基于ZigBee通信網絡的農機作業監測系統設計

伍 坪

(三明學院 機電工程學院,福建 三明 365000)

0 引言

我國是個農業大國,農業一直是我國國民經濟的基礎。水稻、玉米、大豆和小麥是我國主要種植作物,其種植環境復雜、種植面積大,因此提高這幾類作物的收割效率是農業機械發展的目的。聯合收割機、收割機器人等可以大幅度提高作物收割效率,大大降低農民負擔;但由于國內聯合收割機技術還存在不足,智能化程度也不高,作業時容易出現故障。為此,設計了一套基于ZigBee通信網絡的農機作業監測系統,可以對農機作業狀態進行實時監測,若農機數據出現不正常會及時報警。

1 ZigBee通信網絡技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4制定的一種新型近距離、低復雜度、低功耗、低速率的新型無線局域網技術。蜜蜂發現食物后會通過“嗡嗡”(zig)地ZigZag舞蹈通知同伴食物源位置,而ZigBee的組網和信息傳遞方式與蜜蜂行為非常類似,所以將新一代無線通訊技術命名為ZigBee。

1.1 ZigBee通信網絡結構

ZigBee網絡是根據實際應用和設備布局結合的方式進行組網,主要有星型、樹型網絡和網格型網絡3種拓撲結構,如圖1所示。

圖1 ZigBee 3種網絡結構Fig.1 Three kinds of ZigBee network structures

星型網絡拓撲結構比較簡單,所有的節點設備都直接通過ZigBee協調器加入到網絡,協調器是所有ZigBee設備節點的父節點。星型網絡結構十分高效,可實現快速組網,通信也非常穩定,適用于網絡布設較小的設備。樹型網絡和網格型網絡都相對比較復雜,多用于規模較大的ZigBee 網絡應用。農機作業監測架構簡單,不需要復雜的無線傳輸網絡,故采用星型網絡拓撲結構。

1.2 ZigBee通信方式

ZigBee包括單播、組播和廣播3種通信方式,不同的結構需求和設備類型可以采用不同的通信方式。ZigBee通信方式結構示意如圖2所示。

單播通信是ZigBee網絡通信常用的方式之一,主要用于一對一的通信需求,在星型網絡拓撲結構,某個ZigBee節點設備與ZigBee協調器之間通信,通常會采用單播通信方式。組播通信是主機之間一對一組的通訊模式,在使用組播通信前,ZigBee節點設備會建立一個組的目的設備地址列表,在進行組播時,會調用組播目的地址發出組播報文,此種通信方式會增加網絡通信開銷。廣播是指主機之間一對所有的通信,網絡中對其中一臺ZigBee 設備發出報文,均會被無條件復制并轉發,這樣所有的主機都會收到這條信息。筆者研究的農機作業監測架構,是多個ZigBee節點設備對一個ZigBee協調器發送不同的信號,將多個傳感檢測模塊的數據匯總到ZigBee協調器,再發送給監測中心,因此采用單播通信方式。

圖2 ZigBee通信方式結構示意圖Fig.2 The structure diagram of ZigBee communication mode

1.3 ZigBee協議棧

ZigBee協議的組織結構被稱為協議棧,其主要展示了ZigBee協議中各層之間的數據流和網絡傳輸關系。ZigBee協議棧主要包括應用層、應用支持子層、網絡層、介質訪問控制子層和物理層,其結構框架如圖3所示。

圖3 ZigBee協議棧結構框架Fig.3 The stack structure framework of ZigBee protocol

2 農機作業監測系統總體設計方案

針對國內還沒有成熟的農機作業監測系統,采用ZigBee無線傳輸技術,建立了基于STM32微處理器的農機作業監測系統,目的是在農機進行作業操作時對其參數進行實時監測,并將采集到的數據傳輸至云平臺進行保存。在此,以某聯合收割機為例,對農機作業監測系統進行了研究,其總體設計方案如圖4所示。

圖4 農機作業監測系統總體方案框架圖Fig.4 The overall scheme framework of agricultural machinery operation monitoring system

圖4中,聯合收割機作業監測系統分為轉速測量、振動信號采集、割臺高度檢測、喂入量檢測和ZigBee無線網絡傳輸等5個模塊。其中,無線網絡傳輸采用ZigBee組網,將4路數據匯總后,通過GPRS網絡傳輸給下位機;下位機采用STM32微處理器,接收到農機各個模塊的數據后,發送給云平臺保存,為后續數據分析研究提供數據基礎。

