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1監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于本文采用的地理信息系統(tǒng)GIS是組件式開發(fā)工具，使用支持ActiveX控件的終端可以實時監(jiān)控和調(diào)度，所以著重介紹信息采集部分的硬件電路設(shè)計方案。想要對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行定位、監(jiān)控和信息傳輸，需要每個農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備安裝一個基于嵌入式解決方案的系統(tǒng)，便于信息的采集、處理和互動。由于STM32具有極高的性價比，所以采用基于STM32的嵌入式解決方案，將GPS+GLONASS和CDMA等模塊有效地組織起來，構(gòu)成信息采集系統(tǒng)。

1．1STM32F103VCT6微處理器

本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制芯片采用意法半導(dǎo)體公司基于ARMv7架構(gòu)的32位Cortex－M3內(nèi)核的微處理器內(nèi)核STM32F103VCT6。STM32具有產(chǎn)品種類多樣化、性價比較高，易于開發(fā)等優(yōu)點，逐漸在眾多的Cortex－M3的微處理器嶄露頭角。其得益于它提出的一種基于固件庫的開發(fā)方式，可以快速上手，用戶只需要根據(jù)所需的應(yīng)用調(diào)用庫里的應(yīng)用程序接口(API)，就可以迅速地開發(fā)出一個產(chǎn)品級程序。調(diào)用庫忽略了底層寄存器的操作，大大降低了開發(fā)周期，便于一個產(chǎn)品上市收回成本。STM32F103VCT6(見圖2)具有72MHz、48kB的RAM，256K的FLASH，100腳，處理速度、存儲空間和管腳引用足夠本設(shè)計使用，不到15元的零售價格極具性價比。另外，該款微處理器還具有各種通信控制器，如I2C、SPI、CAN和USART等，為各個模塊之間通信建立良好的硬件基礎(chǔ)，且便于升級。特別在本設(shè)計中使用了多個RS232通信，而STM32F103VCT6具有3個USART和2個UART接口，方便與各個模塊電路通信。由于硬件和軟件是相輔相成的，在STM32F103VCT6移植實時操作系統(tǒng)也很方便和簡單。實踐證明，該款微處理器在可靠性、穩(wěn)定性、處理速度方面具有非常高的性能。

1．2GPS+GLONASS雙重模式定位模塊電路設(shè)計

目前，世界最大的4個定位導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS定位系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)及我國的北斗定位系統(tǒng)。其中，廣泛應(yīng)用于民用的為GPS和GLONASS。GLONASS在2004年完善了定位系統(tǒng)后，性能更加穩(wěn)定。傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)模塊一般只采用單獨的導(dǎo)航系統(tǒng)，即只能按照規(guī)定獲取相應(yīng)的單獨某一個衛(wèi)星信號，如只能接收到GPS衛(wèi)星信號。相對于單獨GPS和單獨GLONASS定位，GPS+GLONASS雙重模式定位具有定位速度快的優(yōu)點，可以搜索到最多增加1倍衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)行精確定位。特別針對峽谷、城市多重路徑等復(fù)雜環(huán)境所設(shè)計，增加衛(wèi)星數(shù)量提升優(yōu)越的定位性能，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用高端的手機(jī)、導(dǎo)航儀等民用電子設(shè)備當(dāng)中。本設(shè)計中使用的是聯(lián)發(fā)科技MTK的MT3333五合一全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收芯片，便于投入使用，只讀取GPS和GLO-NASS的衛(wèi)星信號;后期可以對系統(tǒng)進(jìn)行升級讀取北斗、伽利略和日本3家的衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號。由于MT3333具備了聯(lián)發(fā)科技獨特的AlwaysLocate軟件技術(shù)，能夠通過用戶所處狀態(tài)判斷衛(wèi)星接收模式，使導(dǎo)航更加精確、可靠，更能有效節(jié)約系統(tǒng)電力。該芯片出廠設(shè)定刷新率為1Hz，通過RS232通信，比特率為9600bps，通過模塊電路和STM32F103VCT6連接。

1．3CDMA通信模塊電路設(shè)計

本設(shè)計使用KS－97嵌入式CDMA模塊將采集的數(shù)據(jù)通過無線通信方式與終端通信，信號覆蓋廣，通信簡單易于控制。其中，KS－97嵌入式CDMA模塊針對儀器儀表或者自動化等產(chǎn)品設(shè)計，具有體積小、性價比高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、電力、農(nóng)業(yè)、工業(yè)當(dāng)中。其內(nèi)置PPP/TCP/UDP/IP協(xié)議，針對工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，CDMA的速率上下行最高153．6kbps，足以應(yīng)付地理信息的信息傳輸。

