唐宇++駱少明++黃偉鋒++郭俊杰++王克強(qiáng)++朱立學(xué)

摘要：針對(duì)因田間作業(yè)路況差異大及不確定因素多而導(dǎo)致無(wú)人駕駛拖拉機(jī)行駛穩(wěn)定性差的問題，提出1種基于通用分組無(wú)線服務(wù)（general packet radio service，簡(jiǎn)稱GPRS）網(wǎng)絡(luò)的行駛狀態(tài)信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由處理器模塊、GPRS通信模塊、傳感器模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心4部分組成，通過安裝到拖拉機(jī)上的各個(gè)傳感器模塊檢測(cè)行駛過程中的振動(dòng)狀態(tài)、傾斜角度和遭遇障礙物情況，借助GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user datagram protocol，簡(jiǎn)稱UDP）將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為17.4 s，可正常監(jiān)測(cè)農(nóng)用拖拉機(jī)的傾角超限、振動(dòng)頻率和遇障情況等。該系統(tǒng)使用靈活、信號(hào)覆蓋面廣，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛農(nóng)用拖拉機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人駕駛；農(nóng)用拖拉機(jī)；GPRS；單片機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）09-0168-04

拖拉機(jī)是重要的農(nóng)業(yè)機(jī)械之一，能顯著提高田間作業(yè)的自動(dòng)化程度和工作效率，其應(yīng)用越來越廣泛，智能化程度也越來越高[1-2]，已有不少無(wú)人駕駛農(nóng)用拖拉機(jī)試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道[3-4]。無(wú)人駕駛拖拉機(jī)機(jī)組在行走作業(yè)過程中遇到惡劣條件和突發(fā)情況的概率較大，作業(yè)方向和行距難以保證應(yīng)有的精度，易造成錯(cuò)誤作業(yè)甚至損傷大片農(nóng)作物和土地[5-6]。因此，研制信號(hào)覆蓋范圍廣、成本低廉且具有一定實(shí)用價(jià)值的遠(yuǎn)程多信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機(jī)全自動(dòng)作業(yè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，我國(guó)農(nóng)用拖拉機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)量還很少，大部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是以傳統(tǒng)的方法采集數(shù)據(jù)[7]。在拖拉機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，采集數(shù)據(jù)大多是通過傳感器，采集精度可以根據(jù)選取的傳感器而定，而通信是監(jiān)測(cè)過程中的重要環(huán)節(jié)[8]。由全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（global system for mobile communication，簡(jiǎn)稱GSM）網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的通用分組無(wú)線服務(wù)（general packet radio service，簡(jiǎn)稱GPRS）數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)在線、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本試驗(yàn)擬研制無(wú)人駕駛農(nóng)用拖拉機(jī)行駛狀態(tài)信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載能力，通過相關(guān)傳感器采集振動(dòng)、傾斜和遇障情況信息并發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)行駛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)由處理器模塊、GPRS通信模塊、傳感器模塊（振動(dòng)傳感器、傾斜傳感器與紅外傳感器）和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心等4部分組成（圖1）。處理器模塊以AT89S52單片機(jī)為核心，通過異步串行口（universal asynchronous receiver transmitter，簡(jiǎn)稱UART）與GPRS模塊連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，通過相應(yīng)的輸入輸出（input/output，簡(jiǎn)稱I/O）口與其他模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部軟硬件功能。

拖拉機(jī)的行駛狀態(tài)信息被傳感器實(shí)時(shí)采集后，通過GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠(yuǎn)端的傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission control protocol/Internet protocol，簡(jiǎn)稱TCP/IP）網(wǎng)絡(luò)。GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（serving GPRS support node，簡(jiǎn)稱SGSN）和網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（gateway GPRS support node，簡(jiǎn)稱GGSN）利用GPRS隧道協(xié)議（GPRS tunnelling protocol，簡(jiǎn)稱GTP）對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（internet protocol，簡(jiǎn)稱IP）分組進(jìn)行封裝，并以端到端方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。

1.1單片機(jī)與GPRS模塊的接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用摩托羅拉公司生產(chǎn)的G20模塊實(shí)現(xiàn)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)以自帶的三線形式異步串行口與G20模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向全雙工通信[9-10]，發(fā)送指令，使G20模塊完成聯(lián)網(wǎng)掛接、注冊(cè)登錄和短消息收發(fā)等相應(yīng)操作，同時(shí)監(jiān)聽接口，接收來自G20的回傳數(shù)據(jù)。由于AT89S52與G20模塊的I/O電平不一致，須通過轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后方可進(jìn)行電氣連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，該部分電路如圖2所示。電路的核心是夏普公司生產(chǎn)的PC817高速光耦，實(shí)現(xiàn)兩端電氣隔離與信息耦合傳輸。AT89S52的發(fā)送數(shù)據(jù)（transmit data，簡(jiǎn)稱TXD）口電流輸出能力較弱，須經(jīng)過7404同相驅(qū)動(dòng)器才能正常點(diǎn)亮光耦中的發(fā)光二極管。G20開發(fā)板具有通信接口電平切換、通信接口選擇、來電顯示和信號(hào)顯示等功能，TXD口通過1個(gè)9011三極管實(shí)現(xiàn)邏輯反相和驅(qū)動(dòng)電流增強(qiáng)。

