采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究—基于嵌入式云計算平臺

錢 坤，齊 莉

(吉林工程職業(yè)學院，吉林 四平 136000)

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采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究—基于嵌入式云計算平臺

錢 坤，齊 莉

(吉林工程職業(yè)學院，吉林 四平 136000)

近年來，越來越多的虛擬儀器技術及相應的機械設備得到了一定的推廣普及，且在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域取得了巨大效益。為此，基于嵌入式云計算平臺設計了一種車載式采棉機自動監(jiān)測控制系統(tǒng)。以我國新疆棉花生產(chǎn)、采摘作為探究對象，重點介紹了安裝車載監(jiān)控終端如何對采棉機作業(yè)位置信息與狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時自動采集。

采棉機；智能監(jiān)控；嵌入式； 云計算平臺

0 引言

農(nóng)業(yè)作為各地區(qū)、各國家重要產(chǎn)業(yè)部門，是國民經(jīng)濟賴以生存與發(fā)展的基礎。棉花的用途雖然與五谷類糧食作物有一定的區(qū)別，但是在農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)制造領域同樣扮演著極為重要的角色。當前，全世界棉花產(chǎn)量最高的國家分別是中國、美國、印度。在我國，棉花主要生長在北方地區(qū)，但近幾年棉花產(chǎn)量所有下降，在一定程度上導致了與棉花生產(chǎn)最為緊密關聯(lián)的服裝等產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)、服務成本急劇上升，對我國國民經(jīng)濟平穩(wěn)持續(xù)發(fā)展也起到了一定的負面影響。在新時期，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化水平、機械化應用技術加快了更新速度，不斷促使與提高著采棉設備技術的提升。為此，設計了一種車載式采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在為采棉自動化生產(chǎn)提供借鑒與參考。

1 嵌入式技術

1.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)主要指安全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)。英國電器工程師協(xié)會針對嵌入式系統(tǒng)有一個較為明確的定義，具體指“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器應用于工廠生產(chǎn)運作的設備”。嵌入式系統(tǒng)雖被工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域廣泛應用，但有著屬于自己的特點。

與個人計算機進行比較，尤其是在通用計算機系統(tǒng)設置等層面，嵌入式系統(tǒng)最大的不同在于其所執(zhí)行操作的任務。嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預先定義的任務，即嵌入式系統(tǒng)的核心主要是由一個或者多個預先編程好的程序來統(tǒng)一執(zhí)行，且由不同的微處理控制器、單片機來組成。因此，由于其內(nèi)部軟件通常保持不變的特性，在業(yè)內(nèi)也形象地將其稱為“固件”。

1.2 嵌入式系統(tǒng)原理

以WinCE系統(tǒng)虛擬儀器設計為例，其系統(tǒng)平臺結構的設計主要是基于CAN總線的嵌入式虛擬儀器監(jiān)控。整個系統(tǒng)架構主要由兩部分來組成，分別是硬件系統(tǒng)裝置和軟件系統(tǒng)裝置，如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構中的軟件設計部分

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構中的硬件設計部分

嵌入式虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)在設計層面，所涉及到的關鍵技術包括有LabVIEW控件、應用程序的開發(fā)、嵌入式WinCE系統(tǒng)下虛擬儀器CAN通訊的實現(xiàn),以及數(shù)據(jù)采集、驅動程序編程函數(shù)等。通常情況下，虛擬儀器相關軟件的設計開發(fā)多是借助于PC機來實現(xiàn)的，而其應用平臺是嵌入式ARM平臺。關于嵌入式(WinCE)系統(tǒng)虛擬儀器技術開發(fā)設計及其實現(xiàn)方法，可參見圖3。