1．4監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)電源設(shè)計

采集系統(tǒng)的硬件電路需要安放在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備上，使用農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的12V電瓶電源或者外接4．2V鋰電池，而系統(tǒng)使用的電壓為3．3V，輸入電壓變化范圍寬且壓差比較大，故需要設(shè)計一個輸入電壓范圍寬的電源電路。本設(shè)計采用德州儀器(TI)公司的TPS7A4700低噪聲低壓差線性穩(wěn)壓器，實現(xiàn)輸入最小電壓為3．0V，最大輸入電壓為36V，輸出電流為1A，足以應(yīng)付CDMA數(shù)據(jù)傳輸最大300mA電流的需求。

2監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)采集電路完成了對地理定位的信息的采集、通過CDMA模塊向終端傳輸數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)軟件需要對該系統(tǒng)的硬件各個模塊進(jìn)行驅(qū)動、信息處理和控制。為實現(xiàn)控制的實時性，本設(shè)計采用μC/OS－Ⅲ實時操作系統(tǒng)。

2．1移植μC/OS－Ⅲ

實時操作系統(tǒng)是指外界事件或者數(shù)據(jù)變化時，能夠接收并以最快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又有能在短時間內(nèi)控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)做出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。因此，實時操作系統(tǒng)具有嚴(yán)格的事件響應(yīng)，并且具有非常好的穩(wěn)定性能。μC/OS－Ⅲ是Micrium公司開發(fā)的微型實時操作系統(tǒng)，因為STM32具備移植μC/OS－Ⅲ的條件，所以只需要修改部分μC/OS代碼。本設(shè)計中主要從os_cpu．c和stm32f10x_it．c文件的修改進(jìn)行闡述。μC/OS－Ⅲ的內(nèi)核使用一個周期時鐘中斷，以計算任務(wù)延時時間和進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，所以和STM32的SysTick一致，只需要注釋掉os_cpu．h中的OS_CPU_SysTickHandler()和OS_CPU_SysTickInit()函數(shù)聲明即可，修改os_cpu．c的文件和庫文件一致，注釋掉這兩個函數(shù)即可。由于使用STM3的中斷函數(shù)替換μC/OS－Ⅲ的中斷服務(wù)函數(shù)，那么需要對stm32f10x_it．c文件進(jìn)行修改。首先將該文件中原有的PendSV_Handler空函數(shù)注釋掉，然后最重要的是編寫SysTick中斷服務(wù)函數(shù)。本設(shè)計使用IAR編譯環(huán)境，使用PROBE插件即可對μC/OS－Ⅲ進(jìn)行調(diào)試，為軟件調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試提供很大方便。

2．2配置μC/OS－Ⅲ

配置SSS的系統(tǒng)功能是由一個個宏組成，這類可移植、擴(kuò)展性強(qiáng)的代碼都有類似于這樣的文件，以一個系列的宏命令，配合子程序模塊的條件編譯語句實現(xiàn)功能剪裁。

3應(yīng)用實例

根據(jù)以上設(shè)計建立的系統(tǒng)，實際應(yīng)用在農(nóng)業(yè)自動化相對較高的農(nóng)場。本設(shè)計中主要應(yīng)用在久保田PRO488聯(lián)合收割機(jī)靠近電瓶位置。由于久保田PRO488聯(lián)合收割機(jī)的直流12V電瓶維護(hù)方便，高達(dá)52Ah的容量，每月例行充電一次，平時例行補(bǔ)充蒸餾水即可工作，可以為本系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。由于農(nóng)機(jī)設(shè)備之間通信采用數(shù)字通信，傳輸可靠、隱蔽性強(qiáng)，能夠在客戶端上實現(xiàn)基礎(chǔ)功能，如車輛點名、車輛信息追蹤、命令下發(fā)、變更命令參數(shù)等功能，還能夠查詢到歷史記錄，一般采用回放、顯示等方式。關(guān)鍵的統(tǒng)計分析中，可對各個農(nóng)機(jī)設(shè)備傳回的實時信息進(jìn)行分析，對不同的設(shè)備之間不同類別主動查詢報警記錄、使用信息等。應(yīng)用表明，系統(tǒng)運行效果良好，運行可靠穩(wěn)定。

4結(jié)論

提出一種基于STM32嵌入式農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的地理位置定位，并將信息通過CDMA無線通信技術(shù)傳送給終端進(jìn)行監(jiān)控調(diào)度。終端使用GIS組件式應(yīng)用，對數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)存儲和客戶端監(jiān)控完成農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)控與調(diào)度。在實際應(yīng)用中可以看出:該系統(tǒng)具有非常高的性價比和可靠性，有廣泛的應(yīng)用前景。

作者：賈全忠單位：濰坊科技學(xué)院