播種機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)—基于光纖傳輸及以太網(wǎng)通訊技術(shù)

楊 葵

(四川城市職業(yè)學(xué)院，成都 610101)

0 引言

無(wú)人駕駛播種機(jī)已經(jīng)被初步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但由于受到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)的限制，其作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)的安全性都影響了其批量使用和推廣。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、監(jiān)控領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性方向發(fā)展將是技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，憑借其開(kāi)放性好、成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸率高等諸多優(yōu)勢(shì)，在自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。本次研究以無(wú)人駕駛播種機(jī)的控制為研究對(duì)象，以ZNE-100T模塊為以太網(wǎng)接口，將光纖傳輸技術(shù)引入到了遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以期得到較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，從而提高播種機(jī)遠(yuǎn)程控制的精度，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的無(wú)人化自動(dòng)作業(yè)。

1 光纖接入網(wǎng)技術(shù)以及以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)概述

光纖接入技術(shù)是客戶端與業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)之間以光纖作為傳輸媒介，用戶端使用銅線或者無(wú)線作為傳輸媒介，綜合寬帶承載等一系列的技術(shù)服務(wù)。光纖入網(wǎng)可以由網(wǎng)絡(luò)管理接口進(jìn)行配置和管理，是下一代接入網(wǎng)的主要入網(wǎng)方式。

如圖1所示，光纖接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共分為兩種入網(wǎng)方式，一種方式是點(diǎn)到點(diǎn)的以太網(wǎng)技術(shù)，一種是點(diǎn)到多點(diǎn)的入網(wǎng)技術(shù)。其中，點(diǎn)到多點(diǎn)的入網(wǎng)技術(shù)又分為3種，包括APON/BPON、EPON和GPON等。光纖傳輸具有較高的帶寬和較長(zhǎng)距離的傳送能力，支持分組的方式承載上層業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)技術(shù)是從局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，一般是用來(lái)解決用戶的寬帶接入問(wèn)題的，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如其設(shè)備廉價(jià)、可以與IP技術(shù)無(wú)縫融合及協(xié)議簡(jiǎn)單設(shè)備兼容性好等，因此本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)建立在光纖傳輸及以太網(wǎng)通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上。

圖1 光纖接入技術(shù)

2 基于光纖傳輸?shù)牟シN機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以采集播種機(jī)的作業(yè)信息，并根據(jù)其作業(yè)情況發(fā)出控制指令，需要將信息采集設(shè)備、傳感器、單片機(jī)等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。為了提高傳輸速度，本次選用光纖以太網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸，其功能設(shè)計(jì)主要分為4部分：

1)作業(yè)信息采集與處理。作業(yè)信息的采集是播種機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能設(shè)計(jì)的主要方面，包括速度信息、播種機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)信息等，這些信息通過(guò)采樣和處理，可以為遠(yuǎn)程控制中心提供重要的數(shù)據(jù)參考。

2)監(jiān)督功能。將監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并存儲(chǔ)，起到對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)督功能。

3)管理功能。利用采集到的數(shù)據(jù)可以查看播種機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，如果存在故障或者播種質(zhì)量不合格時(shí)可以發(fā)出及時(shí)的預(yù)警，并對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行報(bào)警。

4)控制功能。控制是監(jiān)控的目的，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)的信息數(shù)據(jù)，對(duì)播種機(jī)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化作業(yè)功能。

為了實(shí)現(xiàn)播種機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的光纖傳輸，本次選用以太網(wǎng)作為接口網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理傳輸幀由7部分組成，主要為表1所示的4部分。

表1 以太網(wǎng)的物理傳輸幀結(jié)構(gòu)

如表1所示：DA目的地址是48位二進(jìn)制地址，表示幀傳給網(wǎng)卡的名稱(chēng)和類(lèi)型；SA源地址也是48位，表示幀發(fā)出的網(wǎng)卡名稱(chēng)與類(lèi)型；TYPE類(lèi)型字段表示幀的數(shù)據(jù)類(lèi)型；DATA數(shù)據(jù)段表示光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。根據(jù)光纖通信的傳輸特點(diǎn)設(shè)計(jì)了播種機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架，如圖2所示。

