港口近岸水田捕撈作業機械無線遙控系統設計

常淑英，楊傳民

(1.河北工業大學，天津 300132；2.天津電子信息職業技術學院，天津 300350；3.天津商業大學，天津 300134)

0 引言

由于水田作業條件的惡劣，在近岸水田作業機械的控制系統研究中，無線遙控技術得到了廣泛的關注[1-7]。遠程控制駕駛水田捕撈機械可以使人脫粒危險的作業環境，改善作業的條件和安全性，降低勞動作業強度，在倡導低碳綠色作業的今天具有重要的現實意義[8-12]。在當前，國內對遙控機械的主要操作方式是采用固定無線頻段傳輸開關量信號進行控制,對于較為復雜和精度要求較高的遠程操控是難以完成的[13-15]。而基于單片機和遠程控制模塊可以通過監測數據的反饋，將反饋數據和初試狀態數據進行對比，精準地完成水田捕撈機械的剎車、換擋、油門和轉向控制等一系列較難的動作，對農業機械的遠程精準控制的研究具有重要現實意義。

1 無線遙控系統總體設計

港口近岸水田捕撈作業機械無線遙控系統總體設計包括機械設備遠程監測裝置的設計和計算機遠程控制系統設計，兩方面的通信設計主要是基于WiFi和4G通信技術[16-19]。為了優化通信網絡系統，采用了分布式的節點網絡布置技術，不僅有效地節省了能耗，還加快了遠程信號的傳輸功能，實現了捕撈機械設備的全方位監測。分布式網絡如圖1所示。

圖1 分布式無線傳感網絡節點示意圖

分布式網絡的每個節點都可以反饋捕撈作業機型的作業狀態，為遠程控制反饋狀態信號，在實現遠程控制時，可以將這些反饋信號與需求狀態信號進行匹配，完成遠程控制作業。

圖2為捕撈作業機型遠程控制的基本流程圖。監測系統得到的反饋數據和初始的需求狀態數據進行比對，當數據特征匹配時，可以輸出控制結果；當不滿足終止條件時，需要對控制參數進行優化，然后重新比對和特征匹配，最終達到滿足條件后結束。

2 遙控監控設備方案和圖像處理技術

捕撈機械的遠程控制主要基于遠程監測技術，遠程監測精度的高低直接決定了遙控的精度[20-25]。在進行遠程監測時，首先將采集到的圖像信號轉換為電信號，通過處理器最終得到8位數據，然后采用單片機技術將數據傳遞給無線發射設備，從而完成信號遠程傳輸的第一步。遠程信號發射示意圖[26-27]如圖3所示。

圖2 捕撈作業機械遠程控制流程圖

圖3 遠程信號發射示意圖

遠程信號發射后需要采用無線接收模塊接受發射的信號進行解調，解調后將8位數據信號傳遞給單片機，單片機開始控制信號的接收，最后將信號傳送給PC機進一步處理，發出控制指令，或者直接在顯示屏顯示信號，如圖4所示。

圖4 遠程信號無線接收示意圖

為了全方位地對水田捕撈設備進行監控，實現系統的大數據量的處理功能，采用了云平臺處理系統，并方便地使用WiFi無線傳感網絡，將監控和控制系統安裝在Andriod智能手機上。在進行捕撈機械遠程監測和控制時，用戶可以打開手機實時的觀察捕撈機械的作業狀態，利用Andriod智能客戶端或通過界面操作功能捕撈船進行遠程控制，實現捕撈船的無人駕駛功能。wifi模塊的框架結構如圖5所示。

圖5 基于WiFi模塊的捕撈機械監測控制系統

基于WiFi模塊的捕撈機械監測系統的指令轉發設備主要由1個攝像頭和無線路由器組成。其中，路由器同時具備了4G信號和無線信號一體，并安裝有USB接口。為了實現單片機的無線遠程控制，對路由器的串口引腳進行了改造，將調試串口TXD和最小系統的RXD接通，這樣可以實現將控制指令直接發動到單片機中，對指令做出相應的操作。

在捕撈船進行作業時，受到作業環境的影響，遠程監控的圖像往往達不到要求，為了進一步提高圖像的質量，可以對圖像進行增強處理，從而得到更加清晰的遠程監控圖像。在圖像增強時，可以首先將圖像進行二值化處理，得到的灰度圖像的背景值點為0，前景值點為255；然后，采用細化算法進行二值化，在r×r鄰域內，可以通過相鄰像素的方差和均值進行二值化處理，其計算公式為

T(x,y)=m(x,y)+k×s(x,y)

(1)

其中，T(x,y)為通過二值化處理后得到的圖像像素點；m(x,y)為處理圖像的像素點均值；s(x,y)為像素點的標準差；k為圖像處理的修正值。假設像素點(i,j)處的灰度值為f(i,j)，則

