基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王　昆，陳昕志

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，鄭州　450046)

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基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王昆，陳昕志

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，鄭州450046)

摘要：精確定位是實(shí)現(xiàn)智能旋耕機(jī)自主作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了智能旋耕機(jī)的定位系統(tǒng)，主要由部署在旋耕機(jī)上的移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。無線網(wǎng)絡(luò)主要由坐標(biāo)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)的定位節(jié)點(diǎn)組成。移動(dòng)的定位節(jié)點(diǎn)以低功耗芯片LPC2148作為控制核心，通過接收信號強(qiáng)度指示RSSI原理進(jìn)行測距，利用3個(gè)CC2530模塊分別采用三邊測量法確定3個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的位置，最后采用三點(diǎn)求質(zhì)心法進(jìn)一步提高了定位的精度；同時(shí)，借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。測試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，且工作穩(wěn)定可靠，對農(nóng)田內(nèi)8個(gè)隨機(jī)位置坐標(biāo)上的測量平均誤差僅為0.242m，能夠?yàn)橹悄苄麢C(jī)自主導(dǎo)航作業(yè)提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：智能旋耕機(jī)；自動(dòng)導(dǎo)航；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；三邊測量法

0引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，雖然已經(jīng)在很大限度上擺脫了人畜作業(yè)的模式，很多地區(qū)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；但隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和人口的城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，需要在農(nóng)田上解放更多的勞動(dòng)力，盡快普及和發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)。一般的作物生產(chǎn)都包括耕耘、施肥、播種、除草、施藥和收割幾個(gè)環(huán)節(jié)。作物在播種前，大多會(huì)采用旋耕機(jī)翻轉(zhuǎn)土壤，切碎埋在地表以下的根茬，使土壤更加松軟和平坦，為后期播種提供良好種床，便于播種機(jī)作業(yè)和作物后期的生長。由于對土地的旋耕作業(yè)要求不高，相對簡單和單一，容易通過智能化機(jī)械實(shí)現(xiàn)解放人工勞動(dòng)力。旋耕機(jī)與拖拉機(jī)協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化的作業(yè)關(guān)鍵是首先能夠?qū)崟r(shí)獲取它的位置信息，然后再通過控制拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)最終實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的自動(dòng)作業(yè)[1]。李彬等[2]提出了一種基于 GPS的大型農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；但由于GPS的定位精度限制，只能實(shí)現(xiàn)后臺(tái)的綜合調(diào)度功能。羅亞輝等[3]設(shè)計(jì)了一種用于農(nóng)田激光定位的激光接收器，雖然能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)定位功能，但系統(tǒng)設(shè)備安裝復(fù)雜且價(jià)格昂貴。為此，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的WSN(WirelessSensor Network，WSN)的智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)，通過接收固定ZigBee節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度RSSI值，利用三邊測量法的同時(shí)引入三點(diǎn)求質(zhì)心的改進(jìn)算法，提高了定位的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，能夠完全滿足智能旋耕機(jī)定位導(dǎo)航的需求。

1定位工作原理

1.1耕耘機(jī)作業(yè)描述

旋耕機(jī)是與拖拉機(jī)配套完成耕、耙作業(yè)的耕耘機(jī)械，結(jié)構(gòu)如圖1所示。因其具有碎土能力強(qiáng)、耕后地表平坦等特點(diǎn)，而得到了廣泛的應(yīng)用；同時(shí)，能夠切碎埋在地表以下的根茬，便于播種機(jī)作業(yè)，為后期播種提供良好種床。

圖1　旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

作業(yè)開始前，應(yīng)將旋耕機(jī)處于提升狀態(tài)，先結(jié)合動(dòng)力輸出軸，使刀軸轉(zhuǎn)速增至額定轉(zhuǎn)速，然后下降旋耕機(jī)，使刀片逐漸入土至所需深度。在作業(yè)中，應(yīng)盡量低速慢行，既可保證作業(yè)質(zhì)量，使土塊細(xì)碎，又可減輕機(jī)件的磨損。在地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)因禁止作業(yè)，應(yīng)將旋耕機(jī)升起，使刀片離開地面，并減小拖拉機(jī)油門，以免損壞刀片；在倒車、過田埂和轉(zhuǎn)移地塊時(shí)，應(yīng)將旋耕機(jī)提升到最高位置，并切斷動(dòng)力，以免損壞機(jī)件。

