基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍 坪

(三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,福建 三明 365000)

0 引言

我國是個(gè)農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)一直是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。水稻、玉米、大豆和小麥?zhǔn)俏覈饕N植作物,其種植環(huán)境復(fù)雜、種植面積大,因此提高這幾類作物的收割效率是農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的目的。聯(lián)合收割機(jī)、收割機(jī)器人等可以大幅度提高作物收割效率,大大降低農(nóng)民負(fù)擔(dān);但由于國內(nèi)聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)還存在不足,智能化程度也不高,作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)故障。為此,設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng),可以對農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,若農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正常會(huì)及時(shí)報(bào)警。

1 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4制定的一種新型近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率的新型無線局域網(wǎng)技術(shù)。蜜蜂發(fā)現(xiàn)食物后會(huì)通過“嗡嗡”(zig)地ZigZag舞蹈通知同伴食物源位置,而ZigBee的組網(wǎng)和信息傳遞方式與蜜蜂行為非常類似,所以將新一代無線通訊技術(shù)命名為ZigBee。

1.1 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和設(shè)備布局結(jié)合的方式進(jìn)行組網(wǎng),主要有星型、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 ZigBee 3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Three kinds of ZigBee network structures

星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單,所有的節(jié)點(diǎn)設(shè)備都直接通過ZigBee協(xié)調(diào)器加入到網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)器是所有ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分高效,可實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng),通信也非常穩(wěn)定,適用于網(wǎng)絡(luò)布設(shè)較小的設(shè)備。樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)都相對比較復(fù)雜,多用于規(guī)模較大的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測架構(gòu)簡單,不需要復(fù)雜的無線傳輸網(wǎng)絡(luò),故采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 ZigBee通信方式

ZigBee包括單播、組播和廣播3種通信方式,不同的結(jié)構(gòu)需求和設(shè)備類型可以采用不同的通信方式。ZigBee通信方式結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

單播通信是ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信常用的方式之一,主要用于一對一的通信需求,在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),某個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備與ZigBee協(xié)調(diào)器之間通信,通常會(huì)采用單播通信方式。組播通信是主機(jī)之間一對一組的通訊模式,在使用組播通信前,ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備會(huì)建立一個(gè)組的目的設(shè)備地址列表,在進(jìn)行組播時(shí),會(huì)調(diào)用組播目的地址發(fā)出組播報(bào)文,此種通信方式會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)通信開銷。廣播是指主機(jī)之間一對所有的通信,網(wǎng)絡(luò)中對其中一臺ZigBee 設(shè)備發(fā)出報(bào)文,均會(huì)被無條件復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā),這樣所有的主機(jī)都會(huì)收到這條信息。筆者研究的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測架構(gòu),是多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備對一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送不同的信號,將多個(gè)傳感檢測模塊的數(shù)據(jù)匯總到ZigBee協(xié)調(diào)器,再發(fā)送給監(jiān)測中心,因此采用單播通信方式。

圖2 ZigBee通信方式結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure diagram of ZigBee communication mode

1.3 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議的組織結(jié)構(gòu)被稱為協(xié)議棧,其主要展示了ZigBee協(xié)議中各層之間的數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)傳輸關(guān)系。ZigBee協(xié)議棧主要包括應(yīng)用層、應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)訪問控制子層和物理層,其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)框架Fig.3 The stack structure framework of ZigBee protocol

2 農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

針對國內(nèi)還沒有成熟的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng),采用ZigBee無線傳輸技術(shù),建立了基于STM32微處理器的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng),目的是在農(nóng)機(jī)進(jìn)行作業(yè)操作時(shí)對其參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至云平臺進(jìn)行保存。在此,以某聯(lián)合收割機(jī)為例,對農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究,其總體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)總體方案框架圖Fig.4 The overall scheme framework of agricultural machinery operation monitoring system

圖4中,聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)速測量、振動(dòng)信號采集、割臺高度檢測、喂入量檢測和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?個(gè)模塊。其中,無線網(wǎng)絡(luò)傳輸采用ZigBee組網(wǎng),將4路數(shù)據(jù)匯總后,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給下位機(jī);下位機(jī)采用STM32微處理器,接收到農(nóng)機(jī)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)后,發(fā)送給云平臺保存,為后續(xù)數(shù)據(jù)分析研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)速測量模塊

聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)軸是其核心部件之一,實(shí)時(shí)監(jiān)測傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速對發(fā)現(xiàn)機(jī)器故障具有重大意義。在此,采用滬工LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器對傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器包括磁鋼和接近開關(guān)兩部分:磁鋼貼在傳動(dòng)軸上,跟著傳送軸旋轉(zhuǎn);而接近開關(guān)固定在旋轉(zhuǎn)體外側(cè),傳送帶旋轉(zhuǎn)時(shí),接近開關(guān)每次都能感應(yīng)到磁鋼的磁場技術(shù)一次,經(jīng)過對固定時(shí)間的脈沖計(jì)數(shù),結(jié)合測頻率法計(jì)算原理,便可以計(jì)算出傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速。LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器實(shí)物和接線圖分別如圖5和圖6所示?；魻杺鞲衅髟砣鐖D7所示。