圖3 動態(tài)鏈接庫跨平臺調(diào)用流程

2 采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

本課題主要分為兩個層面來探討，分別是系統(tǒng)硬件及系統(tǒng)軟件設計。首先，硬件的設計引入了先進的嵌入式系統(tǒng)控制思想，即在整個系統(tǒng)是由許多個零部件裝置共同組成的，如微處理器模塊、GPS模塊及GPRS模塊等，重點以各個模塊的選型設計為主，具體實施操作上，包括信息采集電路設計、LED顯示電路系統(tǒng)、JTAG電路設備裝置、電源電路等相關配套設備的安裝設計。其次，軟件設計主要運用了μC/OS-II操作系統(tǒng)，將μC/OS-II操作系統(tǒng)嵌入到整個智能監(jiān)控平臺中，可最大限度地增強系統(tǒng)的可讀性。這一點的實現(xiàn)主要是借助于系統(tǒng)原本就具備的可移植性，可以通過程序編寫來實現(xiàn)增強系統(tǒng)可讀性這一技術設計目標。與此同時，在數(shù)據(jù)信息的傳輸層面，運用的是GPRS傳輸方式，因為該網(wǎng)絡信息技術普及性較高，應用比較廣泛，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域具有較充足的經(jīng)驗，整個智能操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性較好。其中，軟件程序的設計主要分為GPS接受解析、GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送及(采棉機)機械設備數(shù)據(jù)采集等，根據(jù)這幾個板塊模塊來進行程序的編寫，更具有針對性。在虛擬儀器技術嵌入上，可以同時制定相應的通信協(xié)議，制定網(wǎng)絡通信協(xié)議的主要目的，就是保證終端與監(jiān)控中心的通信效果及執(zhí)行力。以采棉機為例，制定網(wǎng)絡通訊協(xié)議可以實現(xiàn)對作業(yè)面積進行分析、規(guī)劃，屬于一種高級的終端統(tǒng)計方法。在基本性能檢驗測試層面，試驗測試等相關數(shù)據(jù)資料取自新疆石河子某機械公司。經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)：最后的結果與預期中的設計基本維持一致，特別是在采棉機作業(yè)位置服務、工況信息作業(yè)面積統(tǒng)計及屏幕顯示等配套功能設計層面，完全實現(xiàn)了自動化、數(shù)字化管控。

從2001年開始，在新疆地區(qū)，大面積種植模式為采棉機的應用提供了可能，也是最初的推廣階段。在這一時期，采棉機面積達到了 0.13萬hm2；而到了第2年(2002年)，面積達到了 0.17萬hm2；雖然在2003年有所下降，但到2004年達到了0.15萬hm2；在之后的10年間，機械化采棉種植面積逐步上升。截止到2013年，新疆地區(qū)機械化采棉面積占到了新疆兵團棉花總種植面積的 65%～80% 。特別是我國中部省份地區(qū)，每年的采棉期許多務工人員紛紛趕往團場去采棉花，但在現(xiàn)階段新疆大部分團場基本都實現(xiàn)了 100% 的機械采棉。

3 實例探究

3.1 硬件設計

微控制器模塊選型。在新疆石河子棉花團場在采棉環(huán)節(jié)，基本實現(xiàn)了全自動化采棉。其中，GPS嵌入式車載終端采棉機，硬件是終端平臺各項功能得以實現(xiàn)的載體，而微控制器模塊則是整個硬件系統(tǒng)的核心。因此，在設計層面，對于微控制器模塊的選型非常關鍵，選取適當?shù)奈⒖刂破?，不僅能夠大大提高系統(tǒng)的基本運行性能，更重要的是可以進一步保障系統(tǒng)安穩(wěn)、可靠地運行工作。

當前在市面上，可以看到，應用的微處理器種類有很多，如最早期研發(fā)生產(chǎn)設計出來的MCS-51系列的單片機、后來的FREESCALE AW系列的單片機及目前相對比較熟悉的ARM系列單片機等。在市場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，MCS-51/FREESCALEAW單片機的價格比較低，但是系統(tǒng)引腳少，功能也不夠齊全，相對簡單，且處理能力差。ARM系列單片機無論種類、性能、功能等，都比較強大，技術水平高，開發(fā)效果較好。本次終端硬件的設計中，最終選擇了 STM32 芯片，并且專業(yè)配備了 Cortex-M3內(nèi)核。這種裝置設計，無論是成本還是機械操作性能，均屬于最佳。