3 農機作業監測系統硬件設計

3.1 轉速測量模塊

聯合收割機傳動軸是其核心部件之一,實時監測傳動軸轉速對發現機器故障具有重大意義。在此,采用滬工LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器對傳動軸轉速進行檢測。LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器包括磁鋼和接近開關兩部分:磁鋼貼在傳動軸上,跟著傳送軸旋轉;而接近開關固定在旋轉體外側,傳送帶旋轉時,接近開關每次都能感應到磁鋼的磁場技術一次,經過對固定時間的脈沖計數,結合測頻率法計算原理,便可以計算出傳動軸轉速。LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器實物和接線圖分別如圖5和圖6所示。霍爾傳感器原理如圖7所示。

圖5 LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器實物圖Fig.5 The physical drawing of LJ12A3-Z/BX Hall sensor

圖6 LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器接線圖Fig.6 The wiring diagram of LJ12A3-Z/BX Hall sensor

圖7 霍爾傳感器原理圖Fig.7 The schematic diagram of Hall sensor

3.2 振動信號采集模塊

振動信號采集模塊是利用加速度傳感器采集聯合收割機作業狀態時的振動信號,從而判斷聯合收割機是否存在故障風險。實際測量時,采集加速度傳感器對聯合收割機X軸、Y軸、Z軸上的振動模擬信號,再通過ADC模塊進行模數轉換后送給微處理器進行FFT變換分析,提取出能夠反應聯合收割機振動信的特征值,然后進行故障判斷分析。本文采用MPU-6050陀螺儀采集聯合收割機的振動信號,MPU-6050陀螺儀內部包括可程式控制的3軸加速器,測量可以設置為±2、±4、±8、±16g。MPU-6050陀螺儀實物和原理圖如圖8和圖9所示。

圖8 MPU6050陀螺儀實物圖Fig.8 The physical drawing of MPU6050 gyroscope

圖9 MPU6050陀螺儀原理圖Fig.9 The schematic diagram of MPU6050 gyroscope

3.3 割臺高度檢測

不同農作物的高度不一樣,因此操作人員需要針對不同作物調整割臺高度,而割臺高度檢測也是農機作業監測系統的核心之一,本文采用超聲波測距系統測量聯合收割機割臺高度。超聲波測距由一個接收器和一個發射器組成,二者都安裝在割臺上,依據超聲波測距原理,實現割臺與地面之間的距離。為了避免因地面不平導致測量誤差,本系統在割臺上安裝了3套超聲波測距系統,根據系統綜合計算出割臺高度。超聲波測距原理如圖10所示。

圖10 超聲波測距原理Fig.10 The principle of ultrasonic ranging

4 農機作業監測系統軟件設計

ZigBee無線網絡傳輸軟件主要是根據Z-Stack 操作系統進行開發,由于本文使用的ZigBee硬件平臺是特別設計的,因此Z-Stack的驅動需要獨立開發。ZigBee無線網絡傳輸軟件驅動主要包括ZigBee設備節點程序和ZigBee協調器程序兩部分。

1)ZigBee設備節點程序。ZigBee設備節點程序主要功能:搜集聯合收割機作業現場的各種重要參數,故設備節點必須具備建立網絡、采集收據、存儲數據的功能。ZigBee設備節點程序流程如圖11所示。

圖11 ZigBee設備節點程序流程圖Fig.11 The program flow chart of ZigBee device node

由于Z-Stack自身已經包括組網、采集收據和存儲數據功能,在本課題上只需要在Z-Stack軟件基礎上,調用其內部函數和新編寫的驅動函數即可,再將采集到的數據結構發送給ZigBee協調器。

2)ZigBee協調器程序。ZigBee協調器主要負責各類參數的收集和發送,也就是定時將收集到的數據通過GPRS網絡發送給STM32微處理器。ZigBee協調器程序流程如圖12所示。

圖12 ZigBee協調器程序流程圖Fig.12 The program flow chart of ZigBee coordinator

5 試驗結果與分析

為了驗證基于ZigBee通信網絡的農機作業監測系統的可行性,在某玉米種植基地進行了玉米收割試驗。試驗所用的聯合收割機采用了研究的農機作業監測系統。在試驗過程中,系統正常啟動后,開始進行收割作業,并在后臺觀測數據采集情況。農機作業監測系統轉速采集模塊顯示如表1所示。

表1 轉速采集模塊結果Table 1 The results of speed acquisition module r/min

為了檢驗農機作業監測系統的可靠性,在測試開始前,拔掉了喂入輥轉速檢測模塊的電源線,喂入輥轉速檢測值為0。從檢測數據來看:信號采集節點能夠正確采集農機作業參數,并通過無線網絡發送到云平臺,驗證了系統的可行性。

6 結論

首先,介紹了ZigBee通信的網絡結構、通信方式和協議棧原理,然后采用多種傳感器對農機作業參數進行實時采集,并從硬件和軟件兩方面實現了農機作業監測系統。測試試驗表明:信號采集節點能夠正確采集農機作業參數并通過無線網絡發送到云平臺,驗證了系統的可行性。