基于ARM的農機作業信息遠程傳輸系統設計*

孫永佳，竇青青，張波，孫宜田，沈景新

(1. 山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100； 2. 卡樂(濟南)設計有限公司，濟南市，250031)

0 引言

農機作業信息遠程傳輸系統是采用GPS/BDS衛星定位技術、GPRS無線傳輸技術和計算機自動化控制技術，將農機作業的數據信息、空間信息和圖像信息傳輸到遠程監管平臺的綜合性系統。目前，國外的大型農業機械大部分均安裝有遠程實時監控系統，通過車載終端采集農機作業位置及工作狀態等信息，并通過無線通信網絡向監控管理中心服務器實時傳輸[1-2]。

隨著“十三五”以來對智能農機裝備的深入研究，我國在耕、種、管、收等主要農機作業環節均有智能化監控裝備安裝應用，但對于農機作業信息遠程傳輸系統的研究剛剛起步，如杜志偉等[3]采用LPC2368芯片設計的農機作業狀態監控系統，按照JT/T808協議傳輸數據，數據傳輸成功率在98.3%左右；田野等[4]基于嵌入式技術和3 g通信技術設計一套應用于農機作業現場的視頻無線傳輸系統，能夠實現每秒25幀720×576分辨率的實時視頻傳輸。這些產品功能過于單一，無法滿足客戶對農機遠程監控管理產品日益增長的需求，并且由于農機作業多在野外偏僻的農田，無線網絡覆蓋面不如城市地區廣泛，存在無線網絡信號丟失的盲點，此時采集到的作業信息就無法傳輸到遠程監管平臺，導致作業數據丟失[5-7]。因此，研究具有補傳機制的農機作業信息遠程傳輸系統顯得十分重要。

針對上述情況，本文設計了一款基于ARM的農機作業信息遠程傳輸系統，可以實現農機作業的數據信息、空間信息和圖像信息的遠程傳輸，同時設計了作業信息補傳系統，保證了在田間GPRS移動無線網絡信號丟失時的作業信息正常傳輸，并對數據遠程傳輸模塊、作業圖像采集模塊、CAN總線通信模塊和衛星定位模塊等進行設計，并進行試驗驗證。

1 系統總體方案

整個遠程傳輸系統的設計框圖如圖1所示，包括數據遠程傳輸模塊、作業圖像采集模塊、CAN總線通信模塊、衛星定位模塊和作業數據補傳模塊，其中，CAN總線通信模塊與各種機具的作業數據采集系統連接，作業數據采集系統可按照約定好的通信協議向本文設計的遠程輸出系統發送作業數據，例如播種機的每行播種數量、植保機的噴霧流量、深松機的耕作深度等。

圖1 控制系統整體設計框圖

作業圖像采集模塊和衛星定位模塊負責作業機具的圖像數據和空間數據的采集，控制器負責生成機具作業的時間數據，并把收集到的時間信息、空間信息、圖像信息和作業數據信息進行數據幀解析整合，通過遠程傳輸模塊發送到監管平臺，從而實現各種類型農機具的作業信息的遠程傳輸。數據補傳模塊用于田間無線信號缺失時的作業信息本地存儲和遠程補傳，與控制器之間通過SPI總線連接。

2 遠程傳輸系統硬件設計

系統硬件設計分為器件選型和原理圖PCB設計，設計軟件采用Altium Designer 2015，分模塊進行設計，硬件部分的模塊組成包括主芯片電路、作業圖像采集模塊、作業數據采集系統、遠程傳輸和衛星定位模塊以及作業數據補傳模塊。

2.1 主芯片電路

針對系統對多種通信接口的需求，主芯片選用STM32F103，該芯片采用Cortex-M3內核，CPU最高速度達72 MHz，內部擁有資源包括3個SPI、2個IIC、5個USART、1個USB、1個CAN等，并帶有4個片選的靈活的靜態存儲器控制器，支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器，配置非常強大，滿足系統需求[17]，主芯片電路如圖2所示。

