基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现概要.doc

基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统设计及实现
摘要
农业是维持人民基本生活基础，然而农业发展受到自然环境和农业科技限制。大幅度提高土地利用率、劳动生产率，提高整体效率，必须依靠科学技术进步。田间作业机车在田间松土、播种、施肥、收割等场合发挥着重要作用，但是随着机车使用率增多，及田间作业机车有关安全事故也不断增加，威胁着机车司机人生安全。为了提高田间机车在工作过程中安全性，以往大多数方法都是通过及司机电话联系或派人到现场查看来确定机车司机安全和机车位置。深入研究以往田间作业机车监测技术，并在此基础上设计并实现了“基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统”，实现了对田间作业机车位置、作业面积、油箱温度、机车速度等数据实时监测，已达到减少田间作业机车在田地工作时出现意外情况目。
本论文主要完成了一下几方面工作：
1、系统分析了田间作业机车工作状态监测技术发展历史和国内外研究概况，阐述了课题研究意义和目。同时对CAN总线做了深入学习。
2、针对田间作业机车工作时可能出现安全问题，结合监控系统设计理念和实际情况，提出了“基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统设计及实现”设计总体框架，同时分析了该方案设计理念，设计缺点和不足及还需要解决问题。
3、设计了该系统硬件部分，由数据采集端、CAN总线传输、和数据发送端等组成，实现了数据采集、传输和发送。
4、根据系统设计需要，设计了“基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统设计及实现”软件编程。包括单片机、GPRS、CAN总线编程。
5、通过多次试验调试，能够得到田间作业机车工况数据信息，并且可以在显示界面上实时看到这些工作状态数据。
实验测试结果表明：实验数据及参考数据能够较好吻合，说明误差较小，具有良好精度。同时系统采用了CAN总线技术，减少了错综复杂布线，提高了稳定性，操作简单，该系统将会提高田间作业机车安全系数和工作效率，具有很好应用前景，可以大范围推广使用。

关键词：田间作业机车；CAN总线；传感器；GPS

第一章绪论
1.1选题背景和意义
农业是保证国家发展和经济稳定重要依据，随着时代发展，各国清晰认识到农业对于国家稳定重要性。党在十七届三中全会《中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题决定》一文中明确指出：“积极发展现代农业，提高农业综合生产能力”，深入理解和认识发展现代农业重要性。随着信息科学技术和微电子技术发展，田间作业机车是否可以安全运行，对于保障田间作业机车司机生命安全、确保产出农产品质量、提高农田经济效益都具有十分重要意义。同时我国北方地区常会出现一些极端气候自然灾害，如持续低温、多雪多雨、气候异常、回暖偏晚等，这些对田间作业机车正常工作带来了难题，在这样气候影响下，机车达不到要求效率[3]。因此对于北方田间机车作业来说，对田间作业机车监测是个重要过程。
机车状态监测是针对机车或者机车部件在工作中运行状态（如车速、油箱温度，作业面积，耗油量等）进行实时监控和检测，通过各类传感器（如温度感光器，光感传感器、浮子传感器等）将这些数字信号转换成所需数字信号或者电信号等，通过有效传输后在处理器中进行分析和处理，最后将数据进行存储已达到对机车工况监测目。对于田间作业机车工作状态监测技术研究是保障田间作业机车正常工作基础条件。监测系统能对出现故障机车做出快速准确反应，提高设备可靠性和智能化调度水平，同时也能够保障田间作业机车司机生命安全，减少维修费用，为公司减少了经济支出，带来了巨大经济效益。
早期田间作业机车工况数据监测系统主要在机车布线中使用价格高昂模拟信号线，而且每一个传感器需要单独布线，线多而乱，不仅给装机带来麻烦，而且也为以后更新传感器时带来不必要麻烦。田间作业机车工况数据监测系统采集端一般采用无线传输模式，但是由于车载部分传输距离较近，再加上无线传输性能不够稳定，农田地里环境恶劣，这些都将限制监控系统正常工作。从数据传输角度讲，无线传输速度不如有线传输速度快，这大大影响了系统实时性，进而影响监控系统，这一类型田间作业机车工况数据监测系统已经不能适应现代农业发展需求。
