耕作部件性能試驗臺測控系統—基于ZigBee和LabVIEW

孫志全，楊 洲，孫健峰，熊平原，黃楊清，陳華明

(1.華南農業大學 工程學院， 廣東 廣州 510642；2.仲愷農業工程學院 機電工程學院，廣州 510225)

0 引言

耕作部件性能試驗臺是研制新型耕作部件的必要設備，能夠檢測耕作部件工作性能并優化其參數[1-3]。與田間檢測相比，使用耕作部件性能試驗臺檢測具有檢測成本低、土壤因素可控及不受季節等因素影響的優勢，傳統耕作部件性能試驗臺、傳感器和PC機及控制執行機構之間通常使用電纜通訊[4-5]。

由于信號線和電源線并行布線，信號傳輸受到嚴重干擾，尤其在控制單元中使用變頻器的情況下，采集數據的準確性大大降低。若電源線和信號線分開布線則增加了布線難度，增加試驗人員安全隱患，并且電纜要防潮、防鼠，提高了試驗臺制造和維護成本。

ZigBee 是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低功耗、低成本的無線網絡技術，已經應用在智能家居、智能交通、工業、農業等領域，且表現了其獨特的優越性[6-9]。本文采用以CC2530為核心的ZigBee 模塊，基于LabVIEW軟件開發平臺，研制了耕作部件性能試驗臺測控系統。試驗人員可在PC端在線檢測耕作部件工作性能并調整其工作參數。

1 總體設計

本文設計的無線測控系統基于現有耕作部件性能試驗臺實現，試驗臺示意圖如圖1所示，耕作臺車示意圖如圖2所示。

1.配電柜 2.牽引驅動系統 3.鋼絲繩 4.軌道 5.耕作臺車 6.土槽圖1 耕作部件性能試驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of performance testing platform for tillage parts

無線測控系統由PC測控端、ZigBee無線傳輸網絡、傳感器和執行機構4部分組成，每個傳感器或執行機構與1個ZigBee模塊連接，構成ZigBee網絡終端,如圖3所示。協調節點負責PC端和終端節點之間的信息轉發，采集終端讀取待測數據并發送到協調節點，協調節點通過RS232與PC測控端通訊，PC測控端發送執行命令，由協調節點轉發給控制終端。PC測控端基于LabVIEW搭建可視化數據處理平臺，實時檢測并顯示耕作部件性能參數，調整耕作部件工作參數。

1.電動機 2.帶輪 3.扭矩轉速傳感器 4.電動推桿 5.變速箱 6.傾角傳感器 7.臺車機架 8.行走輪 9.導向輪 10.三維力傳感器圖2 耕作臺車示意圖Fig.2 Sketch map of tillage trolley

圖3 系統整體結構圖Fig.3 System structure diagram

2 系統硬件設計

2.1 模擬量輸出傳感器終端設計

使用CC2530芯片作為ZigBee模塊處理器核心，CC2530集成了比標準8051MCU執行更快增強型8051內核、256kB可編程Flash和8kB RAM，還提供了廣泛的外設集—包括2個USART、8個獨立通道、12位ADC和21個通用GPIO，只需簡單的外圍電路即可構建一個ZigBee節點[10]。傳感器組由旋轉編碼器、扭矩轉速傳感器、三維力傳感器及傾角傳感器和接近開關組成。其中，旋轉編碼器檢測臺車前進速度、扭矩轉速傳感器檢測主動耕作部件工作扭矩和工作轉速，三維力傳感器檢測被動耕作部件三維耕作阻力，傾角傳感器檢測主動耕作部件耕深，接近開關安裝在距軌道盡頭一定距離處，檢測臺車是否超過安全界線。執行機構有電動推桿，用來調節主動耕作部件耕深。ZigBee模塊硬件設計如圖4所示。

圖4 Zigbee模塊硬件結構框圖Fig.4 Zigbee module hardware structure diagram

2.2 數字量輸出傳感器終端設計

在工程應用中，常將直線運動轉換為圓周運動，通過檢測測速輪轉速的方式來檢測被測對象直線速度。本文采用旋轉編碼器測量臺車前進速度[11]，旋轉編碼器具有體積小、成本低、精度高、安裝方便及抗干擾能力強等特點。在旋轉編碼器安裝測速輪，臺車前進時，測速輪在軌道面上滾動，旋轉編碼器輸出脈沖信號，CC2530讀取脈沖信號，計算出臺車前進速度。系統選用歐姆龍E6B2-CWZ6C 100P/R 增量型旋轉編碼器，測速輪每轉1周，編碼器輸出100個脈沖信號。增量式旋轉編碼器利用光電轉換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差為90°，從而可方便地判斷出旋轉方向；而Z相為每轉1個脈沖，用于基準點定位；接合CC2530后，增量式旋轉編碼器在角速度測量較絕對式旋轉編碼器更具有廉價和簡易的優勢。旋轉編碼器與CC2530連接電路如圖5所示。

2.3 模擬量輸出傳感器終端設計

系統設計使用的傾角傳感器和三維力傳感器輸出的是電壓信號。傾角傳感器采用深圳瑞芬科技有限公司研制的MCA410型傾角傳感器，量程±90°；三維力傳感器采用蚌埠傳感器系統工程有限公司研制的JDS型三維力傳感器，量程Fx=Fy=Fz=2kN。CC2350內置8個獨立輸入通道12位ADC，可接受單端或差分信號，不需要增加其他芯片即可對主動耕作部件耕深和被動耕作部件三維工作阻力進行檢測。由于CC2530參考電壓3.3V，傳感器輸出電壓最大5V，需要對傳感器輸出信號進行分壓。本文使用美信MAX5490高精度分壓器進行分壓，電路如圖6所示。

