山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 易，池旭彬，顏少華,2，劉 岳,4，林梓揚(yáng)，譚 睿，陳藝洋，張喜杰，李 震,2,3※

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣州 510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化研究室，廣州 510642；3.廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642）

0 引言

山地果園具有排水好、光照足、通風(fēng)好等優(yōu)點(diǎn)，適宜果樹生長[1]。但是，大部分山地果園坡度為30～40°，立地條件較差，地勢起伏不平，難以形成較完善的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)[2]。此類地區(qū)一般技術(shù)條件比較落后，基礎(chǔ)設(shè)施不完備，果品和農(nóng)資運(yùn)輸主要依靠人工肩擔(dān)背負(fù)、畜力、摩托車或小型農(nóng)用車等運(yùn)送方式，運(yùn)輸機(jī)械化程度較低。

已有的山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)彎半徑小、軌道鋪設(shè)靈活、安裝及操作性能好等優(yōu)點(diǎn)[3]，已在國內(nèi)多處山地果園推廣使用，如圖1。山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)的單軌運(yùn)輸機(jī)可沿山體鋪設(shè)循環(huán)軌道，配合遙控技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)操作人員與運(yùn)輸機(jī)分離[4]。山地果園坡度陡、山路曲折迂回、果樹種植密集，運(yùn)輸機(jī)與操作人員間距離較遠(yuǎn)，加上之間被果樹遮擋，所以對遙控系統(tǒng)的通信距離和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

圖1 山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)示意圖Fig.1 Mountain orchard monorail transporter

現(xiàn)有的山地果園運(yùn)輸機(jī)控制方式主要有按鈕式控制、紅外線遙控控制以及無線電遙控控制。

按鈕式控制需要操控人員跟隨自走式運(yùn)輸車，以便能實(shí)時(shí)控制運(yùn)輸車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但山地果園環(huán)境復(fù)雜，地勢起伏不平，操作人員難以操作，且安全得不到保障。

紅外線遙控是利用波長范圍為0.76～1.50 um之間的近紅外線來傳送信號，存在方向性、不通透性、有效距離短等缺點(diǎn)[5]，在長距離多障礙環(huán)境下的信號傳送能力弱，不能很好地實(shí)現(xiàn)有效控制。

無線電遙控采用無線電載波來傳送控制信號，該種遙控方式具有無定向性、穿透性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[6-10]，可以更有效地實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)距離遙控，被廣泛地應(yīng)用于山地果園運(yùn)輸機(jī)的無線控制。但現(xiàn)階段單軌運(yùn)輸機(jī)使用的無線遙控傳輸距離有限，對于中大型果園鋪設(shè)較長軌道時(shí)，易出現(xiàn)超出遙控距離而導(dǎo)致無法有效控制單軌運(yùn)輸機(jī)的狀況，制約了單軌運(yùn)輸機(jī)的延展性。

本文基于山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)了一種以STM32F103C8T6為主控芯片，PT2262為編碼器、PT2272為譯碼器的遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，并以無線電組網(wǎng)的形式布置在山地果園中，針對其抗干擾性、通信有效距離進(jìn)行了試驗(yàn)，解決了現(xiàn)階段山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)無線遙控距離有限的問題。

1 遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程無線遙控系統(tǒng)主要由手持遙控器模塊，中繼器模塊和電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)接收模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖 2 山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程無線遙控系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of remote wireless remote control system for mountain orchard monorail transporter

中繼系統(tǒng)工作在315 MHz頻段，主要由無線編碼/解碼芯片（PT2262/PT2272，Princeton Technology Corp，臺灣）、繼電器模塊、微處理器（STM32F 103C8T6，STMicroelectronic，美國）、電源電路、功放電路、天線、接收模塊（HFJ-12V3S，深圳英特發(fā)電器有限公司，深圳）等元件構(gòu)成。

圖3 遙控器及車載接收器電路圖Fig.3 Remote control and car receiver circuit diagram

1.2 遙控器硬件及接收器結(jié)構(gòu)

遙控器主要由PT2262模塊和按鍵電路構(gòu)成，其工作電壓為5 V。單軌運(yùn)輸機(jī)機(jī)載無線接收器采用深圳英特發(fā)電器有限公司生產(chǎn)的HFJ-12V3S學(xué)習(xí)型接收器。無線接收器待機(jī)功耗0.1 W，可以記憶4種頻率為315 MHz的編碼，如圖3所示。

