基于ARM的农机作业信息远程传输系统设计*

孙永佳，窦青青，张波，孙宜田，沈景新

(1. 山东省农业机械科学研究院，济南市，250100； 2. 卡乐(济南)设计有限公司，济南市，250031)

0 引言

农机作业信息远程传输系统是采用GPS/BDS卫星定位技术、GPRS无线传输技术和计算机自动化控制技术，将农机作业的数据信息、空间信息和图像信息传输到远程监管平台的综合性系统。目前，国外的大型农业机械大部分均安装有远程实时监控系统，通过车载终端采集农机作业位置及工作状态等信息，并通过无线通信网络向监控管理中心服务器实时传输[1-2]。

随着“十三五”以来对智能农机装备的深入研究，我国在耕、种、管、收等主要农机作业环节均有智能化监控装备安装应用，但对于农机作业信息远程传输系统的研究刚刚起步，如杜志伟等[3]采用LPC2368芯片设计的农机作业状态监控系统，按照JT/T808协议传输数据，数据传输成功率在98.3%左右；田野等[4]基于嵌入式技术和3 g通信技术设计一套应用于农机作业现场的视频无线传输系统，能够实现每秒25帧720×576分辨率的实时视频传输。这些产品功能过于单一，无法满足客户对农机远程监控管理产品日益增长的需求，并且由于农机作业多在野外偏僻的农田，无线网络覆盖面不如城市地区广泛，存在无线网络信号丢失的盲点，此时采集到的作业信息就无法传输到远程监管平台，导致作业数据丢失[5-7]。因此，研究具有补传机制的农机作业信息远程传输系统显得十分重要。

针对上述情况，本文设计了一款基于ARM的农机作业信息远程传输系统，可以实现农机作业的数据信息、空间信息和图像信息的远程传输，同时设计了作业信息补传系统，保证了在田间GPRS移动无线网络信号丢失时的作业信息正常传输，并对数据远程传输模块、作业图像采集模块、CAN总线通信模块和卫星定位模块等进行设计，并进行试验验证。

1 系统总体方案

整个远程传输系统的设计框图如图1所示，包括数据远程传输模块、作业图像采集模块、CAN总线通信模块、卫星定位模块和作业数据补传模块，其中，CAN总线通信模块与各种机具的作业数据采集系统连接，作业数据采集系统可按照约定好的通信协议向本文设计的远程输出系统发送作业数据，例如播种机的每行播种数量、植保机的喷雾流量、深松机的耕作深度等。

图1 控制系统整体设计框图

作业图像采集模块和卫星定位模块负责作业机具的图像数据和空间数据的采集，控制器负责生成机具作业的时间数据，并把收集到的时间信息、空间信息、图像信息和作业数据信息进行数据帧解析整合，通过远程传输模块发送到监管平台，从而实现各种类型农机具的作业信息的远程传输。数据补传模块用于田间无线信号缺失时的作业信息本地存储和远程补传，与控制器之间通过SPI总线连接。

2 远程传输系统硬件设计

系统硬件设计分为器件选型和原理图PCB设计，设计软件采用Altium Designer 2015，分模块进行设计，硬件部分的模块组成包括主芯片电路、作业图像采集模块、作业数据采集系统、远程传输和卫星定位模块以及作业数据补传模块。

2.1 主芯片电路

针对系统对多种通信接口的需求，主芯片选用STM32F103，该芯片采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz，内部拥有资源包括3个SPI、2个IIC、5个USART、1个USB、1个CAN等，并带有4个片选的灵活的静态存储器控制器，支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器，配置非常强大，满足系统需求[17]，主芯片电路如图2所示。