圖5 LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器實(shí)物圖Fig.5 The physical drawing of LJ12A3-Z/BX Hall sensor

圖6 LJ12A3-Z/BX霍爾傳感器接線圖Fig.6 The wiring diagram of LJ12A3-Z/BX Hall sensor

圖7 霍爾傳感器原理圖Fig.7 The schematic diagram of Hall sensor

3.2 振動(dòng)信號采集模塊

振動(dòng)信號采集模塊是利用加速度傳感器采集聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)信號,從而判斷聯(lián)合收割機(jī)是否存在故障風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際測量時(shí),采集加速度傳感器對聯(lián)合收割機(jī)X軸、Y軸、Z軸上的振動(dòng)模擬信號,再通過ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給微處理器進(jìn)行FFT變換分析,提取出能夠反應(yīng)聯(lián)合收割機(jī)振動(dòng)信的特征值,然后進(jìn)行故障判斷分析。本文采用MPU-6050陀螺儀采集聯(lián)合收割機(jī)的振動(dòng)信號,MPU-6050陀螺儀內(nèi)部包括可程式控制的3軸加速器,測量可以設(shè)置為±2、±4、±8、±16g。MPU-6050陀螺儀實(shí)物和原理圖如圖8和圖9所示。

圖8 MPU6050陀螺儀實(shí)物圖Fig.8 The physical drawing of MPU6050 gyroscope

圖9 MPU6050陀螺儀原理圖Fig.9 The schematic diagram of MPU6050 gyroscope

3.3 割臺高度檢測

不同農(nóng)作物的高度不一樣,因此操作人員需要針對不同作物調(diào)整割臺高度,而割臺高度檢測也是農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的核心之一,本文采用超聲波測距系統(tǒng)測量聯(lián)合收割機(jī)割臺高度。超聲波測距由一個(gè)接收器和一個(gè)發(fā)射器組成,二者都安裝在割臺上,依據(jù)超聲波測距原理,實(shí)現(xiàn)割臺與地面之間的距離。為了避免因地面不平導(dǎo)致測量誤差,本系統(tǒng)在割臺上安裝了3套超聲波測距系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)綜合計(jì)算出割臺高度。超聲波測距原理如圖10所示。

圖10 超聲波測距原理Fig.10 The principle of ultrasonic ranging

4 農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件主要是根據(jù)Z-Stack 操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā),由于本文使用的ZigBee硬件平臺是特別設(shè)計(jì)的,因此Z-Stack的驅(qū)動(dòng)需要獨(dú)立開發(fā)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件驅(qū)動(dòng)主要包括ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序和ZigBee協(xié)調(diào)器程序兩部分。

1)ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序。ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序主要功能:搜集聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)現(xiàn)場的各種重要參數(shù),故設(shè)備節(jié)點(diǎn)必須具備建立網(wǎng)絡(luò)、采集收據(jù)、存儲數(shù)據(jù)的功能。ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序流程如圖11所示。

圖11 ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.11 The program flow chart of ZigBee device node

由于Z-Stack自身已經(jīng)包括組網(wǎng)、采集收據(jù)和存儲數(shù)據(jù)功能,在本課題上只需要在Z-Stack軟件基礎(chǔ)上,調(diào)用其內(nèi)部函數(shù)和新編寫的驅(qū)動(dòng)函數(shù)即可,再將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

2)ZigBee協(xié)調(diào)器程序。ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)各類參數(shù)的收集和發(fā)送,也就是定時(shí)將收集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給STM32微處理器。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程如圖12所示。

圖12 ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖Fig.12 The program flow chart of ZigBee coordinator

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的可行性,在某玉米種植基地進(jìn)行了玉米收割試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的聯(lián)合收割機(jī)采用了研究的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。在試驗(yàn)過程中,系統(tǒng)正常啟動(dòng)后,開始進(jìn)行收割作業(yè),并在后臺觀測數(shù)據(jù)采集情況。農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)速采集模塊顯示如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)速采集模塊結(jié)果Table 1 The results of speed acquisition module r/min

為了檢驗(yàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性,在測試開始前,拔掉了喂入輥轉(zhuǎn)速檢測模塊的電源線,喂入輥轉(zhuǎn)速檢測值為0。從檢測數(shù)據(jù)來看:信號采集節(jié)點(diǎn)能夠正確采集農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù),并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云平臺,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

6 結(jié)論

首先,介紹了ZigBee通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信方式和協(xié)議棧原理,然后采用多種傳感器對農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。測試試驗(yàn)表明:信號采集節(jié)點(diǎn)能夠正確采集農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云平臺,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。