常淑英，楊傳民

(1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300132；2.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；3.天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134)

0 引言

由于水田作業(yè)條件的惡劣，在近岸水田作業(yè)機(jī)械的控制系統(tǒng)研究中，無(wú)線遙控技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注[1-7]。遠(yuǎn)程控制駕駛水田捕撈機(jī)械可以使人脫粒危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境，改善作業(yè)的條件和安全性，降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，在倡導(dǎo)低碳綠色作業(yè)的今天具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8-12]。在當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)遙控機(jī)械的主要操作方式是采用固定無(wú)線頻段傳輸開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制,對(duì)于較為復(fù)雜和精度要求較高的遠(yuǎn)程操控是難以完成的[13-15]。而基于單片機(jī)和遠(yuǎn)程控制模塊可以通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，將反饋數(shù)據(jù)和初試狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，精準(zhǔn)地完成水田捕撈機(jī)械的剎車、換擋、油門和轉(zhuǎn)向控制等一系列較難的動(dòng)作，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)線遙控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

港口近岸水田捕撈作業(yè)機(jī)械無(wú)線遙控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，兩方面的通信設(shè)計(jì)主要是基于WiFi和4G通信技術(shù)[16-19]。為了優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用了分布式的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)布置技術(shù)，不僅有效地節(jié)省了能耗，還加快了遠(yuǎn)程信號(hào)的傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了捕撈機(jī)械設(shè)備的全方位監(jiān)測(cè)。分布式網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 分布式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)示意圖

分布式網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以反饋捕撈作業(yè)機(jī)型的作業(yè)狀態(tài)，為遠(yuǎn)程控制反饋狀態(tài)信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制時(shí)，可以將這些反饋信號(hào)與需求狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行匹配，完成遠(yuǎn)程控制作業(yè)。

圖2為捕撈作業(yè)機(jī)型遠(yuǎn)程控制的基本流程圖。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的反饋數(shù)據(jù)和初始的需求狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)數(shù)據(jù)特征匹配時(shí)，可以輸出控制結(jié)果；當(dāng)不滿足終止條件時(shí)，需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后重新比對(duì)和特征匹配，最終達(dá)到滿足條件后結(jié)束。

2 遙控監(jiān)控設(shè)備方案和圖像處理技術(shù)

捕撈機(jī)械的遠(yuǎn)程控制主要基于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)精度的高低直接決定了遙控的精度[20-25]。在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)，首先將采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)處理器最終得到8位數(shù)據(jù)，然后采用單片機(jī)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給無(wú)線發(fā)射設(shè)備，從而完成信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)牡谝徊?。遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)射示意圖[26-27]如圖3所示。

圖2 捕撈作業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程控制流程圖

圖3 遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)射示意圖

遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)射后需要采用無(wú)線接收模塊接受發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后將8位數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)開始控制信號(hào)的接收，最后將信號(hào)傳送給PC機(jī)進(jìn)一步處理，發(fā)出控制指令，或者直接在顯示屏顯示信號(hào)，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程信號(hào)無(wú)線接收示意圖

為了全方位地對(duì)水田捕撈設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量的處理功能，采用了云平臺(tái)處理系統(tǒng)，并方便地使用WiFi無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)控和控制系統(tǒng)安裝在Andriod智能手機(jī)上。在進(jìn)行捕撈機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制時(shí)，用戶可以打開手機(jī)實(shí)時(shí)的觀察捕撈機(jī)械的作業(yè)狀態(tài)，利用Andriod智能客戶端或通過(guò)界面操作功能捕撈船進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)捕撈船的無(wú)人駕駛功能。wifi模塊的框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于WiFi模塊的捕撈機(jī)械監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

基于WiFi模塊的捕撈機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指令轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備主要由1個(gè)攝像頭和無(wú)線路由器組成。其中，路由器同時(shí)具備了4G信號(hào)和無(wú)線信號(hào)一體，并安裝有USB接口。為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的無(wú)線遠(yuǎn)程控制，對(duì)路由器的串口引腳進(jìn)行了改造，將調(diào)試串口TXD和最小系統(tǒng)的RXD接通，這樣可以實(shí)現(xiàn)將控制指令直接發(fā)動(dòng)到單片機(jī)中，對(duì)指令做出相應(yīng)的操作。

在捕撈船進(jìn)行作業(yè)時(shí)，受到作業(yè)環(huán)境的影響，遠(yuǎn)程監(jiān)控的圖像往往達(dá)不到要求，為了進(jìn)一步提高圖像的質(zhì)量，可以對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，從而得到更加清晰的遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像。在圖像增強(qiáng)時(shí)，可以首先將圖像進(jìn)行二值化處理，得到的灰度圖像的背景值點(diǎn)為0，前景值點(diǎn)為255；然后，采用細(xì)化算法進(jìn)行二值化，在r×r鄰域內(nèi)，可以通過(guò)相鄰像素的方差和均值進(jìn)行二值化處理，其計(jì)算公式為

T(x,y)=m(x,y)+k×s(x,y)

(1)

其中，T(x,y)為通過(guò)二值化處理后得到的圖像像素點(diǎn)；m(x,y)為處理圖像的像素點(diǎn)均值；s(x,y)為像素點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差；k為圖像處理的修正值。假設(shè)像素點(diǎn)(i,j)處的灰度值為f(i,j)，則

(2)

(3)

通過(guò)二值化增強(qiáng)處理后，可以將水田捕撈機(jī)械的準(zhǔn)確工作狀態(tài)反饋到監(jiān)控中心，為了實(shí)現(xiàn)水田捕撈機(jī)械的遠(yuǎn)程控制功能，可以將圖像的反饋值和需求作業(yè)狀態(tài)圖像進(jìn)行特征匹配。假定正常作業(yè)狀態(tài)的特征圖像為

