基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)采集器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王至秋,員玉良,秦振朕

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能根據(jù)約定的協(xié)議,把傳感器、信息處理器、無線網(wǎng)絡(luò)等環(huán)節(jié)融合成一個(gè)龐大的整體,進(jìn)行信息交換和通訊,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。它極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,也方便了人們的生活。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)剛一面世就被廣泛地應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域,如智慧倉(cāng)庫(kù)、智慧物流、智能家庭、智能醫(yī)療、智能電力和軍事應(yīng)用。近年來,國(guó)家大力推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的全程全面機(jī)械化,大型、智能、精準(zhǔn)與高效的農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的更加廣泛,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)信息的有效傳輸載體,將為我國(guó)全程全面機(jī)械化起到技術(shù)引領(lǐng)作用。

目前,現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)工作數(shù)據(jù)采集裝置大多沒有與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,且數(shù)據(jù)采集通道與種類較少,使用局限性較大。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,急需將單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合,設(shè)計(jì)一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)采集器,以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)的采集、處理、顯示、儲(chǔ)存與無線傳輸。其在節(jié)省人力、物力與提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí),還可以協(xié)助機(jī)具使用者通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)機(jī)具工作的數(shù)據(jù)和狀態(tài),為后期農(nóng)機(jī)具的性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前,我國(guó)主流的數(shù)據(jù)采集器大多數(shù)存在于醫(yī)療、物流、電力和交通等領(lǐng)域,為農(nóng)機(jī)具服務(wù)的數(shù)據(jù)采集器幾乎沒有。我國(guó)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集器多是基于單片機(jī)或上位機(jī)LabVIEW,基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器將采集處理后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在SD卡內(nèi),基于LABVIEW的數(shù)據(jù)采集器將采集處理后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在電腦對(duì)應(yīng)的文件夾內(nèi)。但是,現(xiàn)存的數(shù)據(jù)采集器都沒有與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,不能將采集器采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。

我國(guó)目前對(duì)基于單片機(jī)和LabVIEW的數(shù)據(jù)采集器已有大量的研究,但基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)采集器還有待提高。基于單片機(jī)和Labview的數(shù)據(jù)采集器,含有的都是單一傳感器,只能測(cè)取單種農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù),且相互間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交流,對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)智能化與農(nóng)業(yè)全程全面機(jī)械化作用較小,難以進(jìn)行大規(guī)模的投入使用。

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)采集器的關(guān)鍵技術(shù)為采集器與物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交流。為了提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率,推進(jìn)農(nóng)業(yè)智能化進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全面全程機(jī)械化,就要大力推進(jìn)農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)采集器與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合,使不同的數(shù)據(jù)采集器之間能進(jìn)行數(shù)據(jù)交流,為我國(guó)農(nóng)機(jī)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)以上分析,本數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)硬件部分由降壓電路、傳感器電路與數(shù)據(jù)通訊電路3部分組成。其中,24V蓄電池與系統(tǒng)電源構(gòu)成降壓電路,模擬型輸出傳感器與數(shù)字型輸出傳感器組成傳感器電路,數(shù)據(jù)通訊電路由串口屏、SIM900A、上位機(jī)與SD卡組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of general system

CPU、傳感器與串口屏使用5V電壓,以拖拉機(jī)上的24V蓄電池為系統(tǒng)總電源。采用德州儀器LM2596系列集成穩(wěn)壓芯片,在輸入24V電壓時(shí),輸出5V電壓,以達(dá)到系統(tǒng)的需求。傳感器采集后的信號(hào),有模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兩種模式：模擬信號(hào)直接輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行轉(zhuǎn)換,單片機(jī)輸出模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓值;數(shù)字信號(hào)與單片機(jī)的外部中斷引腳相連,單片機(jī)通過檢測(cè)外部中斷的下降沿個(gè)數(shù)從而計(jì)算出數(shù)字信號(hào)的脈沖數(shù)。傳感器電路包括拉力傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器,采集的農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)參數(shù)為拉力與轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)選用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控制器,對(duì)傳感器采集來的信號(hào)做進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)包括串口屏顯示電路、SD卡儲(chǔ)存電路和SIM900A無線傳輸電路。串口屏電路將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,SD卡電路對(duì)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。系統(tǒng)將每5min向SD卡中寫入一次數(shù)據(jù),每次寫入的數(shù)據(jù)將儲(chǔ)存入一個(gè)新的文件夾。為了儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)與文件,本系統(tǒng)采用了一款8GB的SD卡,數(shù)據(jù)的讀寫速度最高可達(dá)8MB/s。SIM900A電路將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

