森林檢測小車的GPRS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李嘉鵬 王心愉 蔣雨龍 李丹丹* 王仕臣

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著社會的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，智能科技代替人工人力的技術(shù)越來越成熟，自動化、信息化的發(fā)展使得工作的完成更高效、更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)前GPRS 技術(shù)已經(jīng)非常成熟，基于GPRS 的無線通訊技術(shù)使得我們在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸有了技術(shù)保證。

智能檢測小車，是基于計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展誕生的一種檢測工具。基于以上內(nèi)容，一款基于GPRS 技術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足技術(shù)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的反饋，使用GPRS 無線通訊模塊使得將在小車移動過程中可以根據(jù)各個傳感器中的數(shù)據(jù)及時進(jìn)行反饋，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時收集、存儲、處理、監(jiān)控、反饋相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行可靠傳輸。通過當(dāng)前人們熟悉的GPRS 傳輸模塊與單片機(jī)相結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測與處理，實(shí)現(xiàn)森林防火與預(yù)警。

1 GPRS 傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括溫度數(shù)據(jù)、肥力數(shù)據(jù)、火災(zāi)預(yù)警等數(shù)據(jù)收集。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1。

圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖

本設(shè)計(jì)運(yùn)用STM32 結(jié)合GPRS 無線通訊模塊完成對溫度、肥力信息、火災(zāi)預(yù)報等數(shù)據(jù)的監(jiān)控與傳輸，通過數(shù)據(jù)的接收，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過GPRS 模塊將數(shù)據(jù)傳送。在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集是應(yīng)該注意即使進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，從而保持傳送數(shù)據(jù)的實(shí)時性，本設(shè)計(jì)中采用SIM800A 模塊，該模塊有綜合的功能能夠保證高效的數(shù)據(jù)傳輸。

2 GPRS 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)計(jì)主要使用STM32-F103-VET6 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。GPRS 技術(shù)運(yùn)用分組交換技術(shù)，即將一個報文分成若干小的分組，然后進(jìn)行存儲下來后查找轉(zhuǎn)發(fā)表，轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結(jié)點(diǎn)，其相比于傳統(tǒng)采用電路交換的GSM 來說，速度更快，延時更小，準(zhǔn)確性更高。使用GPRS 模塊為SIM-800A，SIM800A 模塊可支持4 頻GSM/G PRS，工作頻段為GSM 850MHZ、EGSM 900MHZ、DCS 1800MHZ 和PCS 1900MHZ。

本系統(tǒng)由三個部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)單元、作為數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)。其中數(shù)據(jù)采集運(yùn)用各類傳感器采集溫度、濕度、土壤信息等，數(shù)據(jù)處理部分運(yùn)用STM32 單片機(jī)，通過單片機(jī)上的GPRS 模塊使得每一個采集模塊得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)位于監(jiān)控室的PC 端，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)收集

（1）本設(shè)計(jì)所使用濕度傳感器為RS485 數(shù)字傳感器，它會把溫度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)范圍的二進(jìn)制代碼，比如傳感器的測溫范圍是0 到100°，那對應(yīng)輸出的二進(jìn)制代碼是0x00 到0xFF，因?yàn)橐呀?jīng)是數(shù)字信號，單片機(jī)可以直接識別[3]。

（2）本設(shè)計(jì)所用超聲波傳感器為US-100 超聲波測距模塊，該模塊性能穩(wěn)定，測度距離精準(zhǔn)，模塊高精度，盲區(qū)小，遮擋物面積一般應(yīng)大于0.5 平方米，切不可太薄。測距模塊的原理圖如圖2 所示。

圖2 US-100 超聲波測距模塊

本模塊中觸發(fā)信號由Trig 端口從單片機(jī)想超聲波模塊發(fā)出，告訴超聲波測距模塊一個測距信號，超聲波測距模塊接收到信號后，超聲波模塊會發(fā)出8 個40kHZ 的方波，檢測是否有信號返回，如果有信號返回，Echo 會給單片機(jī)輸入回響信號，為高電平信號，且輸出的時間與檢測距離成比例，因此用公式，可以將信號返回時間換算成兩者間的距離，通常將測量周期設(shè)置為60ms 以上，防止發(fā)射信號對回響信號產(chǎn)生影響。

因?yàn)閮煞N模塊均采用RS485 進(jìn)行串口通訊，RS485 是半雙工的工作方式，但是可以做到多個發(fā)送多個接收，即掛在總線上的設(shè)備都可以進(jìn)行發(fā)送跟接收通過對單片機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而控制單片機(jī)對ROM進(jìn)行編輯當(dāng)作程序存儲器，存儲數(shù)據(jù)。

2.2 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸

在采集裝置中，STM32 通過向GPRS 模塊串口發(fā)送AT 指令，控制所采集到的信息的無線傳輸。GPRS 模塊數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)包括模塊初始化、建立連接、數(shù)據(jù)發(fā)送、關(guān)閉連接的過程。

在本設(shè)計(jì)中，與GPRS 模塊相連的為STM32 的USART4 串口，微控制器經(jīng)串口控制現(xiàn)場通信模塊和GPRS 模塊的工作。具體圖示如圖3 所示。

圖3 GPRS 與Internet 連接示意圖

其中當(dāng)模塊啟動的時候主控器通過AT 指令與SIM800A 模塊完成通信連接。STM32 主控器通過返回確認(rèn)值確定SIM32 的工作狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)注冊程序。