(2)

(3)

通過二值化增強處理后，可以將水田捕撈機械的準確工作狀態反饋到監控中心，為了實現水田捕撈機械的遠程控制功能，可以將圖像的反饋值和需求作業狀態圖像進行特征匹配。假定正常作業狀態的特征圖像為

(4)

其中，P0為水田捕撈船正常作業區域的中心位置。采用不變距特征可以實現圖像區域的識別，將獲得的監控圖像在離散狀態下求解中心距，從而判斷圖像是否匹配。在進行計算時，假設離散狀態時圖像函數為f(m,n)，則該圖像的p+q階普通距為

(5)

該圖像的p+q階中心距的計算公式為

(6)

得到中心距后，可以利用圖像的旋轉、平移和比例變化原理，計算各種監控區域的各種不變矩，達到圖像是否配準的判斷。

3 無線遙控系統測試

為了驗證港口近岸水田捕撈作業機械無線監測和遙控系統的可行性，以實際作業的機械捕撈船為測試對象，利用前端設備和4GLTE無線網，結合WiFi無線傳感器，將信號傳送到視頻監測平臺。整個測試平臺框架如圖6所示。

圖6 港口近岸水田捕撈作業機械無線遙控系統

整個測試平臺主要由前端的設備、路由器、LTE和WiFi無線網、機械捕撈設備組成。為了監測系統使用方便，監測系統供電采用風力輔助發電設備，前端設備如圖7所示。

圖7 監控前端設備選型

該攝像設備具備了全天的監控功能，白天和晚上都可以對機械捕撈船的作業狀態進行清晰的監測。為了使監測設備適應惡劣的作業條件，設備采用了特殊材料制成，可以成功應對水汽、煙霧和各種氣體的腐蝕，使監控圖像始終保持較高的質量，并具有較好的連續性和可靠性。攝像頭外采用防護罩保護，夜間照明采用激光照明設備，使用紅外成像儀，使監測設備在夜間可以獲得較高的監測視頻和圖像。

圖8為本次采用的水田作業機械捕撈設備采用的無線監控主機設備。該設備支持WiFi無線網絡和4G信號傳輸功能，可以在電腦和手機等終端監測設備實時地查看捕撈機械設備的實時作業情況。為了降低能源耗費，系統除了帶有遠程開啟和關閉功能之外，還具有定位開關功能，可以有效降低設備能源的耗費。

圖8 無線監控船載設備主機

表1為對近岸水田捕撈設備的遠程監測和遙控設備進行測試得到的測試結果。結果表明：監測設備可以輸出穩定的反饋信號，各個串口的通信均正常。對無人駕駛的遠程操控誤差和控制時延特性進行了統計，結果表明：遠程控制的最大誤差僅為2.55%，低于5%；控制的最大時間延遲僅為0.72s，小于1s，可以滿足水田捕撈作業機械遠程控制的基本需求。

表1 無人駕駛遙控精度監測

4 結論

為了使遠程監測和控制設備適應港口近岸水田捕撈作業的惡劣作業條件，提出了一種基于無線傳感和無人駕駛技術捕撈機械遠程監測和控制設備，使用分布式WiFi和4G無線網絡實現了遠程數據通信，采用圖片數據反饋與特征匹配和單片機實現了遠程控制功能。為了驗證系統的可行性和可靠性，在較大距離范圍內對監測設備的性能進行了測試，分為監測通信測試和遠程無人駕駛操控精度測試。結果表明：系統可以輸出連續可靠的通信信號作為控制反饋的指令。遠程控制誤差實驗結果表明：系統遠程控制的誤差低于5%，控制的最大時間延遲小于1s，在遠程高精度監測和控制運行的誤差范圍內滿足了設備高精度作業的需求。

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AbstractID:1003-188X(2018)06-0224-EA

Abstract： The environment of fishing operations in coastal inshore paddy field is often poor, and it is difficult to monitor the mechanical fishing equipment due to the influence of fog, wind and temperature. For the high precision remote control operation to achieve the field working machine, it proposes a wireless network monitoring and image enhancement technology based on distributed wireless sensor, which can effectively improve the coastal paddy field operation equipment monitoring accuracy and efficiency monitoring. The wireless data transceiver module and data acquisition and processing module, and wireless communication protocol, it designs a wireless remote control fishing equipment SCM and WiFi system based on the coastal paddy field, and in the range of 1000m the feasibility and precision of the device was tested by the test results show that the monitoring and control system of serial communication, wireless data transmission stability, control accuracy to meet the basic needs of paddy field fishing machinery.

Keywords： fishing machine; paddy field operation; port inshore; single chip computer