现代田间作业机车工况数据监测系统一般利用计算机、网络、数字通信技术支持，充分彰显了强大工作能力和广阔应用性。由这样交叉组合技术组成监测系统具有很高可靠性和安全性，田间作业机车司机也可以依靠机车内设备及时了解机车内部情况，一旦出现问题，立即采取相应措施，减少损失。
随着科学技术发展，嵌入式微控制器MCU(Micro Control Unit)优越性能凸显出来，应用也越来月广泛。现代通信技术日新月异，有线传输也取得了突破性进展。这些技术都为田间作业机车工况数据监测系统提供了强有力技术支持。

1.2国内外发展现状
新世纪以来，一些发达国家为了达到农业高效率和高产出目，开始着手于田间作业机车工况数据采集监控系统研究及实践,及之相关企业也先后开发了各有特色田间作业机车工况数据采集监控系统，CAN总线技术就是监测系统重要组成部分。CAN总线是一项以计算机、智能传感和数据通信为主综合性技术，在当代自动化控制领域发展迅速，被誉为自动化领域局域网。CAN总线（Controller Area Network）最早是由德国Bosch公司在1986年提出，它具有性价比高、传输速度快、实时性和可靠性强等特点，当时普遍适用于解决汽车问题，现如今已经被广泛运用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。随着CAN总线在各个领域广泛使用，国际上也对CAN总线通信格式提出了更加严格要求，1991年在各方共同努力下CAN总线技术规范（Version2.0）制定完成并正式发布。此外“现代农业靠科技，科技使用靠农机。”得益于我国大力推进农业现代化、农业信息化和农业机械化国家政策。有效采用田间作业机车工况数据监测，可以使田间作业机车达到高效率、低功耗目，更大促进农业高效生产和农业经济发展，在未来中国，田间作业机车工况数据监控市场应用前景将十分广阔。
1.2.1国外发展现状及趋势
凯斯-纽荷兰Winner系列电子系统、8030系列电子信息系统、迪尔Intellitrak电子仪表系统，道依兹Agrotronic-l电子驾驶操纵系统、福格森Autotronic系统和Datatronic系统等[6]，这些装置主要控制田间作业机车常规信息参数、液晶图形显示、超声光报警、和控制随机性能参数（机车实际前进速度、工作时间、发动机和动力输出轴（PTO）转速、机车作业面积、作业效率及滑转率等），还具有优化驾驶操纵方案、故障诊断和报警、前驱动、差速锁上和动力输出轴（PTO）自动控制等功能。
国外田间作业机车大多安装机载计算机系统。功能是采集和分析处理机车作业过程中传感器采集回来信息参数，这些信息参数主要包括发动机转速，PTO转速、作业行驶速度、打滑率等。
为了促进CAN总线以及CAN总线协议进一步发展，欧洲于1992年成立了CiA(CAN in Automation)。在CiA作用下，CAN总线技术在纺织机械、汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、船舶运输和航空航天控制等方面均得到了广泛应用[7]。CiA现在有全世界400多家公司加入其中，如今CiA已经是全球应用CAN总线技术最权威机构。
根据国外资料报道，CAN总线技术已广泛应用于家用电器、智能楼宇以及小区建设中。它每个节点都可以随机访问，通信速度能够满足要求。一些网关如CAN总线及TCP/IP协议转换，可以使一个房间或者一整栋大厦CAN总线信息转变为Internet形式后传输出去或反过来通过这类网关把外网传来信息转换为CAN总线形式，即实现了远程控制[10]。
1.2.2、国内发展现状及趋势
在以往国内测控领域，由于没有更好选择，大多采用BITBUS或RS-485作为通信总线。其不足主要有：一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱，采用CAN总线技术后即可解决上述问题[11]。CAN总线上每一个节点都可作为主节点交换数据并且可以分出优先级。这些特点使其在工业测控领域众多总线中成为首选现场总线之一[13]。基于CAN总线田间作业机车工况监测采用高新技术提高了机车性能、可靠性和安全性等。目前国内机车工况监控系统研究情况主要如下：