1.1 降壓電路

由于本系統(tǒng)在農(nóng)機(jī)具上工作,所以采用拖拉機(jī)上自帶的24V蓄電池供電。由于CPU、傳感器與串口屏使用5V供電,所以需要將蓄電池電壓降低為5V以供系統(tǒng)使用。本采集器采用德州儀器的LM2596系列穩(wěn)壓芯片搭建降壓電路,在輸入電壓為24V時(shí)可以穩(wěn)定輸出5V電壓。此芯片不僅穩(wěn)定可靠,且效率極高,轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75%～88%。圖2為降壓模塊接線圖。

1.2 傳感器電路

傳感器電路主要包括3個(gè)應(yīng)變式負(fù)荷拉力傳感器與1個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器。拉力傳感器采用的是TX_LS1型應(yīng)變式負(fù)荷拉力傳感器,量程為500kg,靈敏度為2.0 mV/V。3個(gè)拉力傳感器呈三點(diǎn)式懸掛安裝在拖拉機(jī)和農(nóng)機(jī)之間,將拉力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸入進(jìn)單片機(jī)以測(cè)量農(nóng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的拉力。為了測(cè)量農(nóng)機(jī)的速度,本系統(tǒng)采用E6B2-CWZ6C型高精度旋轉(zhuǎn)編碼器,旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)為500P/R。 旋轉(zhuǎn)編碼器工作時(shí)用軸套與農(nóng)機(jī)地輪相連接,將地輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸入進(jìn)單片機(jī),單片機(jī)通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù),計(jì)算出旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)數(shù),再乘以地輪周長(zhǎng)即可求出位移,進(jìn)而可計(jì)算出農(nóng)機(jī)的行駛速度。

圖2 降壓模塊接線圖Fig.2 Wiring diagram of reduced voltage

假設(shè)單片機(jī)定時(shí)時(shí)間為t,脈沖數(shù)為x,地輪的周長(zhǎng)為s,則可以計(jì)算出農(nóng)機(jī)的前進(jìn)速度V為

其中,500是旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)1圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)。圖3是拉力傳感器的接口電路圖,圖4是旋轉(zhuǎn)編碼器的接口電路圖。

圖3 拉力傳感器接口電路Fig.3 Interface circuit of tension sensor

圖4 旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路Fig.4 Interface circuit of rotary encoder

1.3 數(shù)據(jù)通訊

數(shù)據(jù)通訊電路由串口屏顯示電路、SD卡儲(chǔ)存電路和SIM900A無線傳輸電路構(gòu)成。單片機(jī)通過串口與串口屏直接相連,將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。單片機(jī)通過I/O口與SD卡相連,本系統(tǒng)中采用了一款8GB的SD卡,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)。將單片機(jī)與SIM900A手機(jī)模塊相連,構(gòu)成GPRS無線通信電路,將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)服務(wù)器。圖5為數(shù)據(jù)顯示儲(chǔ)存系統(tǒng)的框圖。

圖5 數(shù)據(jù)通訊框圖Fig.5 Block diagram of system communication

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是系統(tǒng)的靈魂,主要包括系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互模塊,以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸模塊。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow pattern

系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化,初始化成功后系統(tǒng)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理,單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至串口屏顯示并保存在SD卡中,最后與上位機(jī)進(jìn)行TCP/IP連接;在上位機(jī)電腦上進(jìn)行儲(chǔ)存與顯示,同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)采集器需要實(shí)時(shí)采集農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)。由于田間的工作環(huán)境惡劣,系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)會(huì)有微小的誤差,采用多次測(cè)量取平均值的方法避免偶然性,使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,完成數(shù)據(jù)的采集與處理。

2.2 數(shù)據(jù)維護(hù)