1.2定位工作原理

要實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)自動(dòng)作業(yè)的首要問題是解決自動(dòng)導(dǎo)航問題，而導(dǎo)航的精準(zhǔn)度則完全取決于定位的精度。考慮到測量精度、成本和可行性等因素，采用在農(nóng)田上部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN。它是一種基于IEEE802.15.4無線個(gè)人域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee節(jié)點(diǎn)組成，具有低功耗、低成本和低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)，可以自主實(shí)現(xiàn)星型、網(wǎng)狀和簇狀的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，不僅可以解決定位的問題，同時(shí)還解決了通信的問題。

由于無線信號在傳播的過程中受環(huán)境的影響，會(huì)隨著傳輸?shù)木嚯x而逐漸減弱[5-6]，信號強(qiáng)度變化與距離的定位模型如圖2所示。

圖2　信號強(qiáng)度變化與距離的定位模型

未知節(jié)點(diǎn)收到的信號強(qiáng)度值為

f(d)=f(d0)+10k·log10(d/d0)+Mτ

(1)

其中，d0為參考距離，可根據(jù)AC亮點(diǎn)之間的距離的計(jì)算得到；d為待測AB兩點(diǎn)之間的距離；f(d0)為距離A點(diǎn)位d0處C點(diǎn)處接收到的信號強(qiáng)度值，單位為dB；Mτ為服從(0，τ2)的高斯分布隨機(jī)變量，范圍在(4, 10)；k為與環(huán)境有關(guān)的路徑損耗指數(shù)。由于在不同環(huán)境中，k取值也是不固定的，一般取值(2，5)，因此，引入了參考節(jié)點(diǎn)D，AD的距離也為已知量d1，利用式(1)即可得到具體的k值。

隨著信號傳播距離的加大，多徑傳播效應(yīng)會(huì)越加突出，導(dǎo)致誤差也隨之增大。實(shí)際上隨著距離的增大，會(huì)出現(xiàn)精度降低的情況，利用接收信號強(qiáng)度排在前3位的點(diǎn)，通過三邊測量法求解未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，模型如圖3所示。

假設(shè)待測節(jié)點(diǎn)A(xA,yA)接收到信號強(qiáng)度最大的3個(gè)已知節(jié)點(diǎn)A1(xA1,yA1)，A2(xA2,yA2)，A3(xA3,yA3)的RSSI值[7]，并通過式(1)計(jì)算出對應(yīng)的距離分別為RA1、RA2、RA3，但是由于信號的波動(dòng)性，會(huì)出現(xiàn)3個(gè)點(diǎn)交點(diǎn)A1、A2、A3，且滿足方程組，有

(2)

根據(jù)上式就能求出3個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)，利用三角質(zhì)心原理，估計(jì)出未知節(jié)點(diǎn)(xA，yA)的坐標(biāo)為

圖3　三邊測量定位模型

2智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)主要有旋耕機(jī)移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)和ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)組成。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有坐標(biāo)位置固定的錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)的未知坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)兩種類型[8-9]。移動(dòng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)部署在旋耕機(jī)上隨之運(yùn)動(dòng)，接收錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號，通過信號強(qiáng)度計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置坐標(biāo)信息，同時(shí)將這一坐標(biāo)信息通過錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理；上位機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)服務(wù)器，裝有專業(yè)的管理軟件，管理軟件采用VC++6.0開發(fā)，具有節(jié)點(diǎn)管理、路徑規(guī)劃、地圖管理、導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)庫管理和通信接口等模塊組成。智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4　智能旋耕機(jī)定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

上位機(jī)管理控制和監(jiān)測各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，在作業(yè)前首先通過地圖管理模塊將要耕作的農(nóng)田地圖導(dǎo)入系統(tǒng)，再自動(dòng)對耕耘機(jī)的路徑進(jìn)行規(guī)劃。上位機(jī)具有一個(gè)無線模塊與整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)連接，控制各錨節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送信號，并接收來自旋耕機(jī)上移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，在顯示器上直觀顯示旋耕機(jī)在農(nóng)田內(nèi)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)，將運(yùn)動(dòng)的軌跡存入數(shù)據(jù)看SQL2008中，上位機(jī)根據(jù)路徑規(guī)劃，實(shí)時(shí)向旋耕機(jī)反饋控制信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度和方向的調(diào)整，使旋耕機(jī)能夠按照預(yù)定的路徑行進(jìn)，從而完成作業(yè)。

3移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成

移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)是旋耕機(jī)定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)對運(yùn)動(dòng)中的旋耕機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。其核心是低功耗小體積的嵌入式處理器LPC2148，是ARM7 TDMI內(nèi)核的精簡指令系統(tǒng)，帶有32kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512kB的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，多個(gè)串行接口，包括2個(gè)UART、2個(gè)可達(dá)400kbps的高速I2C總線和1個(gè)SPI接口，豐富的片上資源，能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要[10]。為了提高測量精度，設(shè)計(jì)由3個(gè)ZigBee通信定位模塊CC2530、旋耕機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、外置SD存儲(chǔ)器、LCD顯示屏MzLH04-12864和報(bào)警/按鍵等外設(shè)等組成的系統(tǒng)。旋耕機(jī)移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。同時(shí)，為了能夠解決定位節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)供電的問題，采用了12V的車載蓄電池，經(jīng)過降壓和調(diào)理后輸出5、3.3、1.8V的電壓供系統(tǒng)使用。