1.2單片機(jī)與振動(dòng)傳感器的接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過AT89S52單片機(jī)的T0口接收由LM393組成的電壓比較器的輸出信號(hào)采集振動(dòng)的頻率信息，接口如圖3所示。振動(dòng)傳感電路以RZ801S機(jī)械彈性感應(yīng)器件為核心，拖拉[CM（25]機(jī)的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)過RZ801S及應(yīng)用電路后，轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷庪娦盘?hào)，在經(jīng)過電壓比較、電路整形放大后輸出給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的振蕩信號(hào)頻率可感知到拖拉機(jī)行駛過程中的實(shí)際振動(dòng)特點(diǎn)。

1.3單片機(jī)與傾斜傳感器的接口設(shè)計(jì)

傾斜傳感器在垂直懸掛狀態(tài)下受到外力作用且偏離垂直角度20°以上時(shí)，傾斜傳感器內(nèi)部的開關(guān)接點(diǎn)動(dòng)作，輸出開/關(guān)的信號(hào)；當(dāng)外力消失后，傾斜傳感器內(nèi)部的開關(guān)接點(diǎn)回復(fù)至初始狀態(tài)（圖4）。可通過調(diào)整2個(gè)傳感器在拖拉機(jī)機(jī)架上的安裝位置，根據(jù)傾斜傳感器內(nèi)部接點(diǎn)斷/合信號(hào)輸出變化來判斷拖拉機(jī)行駛過程中的傾斜情況，以便及時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。當(dāng)傳感器模塊的供電電壓為直流電（direct current，簡(jiǎn)稱DC）+5 V時(shí)，輸出端可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測(cè)高低電平，由此感知拖拉機(jī)的傾斜角度變化。

1.4單片機(jī)與紅外傳感器的接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的障礙物感測(cè)電路核心為紅外光收發(fā)對(duì)管，發(fā)射部分由40 kHz振蕩器、恒流發(fā)射發(fā)路、發(fā)射探頭等組成，振蕩器產(chǎn)生占空比很小的窄脈沖。恒流源提供20 mA左右的電流，可降低功耗，提高發(fā)射功率。紅外線由發(fā)射探頭聚焦，以散射角小于2°發(fā)射。接收部分由紅外線接收頭、兩級(jí)放大電路、整形和自動(dòng)增益控制（automatic gain control，簡(jiǎn)稱AGC）等電路組成。通過調(diào)整可變電阻的阻值可以改變檢測(cè)距離， 接收信號(hào)經(jīng)放大電路放大后可控制圖中的繼電器斷/合，并給AT89S52單片機(jī)提供電平信號(hào)，即將障礙物的有無(wú)變化轉(zhuǎn)換為高低電平的變化（圖5）。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛拖拉機(jī)行駛狀態(tài)信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的機(jī)載端軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫，分為單片機(jī)主程序和子程序2大部分。主程序主要完成系統(tǒng)中各功能單元的初始化工作（圖6），并不斷發(fā)出控制命令，采集各傳感器模塊輸出的檢測(cè)信息，實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)子功能，主要包括振動(dòng)、傾斜、紅外信息采集程序和遠(yuǎn)程通信程序等模塊。

2.1振動(dòng)信息采集程序

振動(dòng)傳感器模塊輸出的信號(hào)為脈沖信號(hào)，這里使用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器0（T0）進(jìn)行定時(shí)，采用定時(shí)/計(jì)數(shù)器1（T1）進(jìn)行計(jì)數(shù)，即通過設(shè)置使T0定時(shí)1 s，滿1 s時(shí)讀取T1的計(jì)數(shù)值并進(jìn)行換算，可得到拖拉機(jī)的機(jī)架振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)，單片機(jī)采集振動(dòng)信息的程序流程見圖7。

2.2傾斜信息采集

系統(tǒng)通過AT89S52單片機(jī)的P1.0、P1.1口讀取傾斜傳感器模塊中的2個(gè)機(jī)械彈性開關(guān)的閉合狀態(tài)，根據(jù)這2個(gè)普通I/O口的4種電平狀態(tài)組合可以判定拖拉機(jī)的傾斜狀態(tài)，該部分程序流程如圖8所示。

