(tài)及分布信息，達(dá)到對大型農(nóng)機(jī)具實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測的目的。顯示程序還包括在Google Map上疊加農(nóng)田地塊KMZ文件，并可通過選中農(nóng)田圖層顯示其屬性信息。

3.2.5歷史軌跡回放模塊歷史軌跡回放程序?qū)⒅付ù笮娃r(nóng)機(jī)具在一定時(shí)期內(nèi)的作業(yè)路線顯示在地圖上，并能對其進(jìn)行動態(tài)回放，直觀地觀察大型農(nóng)機(jī)具的行駛軌跡。當(dāng)用戶選擇好車輛和回放時(shí)間段后，程序首先會從數(shù)據(jù)庫中查詢下載相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶選擇播放時(shí)，程序會根據(jù)所設(shè)定的時(shí)間間隔來繪制歷史軌跡點(diǎn)，地圖隨點(diǎn)的移動做相應(yīng)的變化，從而達(dá)到動態(tài)軌跡回放的效果。

4遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行

2012年棉花收獲期間，本系統(tǒng)在新疆西部銀力機(jī)械采棉

有限公司采棉機(jī)生產(chǎn)作業(yè)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)測采棉機(jī)作業(yè)情況，可以快速、準(zhǔn)確地定位采棉機(jī)。

農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為大型農(nóng)機(jī)運(yùn)營公司安全生產(chǎn)、科學(xué)調(diào)度提供了技術(shù)支持平臺，對農(nóng)機(jī)具的信息化管理具有重要意義。

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