基于STM32溫室大棚作業(yè)車控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉 輝,王 川,徐 榮

(1.安徽廣播電視大學(xué) 信息與工程學(xué)院，合肥 230022；2. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥 230031)

農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要指的是通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取需要的信息，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作終端設(shè)備，包括對(duì)遠(yuǎn)程終端的啟動(dòng)、關(guān)機(jī)和日常設(shè)置等操作[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在全球很多國(guó)家研究并實(shí)施，美國(guó)玉米等農(nóng)作物實(shí)施了利用遙感、衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境及作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)管理[2]。為解決小型植保機(jī)械農(nóng)藥噴灑作業(yè)對(duì)人體造成的危害問(wèn)題，許麗佳等人設(shè)計(jì)了一種小型農(nóng)藥噴灑無(wú)線遙控作業(yè)機(jī)，以單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，并采用一邊噴灑一邊配置的工作模式，有效地避免了因噴施藥液配制過(guò)多而造成的農(nóng)藥浪費(fèi)現(xiàn)象[3]。為實(shí)現(xiàn)水田作業(yè)機(jī)械的遙控操作，蔣蘋等人設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)為核心的水田作業(yè)機(jī)械無(wú)線遙控駕駛系統(tǒng)[4]。針對(duì)溫室大棚作業(yè)過(guò)程中溫度、濕度和農(nóng)藥揮發(fā)物等對(duì)人身體健康影響，本文基于STM32微處理設(shè)計(jì)了溫室大棚遙控作業(yè)車控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)的設(shè)計(jì)；建立了作業(yè)車終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端的通信，并用WinCC flexible組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了交互界面，實(shí)現(xiàn)操作者在監(jiān)控站等場(chǎng)所對(duì)該農(nóng)業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控與遙控操作。

一、控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、通訊模塊、下位機(jī)三部分組成。上位機(jī)主要由觸摸屏和電纜組成，其中觸摸屏的特點(diǎn)是界面清晰、容易操作；通訊模塊選用藍(lán)牙無(wú)線傳輸方式，該方式具有體積小、便于集成、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)；下位機(jī)為STM32控制器，STM32控制器是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有高效的運(yùn)算速度[5]。當(dāng)小車在作業(yè)時(shí)，首先通過(guò)觸摸屏發(fā)出任務(wù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)通訊模塊使下位機(jī)STM32控制器接收到信號(hào)并控制繼電器產(chǎn)生動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)小車行駛。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

二、下位機(jī)的設(shè)計(jì)

下位機(jī)的設(shè)計(jì)既要滿足數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳以及控制小車的運(yùn)動(dòng)，也需要操作簡(jiǎn)單、安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、系統(tǒng)響應(yīng)快。下位機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示，主要有STM32中央微處理器芯片、電源電路、藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊、超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)測(cè)速編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、溫濕度傳感器、傾角傳感器等。由于整個(gè)系統(tǒng)用電電壓不同，所以需要電源電路為不同模塊提供不同的電壓值，把電池電壓轉(zhuǎn)變成適合給藍(lán)牙和超聲波模塊以及處理器供電電壓。STM32處理器接受上位機(jī)發(fā)送的指令并控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行與監(jiān)控，藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能，超聲波模塊則用來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的避障。

(一)電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)為整個(gè)智能小車系統(tǒng)提供電能，持續(xù)穩(wěn)定的電源是實(shí)現(xiàn)智能車安全運(yùn)行的保障[6]。電源芯片參數(shù)如表1所示。

圖2 下位機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

表1 電源芯片參數(shù)

電源系統(tǒng)主要有三部分組成：一是直流電動(dòng)機(jī)的+12V電源；二是超聲波傳感器所使用的+5V；三是為中央微處理器提供的+3.3V電壓。根據(jù)使用要求，此次電池選用12V2200MAH的鋰電池。系統(tǒng)使用的+3.3V和+5V電壓是需要由+12V降壓穩(wěn)壓得到，所采用的芯片是適用于高效率線性穩(wěn)壓器的AMS1117-5和AMS1117-3.3兩種芯片。為了增強(qiáng)電源系統(tǒng)的可靠性，減少被外界干擾的影響，系統(tǒng)在輸入與輸出兩端加上濾波電容。