單軌運(yùn)輸機(jī)機(jī)載無線接收器的3個(gè)繼電器分別控制單軌運(yùn)輸機(jī)的前進(jìn)、后退和停止電路。當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)接收到用戶端遙控器發(fā)射的前進(jìn)命令時(shí)，NO1端與COM1端接通，單軌運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)接收信號，控制單軌運(yùn)輸機(jī)前進(jìn)；當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)接收到用戶端遙控器發(fā)射的停止命令時(shí)，NO2端與COM2端接通，單軌運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)接收信號，控制單軌運(yùn)輸機(jī)停止；當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)接收到用戶端遙控器發(fā)射的后退命令時(shí)，NO3端與COM3接通，單軌運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)接收信號，控制單軌運(yùn)輸機(jī)后退。

1.3 中繼器硬件結(jié)構(gòu)

山地果園環(huán)境復(fù)雜、占地面積大，對于單軌運(yùn)輸機(jī)自帶無線遙控系統(tǒng)，由于信號傳送距離有限，導(dǎo)致在人機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí)無法有效控制單軌運(yùn)輸機(jī)。而中繼器的引入可以有效的拓展控制信號的傳送距離。中繼器要求安裝在果園內(nèi)，且長時(shí)間無需更換，故要求中繼器在保持穩(wěn)定性的前提下，具有較長的工作時(shí)間和較低的能耗。中繼器由PT2272信號接收模塊、基于STM32F103C8T6的主控電路、繼電器、電源模塊以及PT2262信號發(fā)射模塊構(gòu)成，中繼系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

中繼器接收用戶端遙控器發(fā)送的控制信號或前一個(gè)中繼器中繼的控制信號，通過內(nèi)部STM32檢測位選信號，并進(jìn)行處理，通過3路繼電器激活PT2262信號發(fā)射模塊將控制信號中繼到下一個(gè)中繼器，直至最終中繼控制信號給運(yùn)輸機(jī)，進(jìn)行有效的控制。

圖4 遙控中繼系統(tǒng)硬件框圖Fig.4 Remote control relay system hardware block diagram

2 軟件設(shè)計(jì)

山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)具有3種運(yùn)行狀態(tài)：前進(jìn)、停止和后退。在用戶端遙控器中有與之對應(yīng)的按鍵映射，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)的有效控制，避免意外事故發(fā)生，要求中繼能夠準(zhǔn)確傳遞用戶端遙控器發(fā)射的控制信號。為滿足中繼器的設(shè)計(jì)要求，中繼系統(tǒng)處理器采用STMicroelectronics公司設(shè)計(jì)的低功耗微處理器STM32F103C8T6，該處理器具有最高72 MHz的工作頻率和強(qiáng)大的I/O端口，支持3種低功耗模式。

系統(tǒng)程序采用C語言編寫，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，模塊化的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)穩(wěn)定，容易排查故障，如圖5。STM32上對I/O端口進(jìn)行初始化，默認(rèn)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待接收控制信號。當(dāng)PT2272接收模塊接收到控制信號時(shí)，其VT引腳產(chǎn)生上升沿，轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綇亩せ頢TM32主控電路，中繼器退出待機(jī)模式，中繼主控系統(tǒng)遍歷檢測4個(gè)數(shù)據(jù)輸入引腳，解析控制信號，繼而將相對應(yīng)的繼電器接通。繼電器接通后，其對應(yīng)連接的PT2262發(fā)送模塊引腳也相應(yīng)置高，發(fā)送對應(yīng)的控制信號，這樣中繼系統(tǒng)完成了控制信號的傳遞。

待中繼控制信號發(fā)射后進(jìn)入待機(jī)模式，完成一個(gè)中繼流程。當(dāng)下一個(gè)信息來臨時(shí)，中繼系統(tǒng)將再次被喚醒并完成一次中繼。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

中繼試驗(yàn)地點(diǎn)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院北樓前山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)軌道，如圖6。

3.1 抗干擾試驗(yàn)

山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)中繼系統(tǒng)采用3節(jié)18650鋰電池供電，隨著使用時(shí)間和山地氣溫的變化可能導(dǎo)致電池?fù)p耗而發(fā)生電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這對運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。如果不采用相應(yīng)的保護(hù)措施，會給運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)帶來損害，影響運(yùn)輸機(jī)正常作業(yè)。為保證中繼系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在軟硬件方面采取了如下措施：