21世纪初期吉林大学任辉、杨印生等在泰国农机作业委托调查中论述了农机作业委托定义，郭鸿鹏开展了农机作业委托决策支持系统研究工作。2006年国家农业信息化工程技术研究中心李洪等人开展了基于GPS、GPRS和GIS农机监控调度系统研究，实现为远距离快速采集农机信息、农机资源实时监控和有效调度提供了一种切实可行解决方案。2009年华南农业大学罗锡文、张智刚等设计东方红X-804机车DGPS自动导航控制系统，针对东方红X-804机车在特定工况下，所提出跨行地头转向控制方法对试验机车具有良好适用性。2010年山东理工大学李进鹏和杨自栋设计了一套8行精密播种机监测系统，采用液晶触摸屏作为人机界面,实现了直接地显示8行播种工况功能。2004-2012年，浙江大学何勇等进行了基于网络农业机械装备管理信息系统研究，开发了农机性能综合检测仪，该仪器能够完成快速测定农机工作状态，实现了一机多用[16]。
目前，对机车作业研究主要集中于驱动系统、行走机构、液压悬挂、制动、导航研究等几个方面，相对于作业参数实时监测及本机工作状态实时检测研究较少，对于CAN总线运用到农机中研究也是较少。系统将农机工况信息传输技术及装备研制，实现农机作业参数本地及远程监控是本系统主要研究内容。
1.3 研究主要内容
本课题主要任务是基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统建立。着重突出以下几方面研究：
第一章，分析了国内外研究现状，阐述了本论文目和意义，并提出了本研究主要内容
第二章，详细介绍了基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统总体框架设计，包括CAN总线概述和协议，GPS接收器概述，各类传感器、单片机信息和GPRS发送等。
第三章，设计硬件，包括传感器模块，GPS模块和GPRS模块，显示屏模块和CAN控制器模块信息采集端包括GPS（Global Positioning System）接收模块、浮子传感器，温度传感器等，将这些模块按照设计顺序依次连接进行测试。
第四章，进行软件编程，软件编程部分是本论文重点和难点。要进一步了解CAN总线协议，并对2个单片机分开进行编程，必须要深入了解软件开发平台。
第五章，将软件和硬件合二为一，进行整体调试，针对运行时出现问题进行分析，最终解决问题。
最后对全文进行总结和展望，分析本系统缺点和不足，并对未来要做工作提出意见和方向。

第二章系统总体框架设计
农田机车上设备多而且复杂，将设备划分不同模块可以为以后拓展提供方便，现在流行现场总线主要包括LonWorks、PROFIBUS和CAN几种，通过比较可以发现，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点，是一种已形成国际标准现场总线，而且CAN还能对数据进行仲裁，确定优先传输，这些也是CAN总线应用于众多领域，具有强劲市场竞争力重要原因。本论文将重点介绍GPS模块、CAN控制器模块、显示屏模块和GPRS模块，系统由信息采集端、数据发送端和数据接收端组成。信息采集端对GPS接收器和温度传感器所采集数据进行解析和处理，利用CAN总线传输方式将数据传输到数据发送端。数据发送端对信息采集端上传数据进行整合和打包后，通过GPRS无线传输到上位机。上位机可以实时对机车运行信息进行监测和存储，为实现田间作业机车精准作业提供了依据。本系统应用对象是田间作业机车，由于田间机车设备相对来说比较复杂，同时还要考虑到实时性、操作难易程度，但对数据接收端不进行过多讨论。

图2.1 系统框图
Fig2.1 Block diagram of system
如图2.1所示，在田间作业机车工况监控系统中，由GPS模块接收卫星信号，温度传感器采集油箱温度信息，单片机通过CAN总线获得传输数据，对接收到数据解析和处理后进行显示，GPRS无线通信将处理后数据传输给上位机，使得机车运行信息实时显示，自动跟踪，传输数据等。

2.1 现场总线概述
现场总线是指安装在制造或过程区域现场装置及控制室内自动装置之间数字式、串行、多点通信数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。下面介绍几种流行现场总线并且将CAN总线及RS-489进行对比如表2.1.