本文選用的是STM32F101芯片，在設計環(huán)節(jié)主要為其提供了以下配置：1個多主總線控制處理器，1個SPI，5個計時器；在內(nèi)存設置上，有16～32k字節(jié)的閃存及4～6k字節(jié)的存儲器；在內(nèi)核設置上，為 Cortex-M3內(nèi)核，最大頻率可達 36MHz；在時鐘和電源管理方面，主要配置的是鎖相環(huán)的CPU時鐘，2.0～3.6V的電源電壓；在調(diào)試模式設置上，它可以支持串行線調(diào)試模式或者是JTAG調(diào)試模式。此外，STM32F101最大的優(yōu)點是低功耗，在具體操作上包括停止、待機、睡眠等控制模式。表1為芯片電源電壓電路設計。

表1 芯片電源電壓

3.2 軟件設計

對于該采棉機智能終端監(jiān)控系統(tǒng)，硬件是基礎和載體，而軟件則是靈魂，是一個程序得以運行的“指揮官”。本軟件設計環(huán)節(jié)(終端軟件功能結構)中，可以將其劃分為4大板塊，分別是位置服務、采棉機狀態(tài)采集、作業(yè)面積統(tǒng)計及LED顯示屏等。其中，位置服務設計又包含了3個小功能模塊，如日期時間模塊、經(jīng)度模塊及維度模塊等；在狀態(tài)采集設計層面，主要以模擬量為依據(jù)，以數(shù)字量作為主控制，包括對采棉機行駛速度的控制、風機轉速的控制、采頭狀態(tài)的控制及機棉箱翻轉的控制等；在作業(yè)面積統(tǒng)計設計層面，重點包含兩個功能模塊，即作業(yè)面積及狀態(tài)識別；最后，在LED顯示屏上，呈現(xiàn)為可供駕駛員及時參考的信息、狀態(tài)，如GPS狀態(tài)、GPRS狀態(tài)、風機狀態(tài)及采摘頭實時信息等；除此之外，還可以呈現(xiàn)出歷史采摘面積以及當前采摘面積。

4 結論

本文提出了一種基于嵌入式云計算平臺下的采棉機智能監(jiān)控系統(tǒng)，雖然在部分頂尖技術層面還尚存缺陷，但總體發(fā)展趨勢已經(jīng)成熟。無論是當?shù)剞r(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)的要求，還是國內(nèi)棉花市場的巨大需求，采棉機在生產(chǎn)領域的應用，以及相關技術的研發(fā)和推廣，已是大勢所趨。

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Design and Research of Intelligent Monitoring System for Embedded Cotton Picking Machine —Based on the Embeded Cloud Computing Platform

Qian Kun, Qi Li

(Jilin Engineering Vocational College，Siping 136000,China)

In recent years, more and more virtual instrument technology and corresponding mechanical equipment has been popularized, and in the field of industrial production, agricultural production has made great benefits.In this paper, based on the embedded cloud computing platform cotton intelligent monitoring system design and Research on the subject, in order to improve cotton picker has the ability of autonomous navigation, and cotton path planning of the online control of the proposed and designed a vehicle type cotton picker real-time and automatic monitoring control system terminal.Here in China's cotton production in Xinjiang, picking as a research object and focuses on vehicle monitoring terminal installation of cotton job location information and state data real time automatic acquisition. The research in cotton intelligent monitoring system structure design, mainly consists of two layers, namely hardware design, software design.

cotton picker; intelligent control; embedded; cloud computing platform

2016-05-19

吉林省教育廳職業(yè)教育與成人教育教學改革研究項目(2014ZCY112)

錢 坤(1977-),男，吉林四平人，副教授，碩士，(E-mail)qiankun0517@163.com。

S225.91

A

1003-188X(2017)04-0226-03