圖2 主芯片電路

2.2 作業圖像采集模塊

作業圖像采集模塊通過串口攝像頭采集農機的田間作業圖像，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，其內部包含30萬像素CMOS傳感器，可輸出標準JPEG/M-JPEG格式的圖像，具有標準的RS232串行接口，可實現自動曝光、自動白平衡、自動增益控制。串口攝像頭與控制器之間通過串口進行數據通信，波特率設置為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 作業數據采集系統

現有的農機裝備智能監控系統基本都可實現農機作業數據的采集，但缺少遠程傳輸功能，本文設計的遠程傳輸系統需要通過一個通信接口讀取這些監控系統采集到的作業數據，參考國外成熟的ISO-BUS總線，本文選用CAN總線作為農機作業數據采集接口。

主芯片STM32F103內部集成有1個CAN總線控制器，支持標準的CAN2.0B通信，與作業數據采集系統之間還需要CAN收發器才能實現數據通信。本文選用SN65HVD233芯片作為CAN收發器，該芯片具有高輸入阻抗，允許120個節點保護，過電壓保護高達±36 V，同時還具有容錯接地保護以及過熱關斷保護等功能，在農機作業高噪聲、高擾動的復雜工作環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 遠程傳輸和衛星定位模塊

為了降低系統成本，簡化硬件電路，本文選用一個集成化的SIM808模塊來實現遠程傳輸和衛星定位功能。SIM808是由SIMCOM推出的GSM+GPS+藍牙三合一組合模塊，其內部集成了四頻段GSM/GPRS和GPS導航技術，可大大節省用戶開發GPS應用的時間和成本。SIM808的GPRS上行、下行傳輸最大速率均可達85.6 kbps，GPS定位水平精度<2.5 m，定時準確性10 ns，SIM808與控制器之間通過串口進行通信，控制器通過發送AT命令對SIM808進行控制，其電路如圖5所示。

圖5 SIM808控制電路

2.5 作業數據補傳模塊

針對農機在田間作業易發生無線信號丟失，導致遠程平臺接收到的作業數據缺失的問題，本文設計的遠程傳輸系統具備數據本地存儲和遠程補傳的功能，當無線信號丟失，無法連接遠程平臺時，先把當前的作業數據存儲到機載儲存單元中，當系統重新接入到遠程平臺時，把記錄下來的數據進行補傳，確保整個作業環節數據連續可靠。數據儲存單元選用W25Q128芯片，該芯片是一款SPI接口NOR Flash芯片，其存儲空間為16 MB，非常適用于RAM的編碼映射，可直接通過(兩線/四線)SPI接口執行代碼、存儲語音、文本和數據，本文的W25Q128芯片通過四線SPI接口與主芯片連接，電路如圖6所示。

圖6 數據補傳模塊電路

3 遠程傳輸協議設計

本文設計的SIM808與遠程平臺之間通過TCP/IP協議進行數據傳輸，服務器地址采用域名方式，端口號為8080，整個傳輸的數據幀包括幀頭、作業類型、設備ID、數據長度、作業數據、校驗碼和幀尾等，通信協議如表1所示，幀頭、校驗碼和幀尾用于校驗遠程傳輸系統發送數據的有效性，若三者任意一項校驗未通過，則表明該幀數據為無效數據；作業類型用于區分不同作業環節的數據，本文設計的遠程傳輸系統播種作業設置為10400，深松作業設置為10200，植保作業設置為10500，收獲作業設置為10700；設備ID用于區分同作業類型下的不同設備，長度為4個字節，可區分多達42億臺設備；數據長度用于指定傳輸到遠程平臺的每幀數據的具體長度，便于平臺進行數據解析；作業數據的長度不固定，其與作業類型匹配，包含作業的時間信息、數據信息、圖像信息和空間信息，其中數據信息和圖像信息通過標志位進行區分，空間信息的經緯度按照ASCII碼格式發送。

表1 通信協議Tab. 1 Communication protocol

以深松作業為例，具體的作業數據的傳輸協議如表2所示，先發送作業的具體時間，此時間從定位模塊中讀取，需要進行北京時間轉換，故障狀態位用于平臺判斷機具端的故障，并進行故障信息記錄，便于進行系統查詢，具體的故障類型可查詢對應的故障代碼說明，衛星連接數量用于指示當前的連接衛星信號強度，數量越大表示信號強度越好，圖片數據標志位用于區分作業數據和照片數據，幅寬表示機具的作業寬幅，用于平臺進行面積計算，實時耕深為機具端采集的實際耕作深度，平臺可根據該數據進行作業質量判斷。