圖5　旋耕機(jī)移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中的CC2530是一款符合IEEE 802.15.4通信協(xié)議的收發(fā)器，采用優(yōu)良的性能和具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051 微控制器作為內(nèi)核，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，可編程的信號輸出功率高達(dá)4.5dBm，支持精確的數(shù)字化RSSI，非常適合本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)；同時(shí)，還支持多種串行通信協(xié)議[11]，通過UART與LPC2148連接進(jìn)行通信，從而建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了全中文人機(jī)交互圖形界面，通過液晶顯示屏MzLH04-12864實(shí)現(xiàn)。它是128×64點(diǎn)陣FSTN，不僅包含12×12和16×16點(diǎn)漢字庫及6×10和8×16點(diǎn)ASCII碼西文字庫，還具有繪點(diǎn)、直線、矩形、實(shí)心圓形和圓形框繪圖等功能[12]。MzLH04-12864的使用非常簡便，有7個(gè)引腳，分別為：LCD供電VCC、CS、SDA、NC、SCK、RST和GND。靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，與嵌入式處理器LPC2148的SPI接口直接連接，再把嵌入式處理器LPC2148的串口SPI設(shè)置成主機(jī)模式，MzLH04的SDA、SCK和PB0分別與嵌入式處理器LPC2148的MOSI、SCK和CS相連，就能實(shí)現(xiàn)對顯示屏的控制和通信，將耕耘機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、通信狀態(tài)、位置坐標(biāo)等信息進(jìn)行本地實(shí)時(shí)顯示。

為了提高測量精度，采用了A、B、C 3個(gè)定位模塊布局為等邊三角形，邊長為20cm，水平放在拖拉機(jī)駕駛艙頂部，取三角形的質(zhì)心為最終測量坐標(biāo)。LCD會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的坐標(biāo)位置、行駛軌跡和通信狀態(tài)等信息。SD存儲(chǔ)器用于系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序和相關(guān)參數(shù)的存儲(chǔ)。當(dāng)農(nóng)機(jī)的行駛方向偏離了預(yù)設(shè)的路徑，通過相關(guān)的算法控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變其行進(jìn)的方向。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，還會(huì)通過報(bào)警裝置發(fā)出聲音，鍵盤等是作為系統(tǒng)啟動(dòng)、參數(shù)查看和設(shè)置的功能使用。

3.2軟件設(shè)計(jì)及改進(jìn)定位算法

移動(dòng)定位終端采用的是ARM處理器LPC2148，故軟件調(diào)試環(huán)境采用了ARM處理器集成開發(fā)工具ADS1.2，此開發(fā)軟件功能強(qiáng)大，集成了匯編、C/C++編譯器等，其編譯效率非常高，還支持JTAG仿真調(diào)試和硬件調(diào)試，還提供了功能強(qiáng)大的系統(tǒng)庫。移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的定位改進(jìn)算法程序流程圖如圖6所示。

其中，定位周期為1 000ms，完成一次定位所需要的時(shí)間小于1ms，假設(shè)旋耕機(jī)在移動(dòng)中的速度為3m/s，那么測量偏差最大為0.3cm，可以忽略不計(jì)。

移動(dòng)的定位節(jié)點(diǎn)開機(jī)后，先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括處理器LPC2148各接口、內(nèi)部寄存器、LCD顯示屏、配置3個(gè)定位模塊CC2530的工作方式、通信碼率和相應(yīng)寄存器的配置等。根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度，選擇一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為與后臺(tái)服務(wù)器的中繼點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)通信連接。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每隔1 000ms接收1次來自周圍各錨節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度RSSI值，取強(qiáng)度最大的3個(gè)點(diǎn)利用式(2)計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(xA，yA)。同理，得到另外兩個(gè)天線對應(yīng)的坐標(biāo)(xB，yB)和(xC，yC)，再利用3個(gè)定節(jié)點(diǎn)質(zhì)心法求得旋耕機(jī)中心的坐標(biāo)位置為