當(dāng)GPRS 出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸異常的情況發(fā)生時，比如TCP 發(fā)送數(shù)據(jù)錯誤或者TCP 連接中斷，則用“AT+CIPCLOSE”指令關(guān)閉鏈接，然后用“AT+CIPSTART”新建鏈接，此過程可重復(fù)進(jìn)行兩次；如果仍有錯誤發(fā)生，則使用“AT+CIPSHUT”關(guān)閉PDP 上下文然后重新建立鏈接。如果上述兩種方法仍無法解決傳輸異常的問題，保存采集數(shù)據(jù)于芯片中，然后對模塊進(jìn)行重啟，下次重新建立連接，續(xù)傳斷點(diǎn)數(shù)據(jù)。

GPRS 數(shù)據(jù)接收的系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)上位機(jī)數(shù)據(jù)接收軟件，用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳遞與交換。其中數(shù)據(jù)接收軟件采用Python/C 語言開發(fā)，軟件開發(fā)環(huán)境為Pycharm。Pycharm是Python 語言軟件開發(fā)工具包并適用于多種環(huán)境，數(shù)據(jù)接收軟件的功能用來進(jìn)行采集數(shù)據(jù)收集裝置的數(shù)據(jù)幀，同時配置采集裝置的信息，進(jìn)而完成采集周期，脈沖設(shè)置等參數(shù)的設(shè)定。采集裝置與接收軟件的數(shù)據(jù)交互及信息配置數(shù)據(jù)包有：采集裝置的請求數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)接收軟件的周期配置數(shù)據(jù)包、采集裝置采集的實(shí)時數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)接收軟件的確認(rèn)接收數(shù)據(jù)包等。數(shù)據(jù)接收軟件最終將交互數(shù)據(jù)存于log 文件中，用于數(shù)據(jù)展示、分析、查詢等，GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

為了實(shí)現(xiàn)與信息采集裝置的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)接收軟件需要具備的功能有：初始化并配置文件讀寫、連接采集裝置監(jiān)聽客戶端、數(shù)據(jù)接收線程以及數(shù)據(jù)回復(fù)線程、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示還有日志記錄等。

圖4 GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸流程圖

數(shù)據(jù)接收軟件將解析后的有用數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中來以供日后數(shù)據(jù)調(diào)取和數(shù)據(jù)分析之用，并展示出所得的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行。數(shù)據(jù)接收軟件對檢測到的信息進(jìn)行分類存儲，包括空氣溫濕度，土壤ph 值，土壤氮磷鉀肥力的數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)發(fā)送和接收需注意兩點(diǎn)：

（1）在數(shù)據(jù)發(fā)送/接收時要應(yīng)用USART_Get Flag Status()函數(shù)檢查USART4 的狀態(tài)，只有等到數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完畢之后才能進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。

（2）在數(shù)據(jù)發(fā)送開始前，需清除USART4 的標(biāo)志位，否則會第1 位數(shù)據(jù)會丟失。

2.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

圖5 程序設(shè)計(jì)流程

程序的主要流程圖如圖5 所示。STM32F103 單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心控制部分，主要采集、處理和傳輸傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)，STM32F103 單片機(jī)帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，由數(shù)模轉(zhuǎn)換通道再由單片機(jī)上的GPRS 傳輸模塊，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)再進(jìn)行存儲與處理，單片機(jī)可以自動判斷當(dāng)前的具體情況，進(jìn)行判斷，判斷數(shù)據(jù)是否達(dá)到設(shè)定數(shù)值，然后進(jìn)行報警，通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理進(jìn)而得到相應(yīng)的狀態(tài)分析，進(jìn)而使得總系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

GPRS 模塊與單片機(jī)之間采用串口通信、分組交換，當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)的分析與處理后，由單片機(jī)已經(jīng)編寫好的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，得出是否需要進(jìn)行警報，并把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

2.4 超聲波傳感器程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用的主要傳感器為超聲波測距傳感器，采用HC-SR04 模塊工作電壓3～5.5V。在5V 工作電壓下，探測距離為2～450cm。在3.3V 工作電壓，探測范圍為2～400cm。使用方法為接通VCC 和GND，出發(fā)引腳接提供超過10 微秒的電頻，發(fā)射端將發(fā)射脈沖，遇到障礙物反射后接受，經(jīng)過芯片處理，在回收引腳會場生一段時間高電平。經(jīng)過單片機(jī)可以計(jì)算出超聲波發(fā)射到接受過程需要的時間，根據(jù)聲速可以算出距離。用來進(jìn)行距離的測量和路徑的規(guī)劃，超聲波傳感器為數(shù)字信號的輸出，將超聲波測距模塊的輸出信號，直接輸出給單片機(jī)，單片機(jī)通過GPRS 模塊把從超聲波傳感器所獲得的信號，進(jìn)行放大、處理、判斷、傳輸，進(jìn)而使得單片機(jī)做出相應(yīng)的動作，從而完成對于從障礙物的避障。

3 結(jié)論

本論文使用STM32F103X 系列作為控制板，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊，通過GPRS 模塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對于兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸，GPRS 為現(xiàn)在常用的遠(yuǎn)距了，離通訊模塊，當(dāng)兩個模塊成功配對的時候，即可進(jìn)行兩者間的無線通訊，通過使用GPRS 傳輸故模塊即可解放勞動力，減少人力資源，解放生產(chǎn)力，智能化的現(xiàn)代林場的管理，改善了林區(qū)檢測范圍大，人力投入多的現(xiàn)狀，本文也有需要改進(jìn)的地方，例如通過使用更高端的通訊方式，例如使用5G+技術(shù)，使得林區(qū)作業(yè)可以進(jìn)行更為精確的操作，林區(qū)網(wǎng)上育種是一個更好的發(fā)展方向。