圖5 數字信號輸出傳感器電路設計Fig.5 Design of digital signal output sensor circuit

圖6 模擬信號輸出傳感器電路設計Fig.6 Design of analog signal output sensor circuit

3 系統軟件設計及試驗分析

3.1 ZigBee節點軟件設計

基于TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0 -1.4.0 協議棧，利用IAR Embedded WorkbenchV7.60 for 8051集成開發平臺設計系統軟件。當無線測控系統開始工作時，ZigBee網絡協調節點上電之后將根據預先定義的網絡編號PANID，啟動并組建ZigBee網絡， 等待路由節點或終端節點的入網請求;組網后，各個傳感終端開始采集信息，將檢測數據發送到協調節點。ZigBee網絡終端節點上電后進行初始化工作，然后進入OSAL任務主循環即while循環，系統在此循環中主要執行檢查和處理事件程序工作，完成讀取傳感器信息、收發數據等任務。ZigBee工作流程圖如圖7所示。

圖7 Zigbee工作流程圖Fig.7 Zigbee workflow diagram

3.2 PC測控端軟件設計

試驗室虛擬儀器平臺(LabVIEW)是美國國家儀器公司(簡稱NI)的創新軟件產品，使用G語言(圖形化編輯語言)編程，其應用范圍已經覆蓋了工業自動化、測試測量、嵌入式應用、運動控制、圖像處理及計算機仿真等眾多領域。在LabVIEW開發環境里，通過VISA對串口通信參數包括波特率、數據長度、奇偶校驗等進行配置，使用VISA Read 讀取ZigBee協調節點發來的數據，使用VISA Write把命令發給協調節點，再通過無線網絡發送給控制終端[12-13]。LabVIEW PC測控端界面如圖8所示。

為避免協調節點接受多個終端節點數據之間出現混淆，系統為每個采集終端分配編號A、B、C等，控制終端分配編號a、b、c等；PC測控端接收到數據后，判斷節點編號再做相應處理。在程序設計過程中，庫函數的調用，很大程度上降低了編程難度。LabVIEW可設計友好的用戶界面，將讀取的數據及分析結果直觀顯示在前面板上[17]。為了便于以后對數據進行歷史查詢和分析，系統可對測試數據以電子表格文件進行存儲、繪圖及打印等。

圖8 PC端測控軟件Fig.8 Structure of elevating mechanism

3.3 試驗分析

為驗證所設計基于無線測控系統的實用性和數據采集精確性，在耕作部件性能試驗臺上對并列旋耕式開溝器工作性能進行檢測。以工作扭矩為試驗指標, 以耕深10cm，轉速320r/min，前進速度為0.1、0.2、0.3m/s設計單因素試驗[14]。試驗臺如圖9所示，開溝器安裝圖如圖10所示。

圖9 耕作部件性能試驗臺Fig.9 Performance testing platform of tillage parts

圖10 并列旋耕式開溝器安裝圖Fig.10 Parallel disc opener installation diagram

試驗結果如圖11和圖12所示。由圖11得出：并列旋耕式開溝器運行時，工作扭矩在一定范圍內波動，當測點位移在2.75m和3.75m附近時，0.3m/s的工作扭矩小于0.2m/s的工作扭矩。分析原因：可能是在這兩測點附近，土壤硬度差異較大造成的，因此通過試驗臺試驗檢測耕作部件性能，仍需采用重復試驗取均值的方法提高試驗結果可靠性。

圖11 開溝器工作扭矩隨位移變化曲線圖Fig.11 Working torque change curve with displacement curve

圖12 開溝器平均工作扭矩隨速度變化曲線圖Fig.12 Average working torque change curve with speed

圖12表明：當速度從0.1m/s增加到0.2m/s時，開溝器平均工作扭矩從9.14N·m增加到20.55N·m，增加了55.51%；當速度從0.2m/s增加到0.3m/s時，開溝器平均工作扭矩從20.55N·m增加到25.72N·m，增加了20.12%。在耕深10cm、轉速320r/min條件下，并列旋耕式開溝器工作扭矩與機組前進速度成正比，但隨前進速度增加工作扭矩增速變緩。試驗結果表明：所設計耕作部件性能試驗臺無線測控系統運行可靠，滿足耕作部件性能測試試驗要求。

4 結論

1)設計了基于ZigBee無線網絡和LabVIEW的耕作部件性能試驗臺無線測控系統，闡述了以CC2530芯片為硬件核心構建ZigBee無線網絡，使用IAR開發環境基于TI公司的Z-Stack協議棧完成無線網絡協調節點和終端節點的程序設計過程，并基于LabVIEW軟件開發環境，研制了系統測控軟件。終端節點之間通過ZigBee無線網絡通信，協調節點和PC測控端之間通過RS232串口通信， PC端測控軟件執行對試驗臺運行狀態和耕作部件工作參數的檢測與控制。

2)試驗結果表明：該系統具有實時顯示、參數控制及報警等功能，可實現對試驗臺耕作刀盤轉速和臺車運行速度的閉環控制，且運行穩定。設計的耕作部件性能試驗臺無線測控系統有效地解決了傳統試驗臺布線復雜及信號傳輸干擾大的問題，為耕作部件性能試驗臺測控設計提供一種方案。

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