图2 主芯片电路

2.2 作业图像采集模块

作业图像采集模块通过串口摄像头采集农机的田间作业图像，摄像头需要具备很好的防水性能，本文选用JP-C38CK型串口摄像头，其内部包含30万像素CMOS传感器，可输出标准JPEG/M-JPEG格式的图像，具有标准的RS232串行接口，可实现自动曝光、自动白平衡、自动增益控制。串口摄像头与控制器之间通过串口进行数据通信，波特率设置为9 600 bps，串口电路如图3所示，串口芯片选用MAX3232。

图3 串口电路

2.3 作业数据采集系统

现有的农机装备智能监控系统基本都可实现农机作业数据的采集，但缺少远程传输功能，本文设计的远程传输系统需要通过一个通信接口读取这些监控系统采集到的作业数据，参考国外成熟的ISO-BUS总线，本文选用CAN总线作为农机作业数据采集接口。

主芯片STM32F103内部集成有1个CAN总线控制器，支持标准的CAN2.0B通信，与作业数据采集系统之间还需要CAN收发器才能实现数据通信。本文选用SN65HVD233芯片作为CAN收发器，该芯片具有高输入阻抗，允许120个节点保护，过电压保护高达±36 V，同时还具有容错接地保护以及过热关断保护等功能，在农机作业高噪声、高扰动的复杂工作环境下具有良好的工作性能，总线接口电路如图4所示。

图4 总线接口电路

2.4 远程传输和卫星定位模块

为了降低系统成本，简化硬件电路，本文选用一个集成化的SIM808模块来实现远程传输和卫星定位功能。SIM808是由SIMCOM推出的GSM+GPS+蓝牙三合一组合模块，其内部集成了四频段GSM/GPRS和GPS导航技术，可大大节省用户开发GPS应用的时间和成本。SIM808的GPRS上行、下行传输最大速率均可达85.6 kbps，GPS定位水平精度<2.5 m，定时准确性10 ns，SIM808与控制器之间通过串口进行通信，控制器通过发送AT命令对SIM808进行控制，其电路如图5所示。

图5 SIM808控制电路

2.5 作业数据补传模块

针对农机在田间作业易发生无线信号丢失，导致远程平台接收到的作业数据缺失的问题，本文设计的远程传输系统具备数据本地存储和远程补传的功能，当无线信号丢失，无法连接远程平台时，先把当前的作业数据存储到机载储存单元中，当系统重新接入到远程平台时，把记录下来的数据进行补传，确保整个作业环节数据连续可靠。数据储存单元选用W25Q128芯片，该芯片是一款SPI接口NOR Flash芯片，其存储空间为16 MB，非常适用于RAM的编码映射，可直接通过(两线/四线)SPI接口执行代码、存储语音、文本和数据，本文的W25Q128芯片通过四线SPI接口与主芯片连接，电路如图6所示。

图6 数据补传模块电路

3 远程传输协议设计

本文设计的SIM808与远程平台之间通过TCP/IP协议进行数据传输，服务器地址采用域名方式，端口号为8080，整个传输的数据帧包括帧头、作业类型、设备ID、数据长度、作业数据、校验码和帧尾等，通信协议如表1所示，帧头、校验码和帧尾用于校验远程传输系统发送数据的有效性，若三者任意一项校验未通过，则表明该帧数据为无效数据；作业类型用于区分不同作业环节的数据，本文设计的远程传输系统播种作业设置为10400，深松作业设置为10200，植保作业设置为10500，收获作业设置为10700；设备ID用于区分同作业类型下的不同设备，长度为4个字节，可区分多达42亿台设备；数据长度用于指定传输到远程平台的每帧数据的具体长度，便于平台进行数据解析；作业数据的长度不固定，其与作业类型匹配，包含作业的时间信息、数据信息、图像信息和空间信息，其中数据信息和图像信息通过标志位进行区分，空间信息的经纬度按照ASCII码格式发送。