(二)處理器選型

下位機(jī)需要選擇合適的微處理器作為系統(tǒng)的控制中心，目前常用的微處理器有PLC 、51單片機(jī)等類型。由于PLC主要應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，而且價(jià)格昂貴；51單片存儲(chǔ)較小，功能較少，所以本研究采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列的微處理器作為下位機(jī)的控制芯片[7]。該芯片具有超前的體系架構(gòu)、高性能、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，以及創(chuàng)新的內(nèi)核與外設(shè)；它擁有豐富的I/O端口，多達(dá)114個(gè)GPIO引腳，集成多個(gè)定時(shí)器、ADC、CAN總線、UART串口等通信方式。

(三)藍(lán)牙無(wú)線通信

藍(lán)牙模塊是上下位機(jī)之間的通信連接裝置，它的安全及可靠性極其重要，它所采用的技術(shù)有WIFI、藍(lán)牙、GPRS以及無(wú)線射頻通信技術(shù)，其采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控車的遠(yuǎn)程控制，控制范圍可以達(dá)百米[8]。本次研究采用串口轉(zhuǎn)無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)擺脫數(shù)據(jù)線束縛完成無(wú)線通信，全雙工串口模式與藍(lán)牙模塊相連，實(shí)現(xiàn)雙向可以同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，避免收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)還可以設(shè)置不同的波特率，改變數(shù)據(jù)傳輸?shù)目炻?/p>

(四)作業(yè)車姿態(tài)與溫濕度信號(hào)采集

由于遙控作業(yè)車工作路況不平整，會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻，因此作業(yè)車車身的平衡控制就十分重要。本次研究采用兩種平衡控制相結(jié)合的方式，即機(jī)械結(jié)構(gòu)減震緩沖平衡控制履帶輪加緩沖彈簧的懸架系統(tǒng)。遙控移動(dòng)作業(yè)車在工作時(shí)，通過(guò)使用傾角傳感器測(cè)得作業(yè)車的左右傾角，然后通過(guò)RS232串口與STM32連接通信，通信協(xié)議采用MODBUS[9]。當(dāng)檢測(cè)到車身傾角過(guò)大自身不能完成調(diào)節(jié)時(shí)，作業(yè)車緊急停車發(fā)出蜂鳴聲音并發(fā)送信息給上位機(jī)。圖3為傾角傳感器連接示意圖。

圖3 傾角傳感器連接示意圖

作業(yè)車的調(diào)平分為自動(dòng)與手動(dòng)兩種，當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)不斷根據(jù)采集的信息進(jìn)行作業(yè)車姿態(tài)的調(diào)整。其程序流程如圖4。

圖4 自動(dòng)調(diào)平程序流程圖

溫室大棚內(nèi)的溫濕度環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有重大的影響，作業(yè)車上安裝高精度溫濕度傳感器用來(lái)檢測(cè)大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度，采用多點(diǎn)采集定時(shí)發(fā)送給上位機(jī)溫濕度信息，有利于及時(shí)調(diào)整溫室大棚的小環(huán)境。

(五)超聲波模塊

為了避免遙控信號(hào)丟失或前方遇到障礙物，造成摔車或小車失控，在移動(dòng)小車的前方，左、右側(cè)加裝HC-SR04超聲波模塊[10]。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)端trig到一個(gè)大于10us高電平觸發(fā)信號(hào)時(shí)HC-SR04模塊驅(qū)動(dòng)發(fā)生器發(fā)射超聲波,同時(shí)echo端由低到高產(chǎn)生高電平，當(dāng)超聲波在遇到障礙物后返回到模塊時(shí)，模塊將echo輸出的高電平下拉至低電平，完成測(cè)量，STM32檢測(cè)記錄所有時(shí)間T。障礙物與小車之距離即S=T*v/2。常見(jiàn)的單片機(jī)超聲測(cè)距程序往往都需要等待電平的跳變，此時(shí)單片機(jī)處于等待狀態(tài)不能及時(shí)處理數(shù)據(jù)，所以我們使用電平輸入捕獲的方式來(lái)得到聲波所用時(shí)間。