1、基金会现场总线
基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）是世界范围内二百三十家公司在1994年9月将ISP协议和WorldFIP协议合并，主要涉及领域是过程自动化领域。FF以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层,通信标准有低速H1和高速H2两种，物理媒介传输信号采用曼彻斯特编码。这些都使得FF在过程自动化领域得到了广泛应用，具有良好发展前景。
2、LonWorks
LonWorks总线采用神经元芯片为核心技术设计基本节点，LonTalk通信协议支持七层网络协议，LonTalk规范和设计资料不公开，决定了它不是一个开放总线系统，并且LonTalk硬件成本相对较高。国内LonWorks总线应用普遍集中于早先智能楼宇领域，支持低速率。多介质网络通信，它另一个重要特点就是它互操作性。
3、WorldFIP
WorldFIP（World Factory Instrument Protocol）用于自动化系统现场总线，提供现场设备和控制器以及控制器之间数字化连接。它是一部完整规范，是现场总线欧洲标准EN50170第三部分和国际标准IEC61158第七部分。WorldFIP非常适合于对于传输时间具有严格要求场合，同时也使得某些突发数据能够尽快在网络上传输。
4、PROFIBUS
PROFIBUS（Process Field Bus）是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。它传送速度在9.6kbaud~12Mbaud之间，Profibus重要优点是具有稳定国际标准EN50170作保证，并且具有普遍性。它具有Profibus—DP、Profibus—PA和Profibus—FMS三个子集。
表2.1 RS-485及CAN总线特性对比
特性
RS-485
CAN总线
拓扑结构
传输介质
硬件成本
总线利用率
网络特性
数据传输率
容错机制
通讯失败率
节点错误影响
通信距离
网络调试
开发难度
后期维护成本
直线拓扑
双绞线
很低
低
单主结构
低
无
很高
故障节点有可能导致整个网络瘫痪
<1.2Km
容易
容易
较高
直线拓扑
双绞线
每个节点大概20元
高
多主结构
最高可达1Mbps
有硬件完成错误处理和检错机制
极低
故障节点有可能导致整个网络无影响
可达10Km
需要一定技术基础
需要一定技术支持
很低

2.1.1 CAN总线概述
CAN(Controller Area Network)是控制器局域网络简称，是以研发和生产汽车电子产品著称德国BOSCH公司开发，它一开始适用于汽车中，但最终成为国际标准（ISO11898），现在是国际上应用最广现场总线之一。近年来CAN总线也开始走进中国市场，并于2002年被正式确定为电力通讯领域国家标准，进而被大家逐渐重视。如今CAN总线被广泛运用楼宇智能化、汽车制造和工业自动化当中。
它优点包括故障节点可自动关闭，不影响其他网络节点；可以支持硬件节点即插即用，可靠性高；采用芯片硬件ID方式管理网络，故障节点界定十分方便，网络维护成本低。ZLG提供了一系列开发CAN总线网络硬件、软件资源，设计工作难度也降低很多。CAN总线无需专门调度，可实现点对点，点对多及全局广播等多种方式数据传输，系统软件运行负担。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达5kbit/s数据传输速率。由于CAN总线具有很高实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps高速网络到低成本多线路5Kbps网络都可以任意搭配。CAN总线位速率及最大距离关系如表2.2。
表2.2 位速率及最大距离关系
位速率/kbps
1000
500
250
125
100
50
20
10
5
最大距离/m
40
130
270
530
620
1300
3300
6700
10000
CAN总线工作原理是CAN芯片将数据根据协议组织成一定报文格式发出去，这时网上其它节点均处于接收状态，当节点接收到了报文后马上进行检测，判断是否是发给自己来决定是否接收它。
2.1.2 CAN总线协议
CAN协议是规定CAN各节点之间如何才能实现完整通信协议规范。协议分为三层，包括数据链路层DLL、物理层PL和应用层。应用层可以明确CAN消息帧11位标识符和8字节数据如何使用，CAN协议之对物理层和数据层做了描述和规定，但是对应用层则没有说明。CAN总线协议时建立在国际标准组织开放系统互联参考模型基础上，主要工作在数据链路层和物理层，层层之间是相互独立而又透明，如图2.2。
应用层
数据链路层
逻辑链路控制子层（LLC）
验收滤波
过滤通知
恢复管理
