基于GPS/GPRS的大型農機具遠程監控系統設計

李彬 劉榮 李江全

摘要：針對大型農機具田間作業管理的需求，設計了一套基于GPS和GPRS的遠程監控系統。系統由監控終端、通信網絡和監控中心組成。監控終端將農機具關鍵部件狀態信息和位置信息通過GPRS網絡和因特網上傳到監控中心；監控中心進行數據通信與解析、數據存儲與查詢、農機具位置實時顯示與軌跡回放。遠程監控系統為大型農機運營公司安全生產、科學調度提供了技術支持平臺，對大型農機具的管理信息化具有重要意義。

關鍵詞：大型農機具；GPS/GPRS；遠程監控

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

收稿日期：2013-06-18

基金項目：新疆生產建設兵團科技支疆項目（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（GPS）是目前較為實用的一種衛星導航和定位系統，在進行大規模機械化農業生產的地區，GPS技術將發揮重要作用[1]。針對大型農業機械安全保障、作業管理、應急維修等方面的迫切需求，本研究試圖設計大型農機具遠程監控系統，以實現農業機械監控可視化、管理科學化，進而提高大型農業機械的作業效率，增加大型農機作業公司的經濟效益。

1監控系統組成與工作原理

大型農機具遠程監控系統主要由監控終端、通信系統和監控中心3部分組成[2-5]，如圖 1所示。

1.1監控終端

監控終端具有農機具作業狀態采集、GPS定位、GSM/GPRS 無線通訊等功能。采集信息包括農機具行駛速度、關鍵部件工作狀態和作業面積等。

1.2通信系統

終端將農機具位置和狀態信息按一定協議打包以數據流的方式發送到GPRS網絡，再通過Internet網將數據傳送到監控中心。

1.3監控中心

監控中心采用C/S架構，包括服務器和客戶端，用于農機具數據管理、可視化監控等。

系統通過監控終端確定大型農機具的位置和狀態信息，采用GPRS和Internet網絡傳送給監控中心進行處理，并在電子地圖上顯示，以實現大型農機具遠程實時監控、信息管理、統計分析。

2監控終端硬件設計

2.1主要模塊選型

2.1.1MCU模塊MCU是監控終端的核心，實現信息交換與處理。本設計選用了ARM微控制器STM32F101C8。它具有最高可達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，滿足終端系統在速度、存儲空間、串口通信、信號采集等特點的要求；而且其工作溫度為-40～85 ℃，能滿足農機具室外作業特點。

2.1.2GPS模塊獲得農機具田間位置信息。本設計選擇了瑞士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，內置于金屬殼內，便于攜帶且有保護和屏蔽作用，比較適合嵌入式應用系統。

2.1.3GPRS模塊實現監控終端與監控中心通信。本設計采用SimCom公司的緊湊型模塊Sim900A，該模塊外觀精巧，性能穩定，性價比高，自身帶有TCP/IP協議棧，能夠滿足用戶多重需求。

2.2主要電路設計

數據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、開關量采集和模擬量采集電路。脈沖采集電路將農機具的發動機、風機等轉速信號濾波整形成MCU可處理的脈沖信號；開關量采集電路將農機具部件的升降、起停等開關信號經串電阻分壓和并聯電容濾波處理成MCU可接受電平信號；模擬量采集電路將農機具油溫、油量等模擬信號轉換成標準電壓信號。設計的脈沖量采集電路如圖2所示。

2.2.2LED接口電路為方便機手實時直觀的觀察終端信息，本終端設置了顯示屏幕和狀態指示燈。考慮到農機具室外作業時光線較明亮，設計采用七段LED數碼管顯示屏和LED指示燈，顯示信息主要包括日期、時間、位置、GPRS狀態、風機狀態、速度、農田工作面積、報警等內容。數字顯示使用共陽極型七段數碼管，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機具車載電源常見電壓等級為24 V或12 V，而終端內部各模塊供電電壓為3、3.3、3.8 V 等多種規格，因此需要很寬的電壓范圍，以確保為各模塊提供高質量的電源。寬電壓電源電路如圖3所示。

寬電壓電源電路是以開關電壓調節器 LM2596-ADJ、穩壓芯片RT9131和大電流調整器XC6203為基礎構成，具有功耗低、效率高等特點，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3 A，滿足GPRS模塊的大電流工作要求。

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

3監控系統軟件設計

3.1監控終端程序設計

主要包括MCU、GPS、GPRS等模塊的初始化、設備信息采集、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執行定時器、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開機成功。然后設置GSM、GPRS通信格式，包括波特率、編碼格式等。

3.1.2設備信息采集農機起停、部件升降等開關量是通過ADC采集的電壓值大小來判斷其狀態。如農機具電源電壓為12 V時，若ADC采集的電壓值大于6 V，則可判定開關閉合。風機、發動機等轉速信號使用脈沖限時計數方式折算成轉速值。