表1 通信协议Tab. 1 Communication protocol

以深松作业为例，具体的作业数据的传输协议如表2所示，先发送作业的具体时间，此时间从定位模块中读取，需要进行北京时间转换，故障状态位用于平台判断机具端的故障，并进行故障信息记录，便于进行系统查询，具体的故障类型可查询对应的故障代码说明，卫星连接数量用于指示当前的连接卫星信号强度，数量越大表示信号强度越好，图片数据标志位用于区分作业数据和照片数据，幅宽表示机具的作业宽幅，用于平台进行面积计算，实时耕深为机具端采集的实际耕作深度，平台可根据该数据进行作业质量判断。

表2 深松作业数据协议Tab. 2 Subsoiling operation data protocol

4 远程传输系统软件设计

系统软件采用Keil uVision5开发，采用模块化开发模式，软件流程如图7所示，系统上电后先进行CAN模块初始化操作，初始化完毕后通过CAN通信模块接收作业数据采集系统发送的作业数据，之后系统初始化串口模块和SIM808芯片，通过串口1读取SIM808定位模块的时间信息和空间信息，通过串口2读取摄像头采集的图像信息，最后与CAN通信读取到的作业数据按照远程传输协议进行数据融合，然后设置SIM808的远程传输协议为TCP/IP，并根据要连接的远程平台设置平台域名和端口号，通过串口发送AT指令与远程服务器建立通信连接，若连接失败，则把此时的数据信息存储到本地的NOR Flash芯片中，然后重新尝试与服务器建立连接。连接成功后，先判断是否存在需要补传的数据信息，若是则先发送补传数据，补传数据发送完毕后，发送实时数据。

图7 系统软件流程图

5 试验

本文设计的农机作业信息远程传输系统在山东农业机械科学研究院的远程监管平台上进行了应用，并进行了系统通信可靠性测试和系统安全保障机制试验。

5.1 系统可靠性测试

试验时，远程传输系统安装在拖拉机上，田间地块无高建筑遮挡，在远程服务器通过网络调试助手设置好IP地址和端口号，并进行数据监听。远程传输系统配置SIM808的发送地址和端口号与远程服务器一致，之后进行数据传输，发送时间间隔为2 s，发送的数据帧内包含该包数据的帧序号，每发送完一帧数据帧序号自动加1，累计发送1 000帧数据后停止试验，通过远程平台的网络调试助手查看接收到的数据帧是否存在数据丢失的情况，分别记录远程传输系统发送的数据帧数和接收到的数据帧数，计算数据丢包率，重复5次试验，试验结果如表3所示。

表3 数据丢包率试验结果Tab. 3 Packet loss rate experiment result

由表3可知，本文设计的远程传输系统的数据丢包率不超过0.2%，系统稳定可靠。产生数据丢包的主要原因是平台网络环境的波动，由于本系统具有数据补传机制，因此即使网络环境波动时，数据仍可以有效地传输。

5.2 系统安全保障机制试验

对系统安全保障机制进行测试时，在系统远程通信正常的情况下，通过关闭远程平台网络调试助手的端口的方式模拟系统远程传输异常现象，远程传输系统与远程平台的连接断开后，重新打开网络调试助手的监听端口。传输的数据帧中包含补传数据标志位，通过观察网络调试助手接收到的数据帧是否包含补传标志位，判断数据补传是否成功，重复5次试验，记录数据，如表4所示。

由表4可知，本文设计的农机作业信息远程传输系统的安全保障机制完善，掉线后数据补传的成功率为100%，系统通信可靠性良好，满足远程监管的要求。

表4 数据补传试验结果Tab. 4 Data supplementary transmission experiment result

6 结论

1) 本文设计的基于ARM的农机作业信息远程传输系统，结构精简，操作方便，可以实现农机作业的数据信息、空间信息和图像信息的远程传输，并具有作业信息补传机制，保证了在田间GPRS移动无线网络信号丢失时的作业信息正常传输，为作业质量远程监管提供了技术支撑。

2) 试验结果表明，该系统丢包率低于0.2%，掉线后数据补传的成功率100%，系统通信可靠性和安全性良好。