基于ARM的农机作业信息远程传输系统设计与实现

庞国红

（辽宁省昌图县亮中桥镇农业综合服务中心，辽宁 铁岭 112524）

随着信息技术的发展，各种高新技术被广泛应用于农业生产中，以有效收集农业生产环境的信息，推动农业农村现代化。农机作业信息远程传输系统采用GPS/BDS卫星定位技术，将设计信息传输到远程监控平台，目前国外大型农业机械基本上都安装了远程实时监控系统，通过无线通信网络向监控中心服务器实时传输。我国在主要农机作业环节应用智能监控装备，有学者研究采用LPC2368芯片设计农机作业状态监控系统，数据传输成功率为98.3%；实践证明，该产品功能过于单一，无法满足客户的需求，农机作业于偏僻农田环境，无线网络覆盖面较小，采集作业信息无法传输到远程监管平台。因此，研究一种具有补传机制的农机作业信息远程传输系统非常重要。

1 农机作业信息远程传输系统技术

随着科技的进步，人们对农产品质量的要求越来越高，传统农业种植方式不能满足现代社会的需求[1]。当前我国设施农业温室大棚广泛应用，但大部分采用传统手工测试控制方式，由于工业机使用成本价格昂贵，给农业生产应用带来很大不便，利用嵌入式集中器作为主控制器是适宜的选择。农机作业信息远程传输系统可以有效提高农技人员的积极性，在未来农业发展中具有重要的科研价值。

农机作业信息远程传输系统研究有助于改善传统生产管理技术落后情况，提高我国农业的核心竞争力[2]。嵌入式系统是以应用为中心对系统可靠性等严格规定的计算机专用系统，嵌入式系统被广泛应用于工控网络设备、环境监测等多个领域，嵌入式系统结构包含板载硬件、嵌入式应用程序等，应用程序和操作系统构成系统软件部分。嵌入式系统具有芯片集成度高、响应速度快等特点，目前全球嵌入式操作系统已有200多种，随着嵌入式领域的发展，许多商业嵌入式操作系统有大量开放源码操作系统。嵌入式操作系统的选择是前期设计的重要工作，选用系统应考虑操作系统对硬件的支持，选择满足应用需求的操作系统非常重要。嵌入式系统软件平台由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入式处理器主频通常为40 MHz，常见的嵌入式系统有μClinux、PalmOS等[3]。处理器带有MMU可以从硬件上将应用程序分开编译管理，没有MMU的处理器经常应用程序操作系统编译运行。ARM处理器被广泛应用于无线通信、网络产品等领域，以ARM技术的微处理器应用占据32位RISC微处理器约75%以上市场份额，采用RISC架构的ARM微处理器具有低成本、高性能的特点，可兼容8位/16位器件，大多数数据操作在寄存器中完成。以ARM为内核的处理器不断增多，选择开发基于ARM的嵌入式系统需要合理选择微处理器。

2 农机作业信息远程传输系统设计

现代化农业基于精细农业的理念，农田中的温湿度等特性随着时空变化，目前采用统一管理模式容易造成资源浪费、低效率等问题，采用精细农业确定合适的管理决策可以降低消耗，实时监测农田的温湿度、降雨量等参数，保证农产品优质高产[4]。精细农业管理方式需要获得农作物生长环境信息数据，根据收集到的数据作业、决策、施肥等。随着传感器技术及通信半导体技术的发展，可集成信息采集等多种功能，打破传统计算机设计模式，为农业信息化发展奠定基础。借助工业监测领域技术设计农机作业信息远程传输系统，使系统集成性、稳定性与现场可操作性大幅度提高。控制系统整体设计框图如图1所示。

图1 控制系统整体设计框图

传统农机作业远程信息传输系统采用人工方式控制环境，由于人为因素影响降低了控制效率。研究设计基于ARM的农机作业信息远程传输系统，设计作业信息补传系统，对数据远程传输模块、CAN总线通信模块等进行设计与实验验证。远程传输系统设计包括作业图像采集模块、卫星定位模块等[5]。CAN总线通信模块与机具作业数据采集系统连接，设计远程传输系统发出作业数据，如植保机的喷雾流量等。作业图像采集模块负责作业机具的图像数据采集，控制器负责将收集的时空信息与作业数据信息进行解析整合，实现各种类型农业机具作业信息的远程传输。农机作业信息远程传输系统由多个硬件平台和软件组成，设计包括嵌入式集中器子系统、智能手机App子系统等。系统功能划分包括集中器管理子系统与手机App管理子系统等模块，PC机服务器子系统分为数据存储查询、温室数据曲线变化等，集中器子系统包括数据采集单元、设备控制单元等。