3.1.3GPS解析串口2中斷實時接收到的字符是否為“$”，遇到“$”符號后開始計數并檢測接收的第六個字符為“C”時表示本字符串為最小定位數據幀。在第二個逗號后為“A”時，表示GPS模塊定位有效，GPS解析函數提取有效字符串第一個逗號后的時間、第三個逗號后的經緯度、第七個逗號后的GPS速度、第九個逗號后的日期。在農機作業地點GPS模塊若無效定位時，忽略定位信息并將其他數據實時上傳到數據中心。

3.1.4GPRS通信MCU通過串口1發送相應的AT指令對SIM900A進行設置，例如啟動任務、GPRS激活、設置本地端口號、獲取本地IP地址、建立TCP連接。串口1接收到GPRS模塊的應答字符串CONNECT OK后再發送AT指令AT+CIPSEND＼r＼n執行發送數據命令，之后將打包的數據發送到GPRS模塊即可。MCU每次發送數據前使用AT+CIPSTATUS＼r＼n檢測GPRS連接狀態，發送數據后等待監控中心的應答字符串以確認數據上傳成功。MCU在主循環函數里每次循環向GPRS模塊循環發送一次AT+CMGR=1＼r＼n讀取序號1位置的短信，當接收的短信號碼和格式均匹配時，MCU提取新IP和端口號，刪除短信且重新建立GPRS連接。

3.2監控中心軟件設計

系統基于.NET平臺，采用Visual C#語言進行開發，數據庫采用Microsoft SQL Server。軟件的主要功能模塊如圖5所示。

3.2.1數據通信模塊數據通信模塊主要完成對監控終端數據的接收，并將指令下發到監控終端。監控中心系統采用 TCP/IP協議與監控終端以及客戶端軟件進行通信，通過套接字接口（Socket）來實現，保證了通信的實時性和可靠性。 監控終端在GPRS 通信鏈路的基礎上，將采集到的位置和狀態數據發送到監控中心，監控中心服務器會將監控終端的實時位置和狀態信息傳遞給客戶端，用戶通過客戶端登錄系統后，選擇要監控的終端，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數據解析模塊根據應用層通信協議對接收到的數據進行解析，得到時間、位置、狀態等信息。例如監控終端向服務器發送的一組數據為：（10HX0088005000003FCE0000 00F382CD8200120721A4418.5523N08603.6292E000.014333 6000.00470F0000001DBB D323F），根據監控終端應用層協議對該數據串進行解析，就可得到位置和狀態信息。數據解析程序主要包括：（1）時間解析。按照協議從系統接收到的數據中取年、月、日數據為從第37位開始取6位字符，時、分、秒數據為從第70位開始取6位字符，便得到表示時間的字節。GPS時間轉換為北京時間的過程中要注意閏年的區分。（2）位置解析。例如在接收到的數據中第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經度信息。為了便于運算需將經緯度的整數和小數部分分別取出，然后運算出具體的經緯度。（3）狀態解析。大型農機具的行駛狀態、內部工作部件狀態、溫度、發動機轉速等通過終端系統發送數據中預留字節，為終端在各種大型農機具保留通用性。例如從監控終端傳送過來的數據中第82個字符開始的兩個字節轉換成為16進制數，每一個二進制位分別表示大型農機具的設備狀態信息。

3.2.3數據存儲與查詢模塊數據存儲數據庫選用SQL Server，主要用來存儲大型農機具機組信息、車載終端信息、大型農機具作業信息等。數據存儲模塊包括以下內容：（1）電子地圖數據的記錄、更新和瀏覽。包括各個作業團場連隊的遙感影像圖、MapInfo地圖、農田電子地圖等。（2）基礎數據的記錄、更新和瀏覽。包括大型農機具信息、作業人員信息、終端信息等。（3）動態數據的記錄、更新和瀏覽。包括大型農機具的位置信息、實時車況信息、報警信息、作業統計數據等。

3.2.4顯示模塊在監控中心，系統根據監控終端上傳的位置信息在Google Map電子地圖上實時顯示大型農機具的具體位置、運行狀態及分布信息，達到對大型農機具實時可視化監測的目的。顯示程序還包括在Google Map上疊加農田地塊KMZ文件，并可通過選中農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將指定大型農機具在一定時期內的作業路線顯示在地圖上，并能對其進行動態回放，直觀地觀察大型農機具的行駛軌跡。當用戶選擇好車輛和回放時間段后，程序首先會從數據庫中查詢下載相應的歷史數據。當用戶選擇播放時，程序會根據所設定的時間間隔來繪制歷史軌跡點，地圖隨點的移動做相應的變化，從而達到動態軌跡回放的效果。

4遠程監控系統運行

2012年棉花收獲期間，本系統在新疆西部銀力機械采棉

有限公司采棉機生產作業中進行了實際應用。結果表明該系統能實時地監測采棉機作業情況，可以快速、準確地定位采棉機。

農機具遠程監控系統為大型農機運營公司安全生產、科學調度提供了技術支持平臺，對農機具的信息化管理具有重要意義。

參考文獻：

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