媒体访问控制子层（MAC）
数据包装/解码
帧编码
（填充，消除填充）
介质访问管理
错误标志
应答
并行转换串行
串行转换并行
物理层
位编码/解码
位定时
同步
驱动器/接收器特性
图2.2 CAN总线层结构
物理层是由物理介质连接、物理信号层、介质相关接口组成。规定了通讯时统一规格，来实现设备信号传递。也定义了信号发送方式、位定时、位编/解码和同步技术步骤。但是没有规定驱动器接收器特性。物理介质连接是实现接收/发送功能和提出检测故障方法，物理信号层是依据“不归零”方法对信号实现位定时、位编/解码和同步功能。介质相关是实现介质及媒体访问之间接口。
数据链路层是将物理层收到有意义信号组成由使用价值数据。其中MAC层作为重要，是CAN协议核心，因为它连接了LLC子层和物理层，主要负责执行优先仲裁、传递规则、出错检查和故障鉴定等，同时也受到“故障界定”管理和监督，故障界定提供一种特殊自检机制，能够区分出永久错误和短暂干扰，提高CAN总线使用价值。
2.1.3CAN帧结构
帧将数据由发送器传入接收器，在CAN总线系统中，数据在接收/发送时，帧有四种不同类型。MAC数据帧包括应答（ACK）场、帧结束（End of Frame）、循环冗余码（CRC）场、数据场、帧起始（Start of Frame）控制场和仲裁场七个不同位场，如图2.3所示。
帧起始
标识符
RTR
数据场
控制场
CRC场
ACK场
帧结束
图2.3MAC数据帧结构
1、 ACK场：ACK场包括ACK隙和ACK界定符，ACK隙和ACK界定符都是“隐性”位。ACK隙可以将所有正确接收到该数据帧节点，以“显性”位改成“隐性”位作为应答方式。
2、 帧结束（End of Frame）：当每个MAC帧均有7个“隐性”位构成时标志帧结束。
3、 CRC场：有CRC序列和CRC界定符组成。
4、 数据场：由0—8个字节组成。
5、 帧起始（SOF）：标志着帧开始，由单个“显性”位构成，所以节点需同步于SOF上升沿。
6、 控制场：由2位用于未来DLC扩展保留位和4位数据场长度编码（DLC）组成。
7、 仲裁场：包括LLC子层传来11位标识符和RTR（Remote Tranimission Request）位，在MAC数据帧中，RTR数值为“0”。
2.1.4 SJA1000
本系统采用PHILIPS公司生产SJA1000，它是一款独立CAN控制器，主要适用于工业生产中，SJA1000是由发送缓冲区、CAN核心模块、接口管理逻辑、接口FIFO和验收滤波器组成。SJA可以完成CAN总线数据链路层和物理层所有任务。SJA1000和它前一款PCA82CA00控制器在软件和引脚上是兼容，并且增加了BasicCAN模式和PeliCAN模式，并且SJA1000也全面支持CAN2.0B协议
2.2 全球定位系统
由于田间作业面积较大，容易一时难以寻找作业机车，这样将会及机车短暂失联，如果遇到故障，这将会十分危险。在基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统中，将会利用GPS接收器接收到田间作业机车位置信息，包括经度、纬度和接收时卫星数目，以便准确掌握机车位置，提高设备工作效率。
GPS是全球定位系统（Global Positioning System）简称，它是由24颗覆盖全球卫星所组成卫星系统，它可以保证在任何时刻，在地球上任意地点都可以同时观测到至少4颗卫星，以保证卫星可以提供所在地点经度纬度等信息，比便实现导航、定位和调度等功能，具有良好抗干扰性和保密性。现在GPS已广泛使用到军事，地理，交通，通信等多个领域，以便达到时刻掌握目标位置目。它基本特点是以高精度原子钟为核心，以“多星、高频、高轨、测量-测距”为体制，具有高精度三维定位，可以提供准确位置、速度和时间信息，无论你身在何方，只需1秒即可定位，这对用户尤为重要，它还可以同时容纳多为用户，具有较强隐蔽性，抗干扰性和安全性，它精确度可以达到厘米级，准确率非常高。
2.2.1 GPS模块概述
目前大多数GPS模块芯片是采用全球占有率第一SiRFIII系列为主，GPS模块是由RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，相关外围电路组成集成电路。由于每个芯片价格不同，GPS模块价格也有差别，采用SIRF三代芯片组GPS模块价格要比采用MTK和MSTAR贵很多。GPS模块一般有2个波段L1和L2，每个卫星都要在2个载波上发送2个直接序列扩频信号。
GPS模块高性能指标主要有灵敏度准确、定位时间精确、功耗小、位置准等。GPS定位模块称为用户部分，它像“收音机”一样接收、解调卫星广播C/A码信号，中以频率为1575.42MHz。GPS模块并不播发信号，属于被动定位。通过运算及每个卫星伪距离，采用距离交会法求出接收机得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。初次定位模块至少需要4颗卫星参及计算，称为3D定位，3颗卫星即可实现2D定位，但精度不佳。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。现在常用GPS模块有一下几种：