表2 深松作業數據協議Tab. 2 Subsoiling operation data protocol

4 遠程傳輸系統軟件設計

系統軟件采用Keil uVision5開發，采用模塊化開發模式，軟件流程如圖7所示，系統上電后先進行CAN模塊初始化操作，初始化完畢后通過CAN通信模塊接收作業數據采集系統發送的作業數據，之后系統初始化串口模塊和SIM808芯片，通過串口1讀取SIM808定位模塊的時間信息和空間信息，通過串口2讀取攝像頭采集的圖像信息，最后與CAN通信讀取到的作業數據按照遠程傳輸協議進行數據融合，然后設置SIM808的遠程傳輸協議為TCP/IP，并根據要連接的遠程平臺設置平臺域名和端口號，通過串口發送AT指令與遠程服務器建立通信連接，若連接失敗，則把此時的數據信息存儲到本地的NOR Flash芯片中，然后重新嘗試與服務器建立連接。連接成功后，先判斷是否存在需要補傳的數據信息，若是則先發送補傳數據，補傳數據發送完畢后，發送實時數據。

圖7 系統軟件流程圖

5 試驗

本文設計的農機作業信息遠程傳輸系統在山東農業機械科學研究院的遠程監管平臺上進行了應用，并進行了系統通信可靠性測試和系統安全保障機制試驗。

5.1 系統可靠性測試

試驗時，遠程傳輸系統安裝在拖拉機上，田間地塊無高建筑遮擋，在遠程服務器通過網絡調試助手設置好IP地址和端口號，并進行數據監聽。遠程傳輸系統配置SIM808的發送地址和端口號與遠程服務器一致，之后進行數據傳輸，發送時間間隔為2 s，發送的數據幀內包含該包數據的幀序號，每發送完一幀數據幀序號自動加1，累計發送1 000幀數據后停止試驗，通過遠程平臺的網絡調試助手查看接收到的數據幀是否存在數據丟失的情況，分別記錄遠程傳輸系統發送的數據幀數和接收到的數據幀數，計算數據丟包率，重復5次試驗，試驗結果如表3所示。

表3 數據丟包率試驗結果Tab. 3 Packet loss rate experiment result

由表3可知，本文設計的遠程傳輸系統的數據丟包率不超過0.2%，系統穩定可靠。產生數據丟包的主要原因是平臺網絡環境的波動，由于本系統具有數據補傳機制，因此即使網絡環境波動時，數據仍可以有效地傳輸。

5.2 系統安全保障機制試驗

對系統安全保障機制進行測試時，在系統遠程通信正常的情況下，通過關閉遠程平臺網絡調試助手的端口的方式模擬系統遠程傳輸異常現象，遠程傳輸系統與遠程平臺的連接斷開后，重新打開網絡調試助手的監聽端口。傳輸的數據幀中包含補傳數據標志位，通過觀察網絡調試助手接收到的數據幀是否包含補傳標志位，判斷數據補傳是否成功，重復5次試驗，記錄數據，如表4所示。

由表4可知，本文設計的農機作業信息遠程傳輸系統的安全保障機制完善，掉線后數據補傳的成功率為100%，系統通信可靠性良好，滿足遠程監管的要求。

表4 數據補傳試驗結果Tab. 4 Data supplementary transmission experiment result

6 結論

1) 本文設計的基于ARM的農機作業信息遠程傳輸系統，結構精簡，操作方便，可以實現農機作業的數據信息、空間信息和圖像信息的遠程傳輸，并具有作業信息補傳機制，保證了在田間GPRS移動無線網絡信號丟失時的作業信息正常傳輸，為作業質量遠程監管提供了技術支撐。

2) 試驗結果表明，該系統丟包率低于0.2%，掉線后數據補傳的成功率100%，系統通信可靠性和安全性良好。