(六)移動(dòng)小車測(cè)速

增量式編碼器是把車輪旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換成矩形電脈沖信號(hào)，用脈沖數(shù)量表示位移量同時(shí)可以檢測(cè)速度[11]。本設(shè)計(jì)作業(yè)車測(cè)速采用的編碼器屬于增量型霍爾式編碼器，其工作原理是利用霍爾效應(yīng)原理制成的。其使用堅(jiān)硬的鋁合金封裝外殼，通過(guò)齒輪和機(jī)械傳動(dòng)軸與內(nèi)部元器件相連，具有良好的抗振動(dòng)性、防腐蝕性、抗外界干擾與防污染性和寬溫度范圍等特性，要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的光電編碼器。調(diào)速小車速度檢測(cè)采用電機(jī)編碼器獲得，電機(jī)編碼器輸出脈沖信號(hào)，只需計(jì)算采樣單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)就能得到小車的實(shí)際速度，所以采用外部中斷和定時(shí)器配合的方法來(lái)獲得速度值，即利用外部中斷上升下降沿觸發(fā)方式，在定時(shí)器確定采樣時(shí)間10ms內(nèi)記錄編碼器輸出脈沖數(shù)量，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)速度值。

(七)電機(jī)控制

對(duì)于作業(yè)車的移動(dòng)控制采用的是STM32微處理器輸出可調(diào)PWM信號(hào)，但是由于STM32的管腳只能輸出微弱電流和3.3V的電壓，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作，所以必須使用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)小車的調(diào)速和差速轉(zhuǎn)向[12]。初始化定時(shí)器TIM3配置定時(shí)器重裝載值，確定矩形波頻率打開(kāi)PWM輸出通道即對(duì)應(yīng)STM32的I/O口PC6-PC7。小車需要加速時(shí)就增加PWM波脈沖占比，反之減少占空比數(shù)值。小車的基本運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)控制函數(shù)來(lái)完成，控制函數(shù)有run(u8 num)、back(u8 num)、left(u8 num)、right(u8 num)，其中num是對(duì)速度的調(diào)節(jié)，圖5為輸出PWM脈沖圖。

圖5 輸出PWM脈沖圖

三、上位機(jī)的設(shè)計(jì)

多功能遙控作業(yè)車的上位機(jī)觸摸屏采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用性價(jià)比較高的SIEMENS Smart 700IE 面板，能夠準(zhǔn)確地提供人機(jī)界面的標(biāo)準(zhǔn)功能[13]。800×480dpi寬屏顯示設(shè)計(jì)讓操作員具有更加舒適的視覺(jué)體驗(yàn)。采用WinCC flexible組態(tài)軟件和模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)高效、智能的組態(tài)方式[14]。

圖6為小型多功能遙控作業(yè)車控制系統(tǒng)操作界面，登錄界面包括用戶名和登錄密碼，點(diǎn)擊進(jìn)入控制系統(tǒng)以后通過(guò)對(duì)圖形對(duì)象的設(shè)置，與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，完成控制系統(tǒng)的建立，通過(guò)輸入特定參數(shù)來(lái)控制作業(yè)車完成前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，界面能夠顯示作業(yè)車的行駛速度，并能夠?qū)ζ渌俣冗M(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)小車速度的調(diào)節(jié)和避障等功能。

圖6 小型多功能遙控作業(yè)車控制系統(tǒng)操作界面

四、結(jié)論

本文研究并設(shè)計(jì)了針對(duì)大棚作業(yè)的小型多功能遙控作業(yè)車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)分上位機(jī)、下位機(jī)和通訊模塊三部分。上位機(jī)采用WinCC flexible組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，用來(lái)設(shè)置小車行駛參數(shù)，可隨時(shí)發(fā)布指令；下位機(jī)基于STM32F103微處理器并通過(guò)藍(lán)牙通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及調(diào)平等動(dòng)作的控制。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)為操作者提供了舒適的視覺(jué)體驗(yàn)，使操作者在遠(yuǎn)方監(jiān)控室即可對(duì)機(jī)械和田間作物進(jìn)行操控，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，該項(xiàng)研究也為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提供一套先進(jìn)的技術(shù)裝備，為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航研究提供研究基礎(chǔ)和平臺(tái)，將促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。