基于超聲波的農(nóng)機深松作業(yè)深度測量研究

王新龍，陳 偉

（長治學(xué)院 計算機系，山西 長治 046011）

1 引言

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，傳統(tǒng)的作業(yè)質(zhì)量檢測方式有很多缺陷，如測量數(shù)據(jù)誤差大、測量不及時等。為了檢測農(nóng)機深松作業(yè)的達(dá)標(biāo)情況，需要對農(nóng)機深松作業(yè)時的深度進(jìn)行實時監(jiān)測，并且將測量數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺服務(wù)器，在后臺服務(wù)器再進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)處理。文章研究了利用超聲波傳感器測距原理進(jìn)行農(nóng)機深松作業(yè)深度自動檢測的技術(shù)和方法，通過GPRS將測量數(shù)據(jù)無線傳輸至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同時可以方便地在客戶端進(jìn)行及時查看。

2 總體框架設(shè)計

本系統(tǒng)主要由超聲波深度檢測數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、云服務(wù)器搭建模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

其中，超聲波深度檢測數(shù)據(jù)采集可以對農(nóng)機深松作業(yè)的深度進(jìn)行實時檢測；GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊可以將采集到的數(shù)據(jù)同步上傳至云服務(wù)器。

3 硬件設(shè)計

實驗系統(tǒng)的硬件主要由M26四頻段GSM/GPRS無線模塊、HC-SR04超聲波測距模塊組成[1]。對于HC-SR04超聲波測距模塊以及M26模塊都是作為分模塊完成其各自功能，為實現(xiàn)硬件整合需要一個主控模塊。在綜合考慮性能、成本、功耗的因素的影響后，實驗采用了STM32系列中的STM32F103C8T6作為本次研究的主控芯片模塊。

3.1 超聲波測距模塊

實驗選用HC-SR04的超聲波測距模塊，HC-SR04超聲波測距模塊能夠?qū)崿F(xiàn)2 cm-400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3 mm，該模塊由超聲波發(fā)射器，接收器和控制電路組成。

在對HC-SR04超聲波測距模塊進(jìn)行控制時，基于Arduino電子平臺的便捷性與靈活性，該實驗選用了一款基于ATmega328處理器型號為nano的Arduino開發(fā)板作為HC-SR04超聲波測距模塊的控制板，以接受HC-SR04超聲波測距模塊所測量的數(shù)據(jù)。

3.2 M26四頻段GSM/GPRS無線模塊

對于作業(yè)點的經(jīng)緯度獲取及GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸功能，試驗中采用了移遠(yuǎn)通信技術(shù)有限公司研發(fā)的M26模塊，該模塊是一款工業(yè)級的四頻段GSM/GPRS無線模塊。它的工作頻段是：GSM850 MHz，GSM900 MHz，DCS1800 MHz和 PCS1900 MHz。M26提供GPRS數(shù)據(jù)傳輸，GSM短信業(yè)務(wù)，并支持GPRS multi-slot class1～12（默認(rèn)為 class12）、GPRS 編碼格式 CS-1、CS-2、CS-3 和 CS-4。

4 云服務(wù)器的搭建

后臺云服務(wù)器的運行與搭建主要基于java平臺以及騰訊云服務(wù)器平臺，通過java提供的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持及數(shù)據(jù)庫接入，搭建基本的服務(wù)器平臺，再通過基于騰訊云服務(wù)器平臺的外網(wǎng)接入功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端接入及GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，進(jìn)行農(nóng)機深松作業(yè)中的深度測量研究。

實驗中選擇了騰訊云服務(wù)器平臺，并在申請的云服務(wù)器平臺上搭建了實驗所用云主機，以便實現(xiàn)深度測量數(shù)據(jù)接收。

5 實驗驗證

5.1 HC-SR04超聲波深度測量實驗

HC-SR04超聲波測距模塊在實際運用時，根據(jù)其模塊使用時序圖（圖2），分為如下三個步驟：

（1）使用IO口中的TRIG引腳口觸發(fā)測距，即給該IO口輸入10 us以上的高電平信號。

（2）HC-SR04超聲波測距模塊接收到觸發(fā)信號后能夠自動通過超聲波發(fā)射口發(fā)送8個40 khz的方波，同時在超聲波接收口自動檢測是否有信號返回；

（3）當(dāng)有信號返回時，通過IO口ECHO口輸出一個高電平方波，高電平方波持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。因此測量距離公式為：測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2。實際測量深度時，作業(yè)深度=機手長度-測試距離。

圖2 HC-SR04超聲波測距模塊時序圖

5.2 經(jīng)緯度獲取及GPRS數(shù)據(jù)傳輸實驗

實驗采用了STM32系列中的STM32F103C8T6作為本次研究的主控芯片模塊，將HC-SR04超聲波測距模塊以及M26模塊通過硬件線路連線接入STM32F103C8T6芯片，正確連接后，運行控制程序?qū)崿F(xiàn)模塊各自功能。