2.3紅外信息采集程序

拖拉機(jī)行駛過程中的障礙物檢測(cè)通過紅外傳感器模塊實(shí)現(xiàn)，通過AT89S52單片機(jī)的P1.2、P1.3口控制紅外發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，使用單片機(jī)的外部中斷0接口接收經(jīng)過放大整形處理后的紅外反射信號(hào)，即在設(shè)定距離內(nèi)遇到障礙物時(shí)會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的1次外部中斷，在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)遇障狀況的記錄，該部分程序流程如圖9所示。

2.4遠(yuǎn)程通信程序

采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信功能以發(fā)送GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息[11]的方式實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)向G20發(fā)送以ASCⅡ字符代碼組成的標(biāo)準(zhǔn)格式的AT（attention）指令實(shí)現(xiàn)，首先建立GPRS連接，然后打開1個(gè)通信端口，接著將數(shù)據(jù)壓入發(fā)送棧以用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議進(jìn)行發(fā)送，程序流程如圖10所示。

3系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

將本系統(tǒng)安裝到具有加裝了自動(dòng)導(dǎo)航功能的東方紅LX904拖拉機(jī)上（圖11）。在廣州市從化區(qū)街口鎮(zhèn)的從化華隆果菜保鮮有限公司的試驗(yàn)田進(jìn)行測(cè)試，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心放置在該公司連接了Internet的辦公樓內(nèi)。

測(cè)試時(shí)，首先校準(zhǔn)機(jī)載系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的時(shí)間，然后讓拖拉機(jī)沿直線路徑以2 m/s的速度行駛約500 m，其間隨機(jī)統(tǒng)計(jì)了12個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間間隔。結(jié)果表明，發(fā)送接收時(shí)間間隔最大值為19.3 s，最小值為15.7 s，平均發(fā)送接收時(shí)間間隔17.4 s（表1）。傾角上限預(yù)設(shè)為25°，遇障距離設(shè)為 70 cm，隨機(jī)記錄了數(shù)據(jù)中心保存的15組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表2）。

4結(jié)論

無(wú)人駕駛農(nóng)用拖拉機(jī)行駛狀態(tài)信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)田間作業(yè)拖拉機(jī)的振動(dòng)、傾角和遇障情況的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)有線傳輸方式和普通射頻電臺(tái)數(shù)傳方式的傳輸距離局限性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，具有良好的擴(kuò)展性，在此基礎(chǔ)上可以掛接更多的傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)用拖拉機(jī)更多參數(shù)的檢測(cè)，能較好地滿足行駛過程中拖拉機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)的需要。該系統(tǒng)使用靈活、安裝簡(jiǎn)便、成本較低，不僅能應(yīng)用在農(nóng)用拖拉機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，還可以推廣到其他田間作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛農(nóng)用拖拉機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李逃昌，胡靜濤，高雷. 基于模糊自適應(yīng)純追蹤模型的農(nóng)業(yè)機(jī)械路徑跟蹤方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（1）：205-210.

[2]寧建，孫宜田，劉青，等. 智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（2）：77-79.

[3]武尚君. 農(nóng)用拖拉機(jī)無(wú)人駕駛自動(dòng)直線行走控制方法研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（2）：112-114.

[4]Langer T H，Ebbesen M K，Kordestani A. Experimental analysis of occupational whole-body vibration exposure of agricultural tractor with large square baler[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2015，47：79-83.

[5]Cuong D M，Zhu S，Zhu Y. Effects of tyre inflation pressure and forward speed on vibration of an unsuspended tractor[J]. Journal of Terramechanics，2013，50（3）：185-198.

[6]丁啟朔，潘根興，丁為民. 稻田耕后土壤結(jié)構(gòu)的描述方法與指標(biāo)——以南京江浦農(nóng)場(chǎng)為例[J]. 土壤通報(bào)，2011（1）：1-6.

[7]徐保巖，宋月鵬，陳苗苗，等. 基于ZigBee和GPRS/GSMDUT的果園信息遠(yuǎn)程化決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53（12）：20-24.

[8]任肖麗，陳佳喜，王驥，等. 基于GPRS技術(shù)在線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（4）：60-62.

[9]Cubero S，Aleixos N，Albert F，et al. Optimized computer vision system for automatic pre-grading of citrus fruit in the field using a mobile platform[J]. Precision Agriculture，2014，15（1）：80-94.

[10]潘鶴立，景林，鐘鳳林，等. 基于ZigBee和3G/4G技術(shù)的分布式果園遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，43（6）：661-667.

[11]邢麗麗. 基于3G技術(shù)的遠(yuǎn)程輻射應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2010，30（3）：446-450.