采用改進(jìn)算法后，進(jìn)一步提高了定位的精度，最后將計(jì)算到的位置坐標(biāo)信息通過建立的路由發(fā)送到服務(wù)器。需要注意的是，旋耕機(jī)在不停運(yùn)動(dòng)，當(dāng)駛離最初建立的通信錨節(jié)點(diǎn)時(shí)，通信信號逐漸變?nèi)酰?dāng)信號強(qiáng)度小于預(yù)設(shè)的臨界值時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入中斷程序，建立新的通信路由錨節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信和定位的功能。

圖6　定位改進(jìn)算法

4測試結(jié)果與分析

為了測試在現(xiàn)場工況下旋耕機(jī)定位系統(tǒng)的精度和性能，選擇一塊50m×50m相對較為平整的農(nóng)田作為實(shí)驗(yàn)場地，并在農(nóng)田內(nèi)部署了18個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，使信號充分覆蓋整個(gè)塊農(nóng)田，并在系統(tǒng)中配置好這18個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，利用式(1)計(jì)算得到路徑損耗指數(shù)k的值為3.2。同時(shí)，將3個(gè)移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)布置在旋耕機(jī)駕駛艙外頂部中心，呈等邊三角形狀，保持邊長為20cm，使等邊三角形的質(zhì)心落在旋耕機(jī)的中心軸線上。駕駛旋耕機(jī)在農(nóng)田內(nèi)自由移動(dòng)，隨機(jī)抽取8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)位置實(shí)測，同時(shí)記錄下定位系統(tǒng)的測量坐標(biāo)。

為了能夠?qū)ξ恢谜`差進(jìn)行評估，定義了定位誤差表達(dá)式為[13-14]

(7)

其中，(x,y)是實(shí)際的坐標(biāo)位置(xn,yn)是得到的測量坐標(biāo)值，n代表測量第n個(gè)位置的點(diǎn)數(shù)，取值為8，皆為隨機(jī)抽取，得到的測量結(jié)果如表1所示。

表1　測量結(jié)果

由表1中的數(shù)據(jù)可知：在8個(gè)抽樣點(diǎn)的誤差中，最大值為0.424m，最小值為0.150m，其平均誤差為0.242m，能夠滿足智能旋耕機(jī)自動(dòng)作業(yè)的需要。由于在測試環(huán)境下部署了很多定位錨節(jié)點(diǎn)，并通過自由切換，選擇最近的點(diǎn)與之進(jìn)行通信和定位，能夠保證定位的精度控制在一定范圍內(nèi)。

5結(jié)束語

針對使用旋耕機(jī)對大面積農(nóng)田作業(yè)時(shí)存在的勞動(dòng)量大和操作相對單一的問題，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了一個(gè)種智能旋耕機(jī)的定位設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，引入了改進(jìn)的RSSI定位算法，通過對牽引旋耕機(jī)的拖拉機(jī)實(shí)時(shí)定位，獲取其在農(nóng)田中的坐標(biāo)，為控制旋耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。測試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的旋耕機(jī)定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對農(nóng)田內(nèi)8個(gè)點(diǎn)的位置上的測量平均誤差僅為0.242m，完全滿足智能旋耕機(jī)自主作業(yè)的要求，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展和解放的勞動(dòng)力提供了技術(shù)支撐。

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Design of Intelligent Cultivator Positioning System Based on Wireless Sensor Network

Wang Kun, Chen Xinzhi

(Department of Electrical Engineering, Henan Polytechnic, Zhengzhou 450046, China)

Abstract：The accurate positioning is the key technology to realize the intelligent autonomous operation of rotary cultivator,and the positioning system of intelligent rotary cultivator is designed using wireless sensor networks.The system is mainly composed of mobile positioning node on the rotary cultivator,PC and ZigBee wireless sensor network, which is composed of known-coordinate anchor nodes and mobile node.The mobile node uses the low power chip LPC2148 as the control core to measure the distance by the RSSI principle,and the three sided measurement is used to determine the three unknown-coordinate nodes by three CC2530 modules, at last, the three point centroid method is used to further improve the positioning accuracy.Meanwhile, the communication between the PC and mobile positioning node is realized by the wireless sensor networks. The test results show that the deasign intelligent rotary cultivator positioning system can achieve precise positioning, and works stable and reliable, and the average error of 8 random locations within the farmland is only 0.242m, which can provide technical support for the intelligent autonomous navigation operation of rotary cultivator.

Key words：intelligent rotary cultivator; automatic navigation; wireless sensor network; three sided measurement

文章編號：1003-188X(2016)05-0112-05

中圖分類號：S222.3;TP273+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：王昆(1977-),男，河南周口人，副教授，碩士， (E-mail)wkun1977@126.com。通訊作者：陳昕志(1976-)，女，鄭州人，副教授，碩士，(E-mail)chenxz1976@126.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAH09F00)

收稿日期：2015-04-06