1、G-MOUSE
G-Mouse是一种卫星接收器，主要应用于可以安装匹配管理软件某些特定操作系统，它接口主要是USB接口，串口（DB9接口），PS/2，S端子，航空接头等，并采用最先进卫星接收核心,具有全方位功能，能满足工业级定位严格要求及个人使用需要
2、GSTAR
GSTAR模块性能指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、功耗、时间精度等。不同GstarGPS模块有一定性能差异，在各项参数上都有差别。GstarGPS模块定位精度取决于很多方面，比如来自于GPS系统卫星钟差及轨道差、可见GstarGPS卫星数量及几何分布、太阳辐射、大气层、多径效应等。另外，同一个GstarGPS模块，还会因为天线及馈线质量、天线位置和方向、测试时间段、开放天空范围及方向、天气、PCB设计等原因产生不同定位误差。
3、FASTRAX
FASTRAX专门提供高性能GPS接收器、GPS软件解决方案和跟踪系统。它是选用SiGe半导体SE4120产品来实现其软件GPS方案，产品组合将GPS射频信号转换成数字、中频信号，提高了灵敏度，目标平台主要包括个人导航设备、移动互联网设备、产移动PC、智能电话等。
2.2.2 NEO-6M-0-001模块
NEO-6M-0-001采用U-blox芯片，模块体积16mm*12.2mm*2.4mm，也就是说模块体积不如一个一角钱硬币大，体积非常小。冷启动和热启动首次定位时间都小于1秒，冷启动就是切断电源，重新启动机器，但是内存全都丢失，重新扫描电脑硬件，比如按机箱上POWER键就是冷启动。热启动相对于冷启动是在计算机不切断电源情况下程序启动。-162DBM(功率绝对值)Supersense捕获和跟踪灵敏度，5Hz位更新频率，运行和存储温度在-40℃和+85℃，说明在恶劣天气下也可以正常使用，价格在五十元左右，性价比很高。
2.3传感器概述
传感器（Transducer Sensor）是一种检测装置，能感受到被测量信息，并能将感受到信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式信息输出，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制首要环节。人感知器官有眼耳口鼻，五官可以通过味觉、嗅觉、听觉和视觉使人感知周围变化。传感器存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类. 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛领域。可以毫不夸张地说，从茫茫太空，到浩瀚海洋，以至各种复杂工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面重要作用，是十分明显。世界各国都十分重视这一领域发展。相信不久将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到及其重要地位相称新水平。在本设计中，我们采用是浮子传感器和温度传感器。
2.3.1 DS18B20
本文采用DS18B20温度传感器，它是常见温度传感器，具有体积轻巧、使用方便、耐冷耐热、抗干扰能力强和性价比高等特点。DS18B20内部结构包括四部分：温度传感器、64位光刻ROM 、报警触发器、配置寄存器。它接线方便、封装后可以适用于狭小设备中，包括锅炉测温、冷冻库测温、机房测温、农业大棚测温和粮库测温等普通温度场。DS18B20独特单线接口方式使得仅需要一条口线即可实现及微处理器双向通讯，它测温范围在-55℃～+125℃之间，测温误差1℃，精确度很高。支持多点组网，数个DS18B20可以并联在唯一三线上，但最多只能连接8个，在使用中不需要添加任何外围元件。
DS18B20读写时序和测温原理及DS1820相同，只是得到温度值位数因分辨率不同而不同，且温度转换时延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生信号作为计数器2脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生脉冲信号进行减法计数，当计数器1预置值减到0时，温度寄存器值将加1，计数器1预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值累加，此时温度寄存器中数值即 为所测温度。图3中斜率累加器用于补偿和修正测温过程中非线性，其输出用于修正计数器1预置值。