圖2 播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

首先利用攝像機(jī)對(duì)播種機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行信息采集，并利用光纖通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到播種機(jī)的速度信息等情況。為保證速度采集的準(zhǔn)確性，還在播種機(jī)上安放了速度信息采集傳感器，傳感器將信息數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，然后利用通過(guò)UART0串口連接到ZNE-100T，最后通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)基本的遠(yuǎn)程監(jiān)控通信功能，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其通信電路的接口如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)通信模塊接口電路圖

系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能是通過(guò)ZNE-100T模塊實(shí)現(xiàn)的，可以利用電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口通信。當(dāng)播種機(jī)的速度出現(xiàn)異常時(shí)，可以利用該通信模塊對(duì)播種機(jī)發(fā)出控制指令，其流程如圖4所示。

圖4 串行通信中斷流程圖

串行通信采用RI標(biāo)記進(jìn)行判斷，當(dāng)RI的值為1時(shí)，說(shuō)明有數(shù)據(jù)接收，程序進(jìn)入中斷子程序。利用子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)判斷播種機(jī)的實(shí)時(shí)速度是否超過(guò)了設(shè)定的速度門(mén)限值，如果超過(guò)門(mén)限值需要調(diào)整播種機(jī)的速度，使其平穩(wěn)作業(yè)，完成子程序后中斷返回。

如圖5所示：為了測(cè)試光纖通信的性能，主要對(duì)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程的丟包情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將測(cè)試儀端口分別與被測(cè)光纖收發(fā)器A和B的以太網(wǎng)接口相連接。其中，A的光發(fā)送端利用光纖線路和接收器B端連接，同理B的光發(fā)送端利用光纖線路和接收器A端連接，最后通過(guò)丟包率的大小，對(duì)光纖傳輸性能進(jìn)行判斷，以決定其是否滿足播種機(jī)遠(yuǎn)程通信傳輸?shù)男枰?/p>

圖5 光纖傳輸性能測(cè)試

3 播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)性能測(cè)試

為了研究基于光纖傳輸?shù)牟シN機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能，以無(wú)人駕駛播種機(jī)作為研究對(duì)象，擬對(duì)光纖傳輸以太網(wǎng)的性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)播種機(jī)監(jiān)控的性能和播種機(jī)的總體性能進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。

圖6 基于光纖以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的無(wú)人駕駛播種機(jī)

在無(wú)人駕駛播種機(jī)作業(yè)過(guò)程中必須對(duì)其作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，以保證播種作業(yè)的質(zhì)量和播種機(jī)運(yùn)行的安全性，本次主要采用光纖以太網(wǎng)對(duì)播種機(jī)運(yùn)行情況視頻和速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以達(dá)到平穩(wěn)控制播種機(jī)的目的。

首先對(duì)光纖以太網(wǎng)信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明：播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)確率較高，最大丟包率不超過(guò)0.5%，滿足無(wú)人駕駛播種機(jī)遠(yuǎn)程控制的需求。

圖7 丟包率測(cè)試曲線

對(duì)播種機(jī)的行駛速度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：播種機(jī)在啟動(dòng)后10s之內(nèi)便可以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。對(duì)播種機(jī)的漏播率和重播率進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到了如表2所示的結(jié)果。

圖8 行駛速度測(cè)試曲線

表2 播種性能測(cè)試結(jié)果

表2測(cè)試結(jié)果表明:播種機(jī)的漏播率和重播率都較低，可以滿足高精度無(wú)人駕駛自動(dòng)化播種作業(yè)的需求。

4 結(jié)論

為了提高無(wú)人駕駛播種機(jī)自動(dòng)化作業(yè)水平和播種質(zhì)量，將光纖傳輸和以太網(wǎng)通信技術(shù)引入到了播種機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，有效提高了信息數(shù)據(jù)的傳輸速率，為無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支持。為了驗(yàn)證方案的可行性，以無(wú)人駕駛播種機(jī)的實(shí)際作業(yè)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能和播種機(jī)的總體性能進(jìn)行了測(cè)試，包括網(wǎng)絡(luò)丟包率、播種機(jī)的漏播率和重播率。測(cè)試結(jié)果表明：網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能較好，丟包率沒(méi)有超過(guò)0.5%，重播率和漏播率也控制在2%以?xún)?nèi)，可以滿足播種機(jī)自動(dòng)作業(yè)的需求。