基于STM32橡胶园割胶作业信息平台设计与实现*

邓祥丰 ， 贾 倩 ， 黎土煜 ， 肖苏伟 ， 王玲玲 ， 吴思浩

（1.中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 海口 571101；2.国家重要热带作物工程技术研究中心机械分中心，海南 海口 571101）

天然橡胶是我国重要战略物资，也是海南省热带农业发展的重要产业，传统的割胶方式劳动强度大、技术要求高，随着电动割胶刀的研制并逐步推广应用，有效改善了胶工的作业条件。但目前电动割胶刀只在机械上实现了割胶作业功能，缺乏割胶作业相关数据信息的监测与反馈，无法为今后的农机补贴提供技术支撑。为使割胶作业精细化，本研究基于GPS技术，对4GXJ型电动割胶刀进行智能化升级，旨在为后期胶园信息化管理、作业补贴制定提供科学依据。将GPS模块与电动割胶刀主控模块进行有效耦合，研究并实现使用电动割胶刀作业路径数据的动态采集和远程传输，为实现使用电动割胶刀作业的信息化管理提供数据基础。

1 系统架构设计

1.1 定位装置的安装方案选取

通过分析4GXJ-2型电动割胶刀的整机设计情况，GPS模块可与电源模块进行耦合连接。由于胶刀主体的内部空间有限，除去传动结构、电调开关等部件已无空间容纳GPS模块，只能将其外置，且GPS模块的天线需要裸露于外部传送与接收来自卫星的信号[1-3]。因此，选择将GPS模块安装位置与电动割胶刀的电源装置相连接，在电源装置处仍保留一定的空间余量，并且在割胶作业的过程中，电源装置是放置在收纳包当中，即便GPS模块需要进行结构设计上的改进，也不影响电动割胶刀整体的结构。这样既保障了GPS模块的电源供应，也有相对于电动割胶刀主体充足的空间实现安装，如图1所示。

图1 电动割胶刀电源装置与GPS模块连接

1.2 数据信息采集与传输的框架设计

电动割胶刀的作业信息系统主要实现作业区域的位置信息采集、存储、传输以及移动轨迹的绘制等功能，系统结构包括位置信息感知层、数据传输层和应用管理层，系统架构如图2所示。

图2 系统架构

首先，GPS模块采集所在位置的经纬度数据，并在本地进行存储；其次，通过NB-IoT模块将位置信息传送到OneNET数据管理云平台；最后，云平台数据应用数据管理系统可对传感器数据进行处理和分析。其中位置信息感知层以STM32为应用控制核心，包括GPS模块、电源模块、存储管理、应用接口及外围控制电路等；无线通信NB-IoT模块主要实现传感器数据的传输功能；云平台应用管理软件包括PC端应用管理软件和移动端应用管理软件[4-9]。

2 系统硬件设计

2.1 整体结构的搭建

该定位终端主要实现检测目标的位置信息提取，并将位置信息传输至云平台，系统主要由定位终端和上位机两部分组成，定位终端主要由以搭载在STM32单片机的BC20为核心的GPS定位模块、通信模块以及无线串口模块组成，其中的数据传输均采用串行通信实现。位置检测模块主要实现定位数据的获取，若该定位终端位于基站覆盖范围内，则可通过BC20将定位信息上传，若未在基站覆盖范围内，可采用无线串口模块作为辅助通信手段将定位信息上传[10-12]。

本设计采用BC20模块来实现位置信息的获取，BC20模块与STM32单片机通过串口相连，STM32微处理器向BC20模块发送AT指令，对BC20模块进行定位方式选择的控制，BC20模块将采集的数据发送给STM32单片机，从而获取到具体的位置信息。通常STM32单片机集成有5路串口，在本设计中使用3个串口。将UART2和UART3与无线传输模块相连，将位置信息上传至上位机。UART1为BC20模块的主串口，用于AT指令的传送、GPS数据的传输，通过该串口将AT指令传送到BC20模块，收到指令后BC20模块进行解析，并将采集到的数据通过该串口传输到STM32单片机，具体流程如图3所示[13]。定位开启后，微处理器通过串口向BC20模块发送打开GPS定位方式的指令，模块开启GPS定位，若检测不到目标的位置信息，微处理器将通过打开基站定位的方式，将目标位置信息快速上传至人机界面上，确保在任何情况下能够检测到目标的具体位置。