2.3.2
2.4 单片机
单片机因其主要组成部分集中在一块芯片上而取名单片机，它包括中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、定时/计数器、中断系统、只读存储器（ROM）以及I/O接口电路等，他虽然只是一个芯片，但在结构功能上，它具有和计算机一样属性，所以也可以称它是单片微型计算机，即单片机。典型单片机有ATMEL产AT89C51、Philips产P89C51RD2、Motorola产68HC05、Intel产MCS-51系列。单片机应用非常广泛，包括机电一体化、智能仪表、家用电器、分布式多机系统中。它语言有三中，包括机器语言、汇编语言和高级语言。单片机原理是自动自觉地进行控制和运算，把实现计算和控制步骤一步步地用指令形式，即一条条指令（Instruction）预先存入到存贮器中，单片机在CPU控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行，最后达到编程者目。目前按单片机内部数据通道宽度，把它们分为4位、8位、16位及32位单片机。单片机独特结构决定了它具有高集成度、高可靠性、控制功能强、性能价格比高、低电压和低功耗特点。
2.4.1 STC12C5A60S2
在众多51系列单片机中，要算国内STC公司1T增强系列更具有竞争力， STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASH ROM,这种工艺存储器用户可以用电方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，STC12C5A60S2单片机对开发设备要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内程序还可以进行加密，具有很高安全性。重要一点STC12C5A60S2目前售价低廉，市场供应也很充足。是一款高性价比单片机。
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产单时钟/机器周期(1T)单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。
2.5通用无线分组业务（GPRS）
GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)简称，它是GSM移动电话用户可用一种移动数据业务。GPRS可说是GSM延续。GPRS和以往连续在频道传输方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS传输速率可提升至56甚至114Kbps。手机上网还显得有些不尽人意。因此，全面解决方法GPRS也就这样应运而生了，这项全新技术可以令您在任何时间、任何地点都能快速方便地实现连接，同时费用又很合理。简单地说：速度上去了，内容丰富了，应用增加了，而费用却更加合理。GPRS具有充分利用现有网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。相对于GSM9.6kbps访问速度而言，GPRS拥有171.2kbps访问速度；在连接建立时间方面，GSM需要10-30秒，而GPRS只需要极短时间就可以访问到相关请求；而对于费用而言，GSM是按连接时间计费，而GPRS只需要按数据流量计费；GPRS对于网络资源利用率而相对远远高于GSM。它应用范围适用于移动办公，移动信息服务、移动互联网等。
2.5.1 GTM900C
本设计采用GPRS是由华为公司生产GTM900C，这是一款双频900/1800MHZ高度集成GPRS模块，它是GTM900B升级版。内嵌TCP/IP协议模块，操作简单，容易集成。在远程监控、无线通话和无线POS终端等场合都能看到GTM900C无线模块在发挥作用。GTM900C软件和硬件可以兼容GTM900B、TC35i和MC39i，使用过TC35i或MC39i用户可以直接使用，这样可以降低产品成本。它支持GSM03.40短信和GPRS CLASS10数据业务，接口具有AV/DV输入和双工串行接口和充电管理特性，可以在-30°C~+75°C进行工作，耐寒耐热，具有很高抗干扰性。

由于田间作业面积较大，容易一时难以寻找作业机车，这样将会及机车短暂失联，如果遇到故障，这将会十分危险。在基于CAN总线田间作业机车工况数据监测系统中，将会利用GPS接收器接收到田间作业机车位置信息，包括经度、纬度和接收时卫星数目，以便准确掌握机车位置，提高设备工作效率。
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