(4)

其中，P0為水田捕撈船正常作業(yè)區(qū)域的中心位置。采用不變距特征可以實(shí)現(xiàn)圖像區(qū)域的識(shí)別，將獲得的監(jiān)控圖像在離散狀態(tài)下求解中心距，從而判斷圖像是否匹配。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，假設(shè)離散狀態(tài)時(shí)圖像函數(shù)為f(m,n)，則該圖像的p+q階普通距為

(5)

該圖像的p+q階中心距的計(jì)算公式為

(6)

得到中心距后，可以利用圖像的旋轉(zhuǎn)、平移和比例變化原理，計(jì)算各種監(jiān)控區(qū)域的各種不變矩，達(dá)到圖像是否配準(zhǔn)的判斷。

3 無(wú)線遙控系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證港口近岸水田捕撈作業(yè)機(jī)械無(wú)線監(jiān)測(cè)和遙控系統(tǒng)的可行性，以實(shí)際作業(yè)的機(jī)械捕撈船為測(cè)試對(duì)象，利用前端設(shè)備和4GLTE無(wú)線網(wǎng)，結(jié)合WiFi無(wú)線傳感器，將信號(hào)傳送到視頻監(jiān)測(cè)平臺(tái)。整個(gè)測(cè)試平臺(tái)框架如圖6所示。

圖6 港口近岸水田捕撈作業(yè)機(jī)械無(wú)線遙控系統(tǒng)

整個(gè)測(cè)試平臺(tái)主要由前端的設(shè)備、路由器、LTE和WiFi無(wú)線網(wǎng)、機(jī)械捕撈設(shè)備組成。為了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用方便，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電采用風(fēng)力輔助發(fā)電設(shè)備，前端設(shè)備如圖7所示。

圖7 監(jiān)控前端設(shè)備選型

該攝像設(shè)備具備了全天的監(jiān)控功能，白天和晚上都可以對(duì)機(jī)械捕撈船的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行清晰的監(jiān)測(cè)。為了使監(jiān)測(cè)設(shè)備適應(yīng)惡劣的作業(yè)條件，設(shè)備采用了特殊材料制成，可以成功應(yīng)對(duì)水汽、煙霧和各種氣體的腐蝕，使監(jiān)控圖像始終保持較高的質(zhì)量，并具有較好的連續(xù)性和可靠性。攝像頭外采用防護(hù)罩保護(hù)，夜間照明采用激光照明設(shè)備，使用紅外成像儀，使監(jiān)測(cè)設(shè)備在夜間可以獲得較高的監(jiān)測(cè)視頻和圖像。

圖8為本次采用的水田作業(yè)機(jī)械捕撈設(shè)備采用的無(wú)線監(jiān)控主機(jī)設(shè)備。該設(shè)備支持WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和4G信號(hào)傳輸功能，可以在電腦和手機(jī)等終端監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)地查看捕撈機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)作業(yè)情況。為了降低能源耗費(fèi)，系統(tǒng)除了帶有遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉功能之外，還具有定位開關(guān)功能，可以有效降低設(shè)備能源的耗費(fèi)。

圖8 無(wú)線監(jiān)控船載設(shè)備主機(jī)

表1為對(duì)近岸水田捕撈設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遙控設(shè)備進(jìn)行測(cè)試得到的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)設(shè)備可以輸出穩(wěn)定的反饋信號(hào)，各個(gè)串口的通信均正常。對(duì)無(wú)人駕駛的遠(yuǎn)程操控誤差和控制時(shí)延特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：遠(yuǎn)程控制的最大誤差僅為2.55%，低于5%；控制的最大時(shí)間延遲僅為0.72s，小于1s，可以滿足水田捕撈作業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程控制的基本需求。

表1 無(wú)人駕駛遙控精度監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

為了使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備適應(yīng)港口近岸水田捕撈作業(yè)的惡劣作業(yè)條件，提出了一種基于無(wú)線傳感和無(wú)人駕駛技術(shù)捕撈機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備，使用分布式WiFi和4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，采用圖片數(shù)據(jù)反饋與特征匹配和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和可靠性，在較大距離范圍內(nèi)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能進(jìn)行了測(cè)試，分為監(jiān)測(cè)通信測(cè)試和遠(yuǎn)程無(wú)人駕駛操控精度測(cè)試。結(jié)果表明：系統(tǒng)可以輸出連續(xù)可靠的通信信號(hào)作為控制反饋的指令。遠(yuǎn)程控制誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的誤差低于5%，控制的最大時(shí)間延遲小于1s，在遠(yuǎn)程高精度監(jiān)測(cè)和控制運(yùn)行的誤差范圍內(nèi)滿足了設(shè)備高精度作業(yè)的需求。

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AbstractID:1003-188X(2018)06-0224-EA

Abstract： The environment of fishing operations in coastal inshore paddy field is often poor, and it is difficult to monitor the mechanical fishing equipment due to the influence of fog, wind and temperature. For the high precision remote control operation to achieve the field working machine, it proposes a wireless network monitoring and image enhancement technology based on distributed wireless sensor, which can effectively improve the coastal paddy field operation equipment monitoring accuracy and efficiency monitoring. The wireless data transceiver module and data acquisition and processing module, and wireless communication protocol, it designs a wireless remote control fishing equipment SCM and WiFi system based on the coastal paddy field, and in the range of 1000m the feasibility and precision of the device was tested by the test results show that the monitoring and control system of serial communication, wireless data transmission stability, control accuracy to meet the basic needs of paddy field fishing machinery.

Keywords： fishing machine; paddy field operation; port inshore; single chip computer