圖6 單個(gè)中繼系統(tǒng)示意圖Fig.6 Single relay system schematic

1）采用LM2596開關(guān)電源穩(wěn)壓芯片（德州儀器（TI）)。LM2596具有供電電壓寬、可靠性高、電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效地減小電源電壓帶來的信號干擾。

2）中繼器主控電路在接收控制信號前保持待機(jī)狀態(tài)，減小對中繼器的PT2272接收模塊造成的干擾。接收控制信號后中繼器主控電路保持?jǐn)?shù)秒延時(shí)確認(rèn)，并且STM32主控電路對繼電器發(fā)出的高電平時(shí)間持續(xù)500 ms，以保證PT2262發(fā)射模塊能正常傳送信號數(shù)據(jù)。

STM32主控電路對繼電器發(fā)出高電平的持續(xù)時(shí)間對試驗(yàn)成功率有很大的影響，持續(xù)時(shí)間即抗干擾延時(shí)對試驗(yàn)成功率的影響如表1。

由表1中可知，隨著抗干擾延時(shí)的縮減，四通道能通信的成功率降低。當(dāng)抗干擾延時(shí)為200 ms時(shí)，四通道的通信成功率僅為4.0%；當(dāng)抗干擾延時(shí)間為400 ms時(shí)，四通道的通信成功率為97.5%。

試驗(yàn)表明，當(dāng)抗干擾延時(shí)時(shí)間超過400 ms時(shí)，通道通信的可靠性較好，當(dāng)抗干擾時(shí)間少于200 ms時(shí)，其通道通信的可靠性較差，可認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)對單軌運(yùn)輸機(jī)的有效控制。

由于中繼器和車載接收器均采用PVC外殼作為保護(hù)材料，對中繼器和車載接收器內(nèi)PT2272接收信號有一定的影響，所以，對PT2272取下外殼和保持有外殼情況的遙控器到中繼器傳輸距離進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2。

表1 延時(shí)測試結(jié)果Table 1 Result of delay test

表2 有無外殼距離測試Table 2 Result of shell distance test

由表2可知，有無外殼對信號傳輸有較大的影響，取下外殼時(shí)有效通信距離為200 m，有外殼時(shí)有效通信距離為115 m。正常情況下，帶外殼的接收器相比于裸露的接收器通訊距離減小42.5%，可認(rèn)為遙控器與接收器正常通信距離為115 m。

3.2 有效通信距離試驗(yàn)

用一個(gè)中繼器進(jìn)行測試。中繼與車載接收器均有PVC外殼，測試方法為保持遙控器端靜止，中繼器逐漸移動(dòng)至最大工作距離，再保持中繼器靜止，車載接收器逐漸移動(dòng)至最大距離。車載接收器和中繼器均設(shè)立了LED燈，用以顯示是否通信成功，通信成功，則LED燈亮，否則LED燈滅。山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別各試驗(yàn)50次，測試結(jié)果如表3。

表3 通信距離測試結(jié)果Table 3 Communication distance test result

定義平均成功率為：

式中Ar為有效距離下的測試成功率，稱為通信成功率，C1、C2、C3和C4是每個(gè)通道成功接收次數(shù)；Ti是第i個(gè)通道測試的總次數(shù)。定義Ar≥80%即可認(rèn)為在此距離下可有效通信。

表3試驗(yàn)表明，中繼器與用戶端遙控器通信成功率隨距離增加而減小，在距離150～200 m之間通信成功率穩(wěn)定在89%左右，而當(dāng)傳輸距離為250 m時(shí)立即降為56%，故單個(gè)中繼器與用戶端遙控通信最遠(yuǎn)有效距離在150～200 m間，取200 m為正常通信距離。

4 結(jié)論

基于現(xiàn)有山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，運(yùn)用PT2262發(fā)射模塊、PT2272接收模塊，以STM32F103單片機(jī)為中繼器核心研制的一種無線中繼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了較遠(yuǎn)距離的山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)、停止和倒退控制，并對中繼系統(tǒng)的抗干擾性進(jìn)行試驗(yàn)，確定了中繼系統(tǒng)的抗干擾延時(shí)；對中繼系統(tǒng)的有效中繼距離進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在未使用中繼系統(tǒng)的情況下，山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的無線控制距離為115 m；在無遮擋且使用一個(gè)中繼系統(tǒng)中繼控制信號的情況下，山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的有效控制距離擴(kuò)展到200 m，使用多個(gè)中繼即可滿足對運(yùn)輸機(jī)更遠(yuǎn)距離的無線控制需求。