图3 定位检测流程

2.2 主控板的设计

基于GPS技术的4GXJ型电动割胶刀优化升级，所应用到的配件主要有STM32单片机开发板、GNSS有源天线、USB数据通信线、串口调试与下载程序、DC 5V 2A电源适配器、SIM卡等，如图4所示。

图4 主控板STM32单片机

4GXJ-2型电动割胶刀的位置信息监测与作业轨迹绘制的实现，以STM32主控板为搭载核心，BC20模块为通信渠道，其中包括GNSS无线通信模块、NB-IoT通信模块及供电模块等部分，硬件架构如图5所示。主控板STM32使用单总线协议读取来自串口协议，采集到的数据帧由STM32单片机进行解析并转化为定位信息，并通过通信模块的串口将数据上传至OneNET服务器平台，最终实现移动轨迹的绘制以及位置信息的获取与记录[14]。

图5 硬件架构图

3 软件系统设计

3.1 通信协议的选择

在数据传送上，BC20通信模组可经过HTTP协议将数据发送至网页终端，通过MQTT/LWM2M协议将数据发送至OneNET平台。本研究选择OneNET平台作为系统的搭载平台，通过LWM2M协议进行GPS终端与OneNET平台之间的数据传输[15]。

3.2 位置信息数据的获取

通过USB数据串接口将STM32单片机与PC端连接通电，并在软件中启动BC20的控制程序，激活GPS模块与卫星的定位，如图6所示。由于需要通过搜星来获取卫星信息，因此在刚进行激活时显示界面产生延时，位置获取的响应较慢。在进行位置信息采集时，要将信号线裸露在外界，以此来保持数据信号传输的稳定性。

图6 GPS经纬度位置信息显示

程序运行后，微处理器通过串口向BC20模块发送打开GPS定位方式的指令AT+QGNSSC=1，模块开启GPS定位。开启GPS定位后，模块能快速返回GPS数据，显示经纬度信息。使用GPS模块检测到的测试位置信息为东经110.193 763°、北纬19.590 056°，使用百度网页坐标拾取系统获取到的检测地点经纬度信息为东经110.194 851°、北纬19.591 017°。根据经纬度换算度分秒法则，东经110.193 763°=110°11′37″、北纬19.590 056°=19°35′24″；同理，实际经纬度信息换算后为东经110°11′41″、北纬19°35′27″[16]。根据两点经纬度距离公式可知，使用设备检测到的位置与实际位置的偏差范围较小。

3.3 平台数据传输的实现过程

将GPS定位传感器、温湿度传感器、光照传感器与单片机主板连接，USB 电源给系统供电，串口调试工具QCOM界面显示串口的打印输出，波特率设置为115 200 bit/s。通过NB-IoT通信模组将开发板与OneNET平台连接，平台接收到通信模组的移动SIM卡的状态、信号质量、注册状态，从而实现数据互联互通。

OneNET平台收到终端发出的消息后，推送topic（Qos0级别）到相关的订阅设备，待平台显示订阅成功后，OneNET 平台与终端设备可以互联互通。通过API调用，并采用HTTP协议将所获得的位置信息接入OneNET平台，从而实现电动割胶刀作业状态的信息读取，web端的显示界面如图7所示[17-18]。

图7 信息平台显示

4 总结

1）完成电动割胶刀的主控模块与GPS模块的集成。通过对4GXJ-2型电动割胶刀内部空间结构的分析，选取出适合与GPS模块耦合的部位。

2）完成GPS信息定位数据的采集。目前已根据GPS模块的功能特征，初步解析位置定位的传输与反馈模式，对相关的数据信息进行采集并由PC端将具体的经纬度参数显示出来，从而获取目标区域较为详细的位置信息。

3）通过本研究可绘制割胶作业行走路径轨迹并在终端上进行反馈，也为后期胶园信息化管理、作业补贴制定提供依据。