3 基于ARM的农机作业信息远程传输系统的实现

农业是人类生存发展的基础，现代农业应用新技术可以使操作者获取实时数据，功能模块优化等方面更加智能，对影响作物生长环境因素实现智能采集判断。实现农业生产信息化发展中必须有效控制相关因素数据采集，采取有效保护措施减少不利因素造成的损失[6]。农机作业信息传输系统可有效指导农业生产作业，基于ARM的农机作业信息传输系统将传感器挂接于环境现场作为监测点，通过外围电路配置各种应用接口检测环境信息，将采集数据融合传输到客户端实现远程监测。

3.1 农机作业信息远程传输系统硬件

现代科技快速发展使得各种新型设备在农业生产中得到普及，新技术可以使功能模块优化等方面更加智能化，对影响农业作物生长环境因素实现智能采集，采取有效保护措施克服人为因素造成的弊端，充分发挥智能化带给农业生产的经济效益[7]。通过温湿度传感器等组成多传感器模块，对信息进行归一化处理，通过网络通信模块将信息发送至手机端。系统服务端包括传感器和通信模块，客户端向服务器发出请求处理时，数据请求通过HTTP POST方法发送。

系统硬件设计分为器件选型与原理图PCB设计，硬件部分模块组成包括主芯片电路、作业数据采集系统等。针对系统对多种通信接口需求，芯片采用Cortex-M3内核，内部拥有资源包括3个SPI等，带有4个片选的灵活静态存储器控制器，支持SRAM、NAND存储器等[8]。作业图像采集模块通过串口摄像机采集农机田间作业图像，选用JP-C38CK型串口摄像头，可输出标准JPEC/M-JPEG格式的图像，可实现自动曝光、白平衡与增益控制。波特率设置为9 600 bps。研究设计远程传输系统需要通过通信接口辨取监测系统采集的作业数据，选用CAN总线作为农机作业数据采集的接口。主芯片STM32F103支持标准CAN2.0B通信，选用SN65HVD233芯片作为CAN收发器，允许120个节点保护，具有容错接地保护等功能。为降低系统成本选用集成化SIM808模块实现远程传输功能，SIM808是GSM+GPS+蓝牙组合模块，SIM808的GPRS上行传输最大速率达85.6 kbps，定位准确性10 ns，控制器通过发送AT命令对SIM808进行控制。

3.2 农机作业信息远程传输系统软件

研究SIM808与远程平台端通过TCP/IT协议进行数据传输，传输数据帧包括作业满型、校验码和帧尾等，检验远程传输系统发送数据的有效性，作业满型用于区分不足作业环节的数据，设备ID用于区分作业类型下的不同设备；作业数据长度不固定，包含作业时空与数据信息等，空间信息经纬度按照ASCII码格式发送[9]；深松作业发送具体时间从定位模块中读取，故障状态用于平台判断机具端的故障，具体故障类型可查询对应的故障代码说明。

系统软件采用Keil uVision5开发，系统上电后进行CAN模块初始化操作，通过串口1读取SIM808定位模块的时空信息，与CAN通信读取作业数据按远程传输协议进行融合，根据连接远程平台设置平台域名，连接失败将数据信息存储到本地NOR Flash芯片中[10]，连接成功后判断是否存在需要补传的数据信息。设计农机作业信息传输系统在农业机械科研院所远程监管平台应用，系统可靠测试时远程传输系统安装在拖拉机上，远程服务器通过网络调试助手设置IP地址，发送数据帧内包含数据的帧序号，累计发送1 000帧数据后停止实验，记录远程传输系统发送数据。仿真结果表明，该农机作业信息远程传输系统数据丢包率不超过0.2%，产生数据丢包的原因是平台网络环境波动。

4 结语

综上所述，农机作业信息远程传输系统可有效指导农业生产作业，人工采集记录站点操作方式工作量大，系统用于有线通信下的信息传输，农业温室中伴随环境因素往往导致电缆老化等问题出现，系统采用实时通信网络进行数据传输，可以满足农业生产中对准确性的需求。笔者设计的基于ARM的农机作业信息远程传输系统结构精简，可实现农机作业数据空间信息远程传输，保证田间GPRS 移动无线网络信号丢失时作业信息正常传输，系统丢包率低于0.2%，系统通信可靠性良好。