圖3STM32F103C8T6與M26模塊連線圖

實驗通過串口連接傳輸相應(yīng)AT指令至M26模塊之中，以使M26模塊對應(yīng)完成基站定位獲取經(jīng)緯度及GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，如圖3所示。將STM32F103C8T6芯片與M26進(jìn)行線路連接，主要是進(jìn)行串口連線，即將M26模塊的TX引腳與STM32F103C8T6的RX引腳相連。將M26模塊的RX引腳與STM32F103C8T6的TX引腳，再將兩個芯片共同接地線，即可進(jìn)行M26模塊與STM32F103C8T6芯片的串口通信，可通過串口由STM32F103C8T6芯片向M26模塊發(fā)送AT指令，使M26模塊進(jìn)行相應(yīng)工作。

將超聲波測距模塊也接入STM32F103C8T6芯片上，由于在進(jìn)行超聲波測距時，對于HC-SR04超聲波測距模塊的控制芯片是Arduino nano開發(fā)板，因此直接與STM32F103C8T6芯片相連線的并不是HC-SR04超聲波測距模塊，而是這款基于ATmega328處理器的Arduino nano開發(fā)板，其基本工作原理是：開發(fā)板控制HC-SR04超聲波測距模塊進(jìn)行測距并得到測量數(shù)據(jù)，通過串口將得到的測量數(shù)據(jù)傳輸至STM32F103C8T6主控芯片。主要連線同樣是進(jìn)行串口連線，將Arduino nano開發(fā)板的TX引腳與STM32F103C8T6的RX引腳相連，將Arduino nano開發(fā)板的RX引腳與STM32F103C8T6的TX引腳，再將兩個芯片共同接地線，即可進(jìn)行Arduino nano開發(fā)板與STM32F103C8T6芯片的串口通信[2][3]。

由于STM32F103C8T6芯片具有5個USART，實驗中同時將M26模塊和Arduino nano開發(fā)板與STM32F103C8T6主控芯片進(jìn)行串口連線，因此可以進(jìn)行多個串口通信，而在進(jìn)行多個串口通信時只需設(shè)置好串口響應(yīng)優(yōu)先級及搶占優(yōu)先級即可。在進(jìn)行兩個串口同時通信時，采用了關(guān)閉響應(yīng)原理，在進(jìn)行一個串口通信時，人為關(guān)閉另一個串口響應(yīng)，如此交替進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，避免了因串口中斷搶占問題引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失、出錯等問題。

5.3 數(shù)據(jù)傳輸實驗

（1）STM32F103C8T6主控芯片在得到了Arduino nano開發(fā)板通過串口傳來的深度數(shù)據(jù)之后，啟動M26模塊的基站定位獲取經(jīng)緯度服務(wù)以得到經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，同時將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)與深度數(shù)據(jù)打包，通過M26模塊的GPRS數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)即可將打包數(shù)據(jù)傳輸至后臺服務(wù)器[4]。

通過M26模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其AT指令為：“AT+QIOPEN=[,],/,”，在搭建好云主機后，參數(shù)中的“IP address”根據(jù)云主機外網(wǎng)IP地址進(jìn)行確定，在云主機上發(fā)放相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收端口，確定AT指令中的“port”參數(shù)，通過TCP/IP協(xié)議即可成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

在測試實驗經(jīng)緯度獲取及GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送時，通過使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手這款軟件直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、IP地址及端口號的相應(yīng)設(shè)置，從云主機上即可正常接收數(shù)據(jù)[5]。

通過java語言開發(fā)平臺，引入相應(yīng)封裝類“java.net.ServerSocket”啟動一個服務(wù)器，在此類的變量后，通過語句“new ServerSocket（端口號）”便可開放相應(yīng)的服務(wù)器端口以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)[6-8]。

（2）客戶端設(shè)備連接云主機服務(wù)器成功后，即可向服務(wù)器發(fā)送處理打包好的數(shù)據(jù)。

（3）實驗測得：在長時間連續(xù)進(jìn)行下，設(shè)備仍能進(jìn)行正常工作，服務(wù)器同時可以正常接受并處理數(shù)據(jù)，并在服務(wù)器端動態(tài)顯示數(shù)據(jù)庫中最新存入的十個由設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)，測試結(jié)果見圖4。

圖4 服務(wù)器端動態(tài)顯示最十個數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

文章提出了一種農(nóng)機松作業(yè)時作業(yè)深度的檢測方法，并且結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對測試過程進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，從測試數(shù)據(jù)與實際作業(yè)數(shù)據(jù)對比來看，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測量效果較理想。該研究所采用的方法技術(shù)，未來可以在其他測距監(jiān)控場合得以應(yīng)用，這種方法是可行且高效的。