為了保護(hù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)能為農(nóng)機(jī)使用者和后期農(nóng)機(jī)具優(yōu)化提供支持,系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示保存。其中,數(shù)據(jù)的顯示提供當(dāng)前農(nóng)機(jī)具的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能;數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存保護(hù)采集器采集的數(shù)據(jù),以供農(nóng)機(jī)具后期優(yōu)化使用。

在系統(tǒng)軟件部分里,結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)與SD卡閃存技術(shù),對(duì)采集器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重保護(hù)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換;同時(shí),為了防止數(shù)據(jù)的丟失或數(shù)據(jù)的錯(cuò)亂,程序?qū)⒚糠昼娤騍D卡中寫入一份數(shù)據(jù)。若系統(tǒng)與上位機(jī)斷開連接或?qū)懭隨D卡中發(fā)生錯(cuò)誤,系統(tǒng)將自動(dòng)重連上位機(jī)并在上位機(jī)中提示錯(cuò)誤。圖7為數(shù)據(jù)維護(hù)流程圖。

圖7 數(shù)據(jù)維護(hù)流程圖Fig.7 Flow pattern of data maintenance

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)于2017年9月27日-10月8日在黑龍江省依安縣(125.30°E,47.88°N)進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)象為當(dāng)?shù)靥鸩?試驗(yàn)面積為0.2hm2。

試驗(yàn)過程中,將3個(gè)拉力傳感器并呈三點(diǎn)式懸掛連接在拖拉機(jī)與甜菜收獲機(jī)之間,旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在甜菜收獲機(jī)的地輪上。在田間試驗(yàn)時(shí),甜菜收獲機(jī)的起播輪固定在35°,拖拉機(jī)分別按0.8、1.0、1.2m/s不同的速度前進(jìn)100m,前50m供甜菜收獲機(jī)加速,以達(dá)到試驗(yàn)所需要的前進(jìn)速度,后50m是甜菜的挖掘試驗(yàn)。在甜菜收獲過程中土壤阻力影響拖拉機(jī)拉力大小,本試驗(yàn)的目的是分析甜菜收獲機(jī)的前進(jìn)速度與拉力大小的關(guān)系。通過本數(shù)據(jù)采集器獲取分析所需要的速度與拉力,繪成拉力與速度的關(guān)系曲線,如圖8～圖10所示。

圖8 前進(jìn)速度0.8m/s下的拉力Fig.8 The tension at the forward speed of 0.8m/s

圖9 前進(jìn)速度1.0m/s下的拉力Fig.9 The tension at the forward speed of 1.0m/s

圖10 前進(jìn)速度1.2m/s下的拉力Fig.10 The tension at the forward speed of 1.2m/s

由圖8～圖10可知：在前50m甜菜收獲機(jī)的加速過程中,其拉力大小與前進(jìn)速度并無明顯的關(guān)系,土壤阻力大約在200N左右。甜菜收獲機(jī)在0.8m/s的速度下進(jìn)行收獲,由挖掘阻力引起的拉力大小在600N以下;在1.0m/s的收獲速度下,其拉力大小在600N左右,峰值在700N;在1.2m/s的收獲速度下,其拉力大小在650N左右,峰值在750N。根據(jù)測(cè)量的拉力數(shù)據(jù)可以得出：在甜菜挖掘的過程中,挖掘阻力大小與甜菜收獲機(jī)運(yùn)行速度的高低有關(guān)。通過多次數(shù)據(jù)測(cè)量,本設(shè)計(jì)能夠高速準(zhǔn)確地測(cè)量出甜菜收獲過程中的拉力,證明了本設(shè)計(jì)的精度可靠性,且具有推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)和單片機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)采集器,可以采集拉力、速度等多種農(nóng)機(jī)工作參數(shù)。在通過甜菜收獲機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能的過程中,正確合理地安裝傳感器使數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠,單片機(jī)將傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行處理,并將單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)分別在串口屏上顯示、SD卡內(nèi)儲(chǔ)存和SIM900A模塊無線傳輸至上位機(jī)。對(duì)比串口屏、SD卡和上位機(jī)這3部分的數(shù)據(jù),系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,符合時(shí)代需求,有利于推進(jìn)農(nóng)機(jī)的科學(xué)調(diào)度和管理,為我國(guó)農(nóng)業(yè)全程全面機(jī)械化提供數(shù)據(jù)支持。