楊 葵

(四川城市職業(yè)學(xué)院，成都 610101)

0 引言

無人駕駛播種機已經(jīng)被初步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但由于受到遠程監(jiān)測和控制技術(shù)的限制，其作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)的安全性都影響了其批量使用和推廣。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了遠程監(jiān)測、監(jiān)控領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，憑借其開放性好、成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸率高等諸多優(yōu)勢，在自動化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。本次研究以無人駕駛播種機的控制為研究對象，以ZNE-100T模塊為以太網(wǎng)接口，將光纖傳輸技術(shù)引入到了遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以期得到較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，從而提高播種機遠程控制的精度，實現(xiàn)播種機的無人化自動作業(yè)。

1 光纖接入網(wǎng)技術(shù)以及以太網(wǎng)的優(yōu)點概述

光纖接入技術(shù)是客戶端與業(yè)務(wù)節(jié)點之間以光纖作為傳輸媒介，用戶端使用銅線或者無線作為傳輸媒介，綜合寬帶承載等一系列的技術(shù)服務(wù)。光纖入網(wǎng)可以由網(wǎng)絡(luò)管理接口進行配置和管理，是下一代接入網(wǎng)的主要入網(wǎng)方式。

如圖1所示，光纖接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共分為兩種入網(wǎng)方式，一種方式是點到點的以太網(wǎng)技術(shù)，一種是點到多點的入網(wǎng)技術(shù)。其中，點到多點的入網(wǎng)技術(shù)又分為3種，包括APON/BPON、EPON和GPON等。光纖傳輸具有較高的帶寬和較長距離的傳送能力，支持分組的方式承載上層業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)技術(shù)是從局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而來的，一般是用來解決用戶的寬帶接入問題的，具有很多優(yōu)點，如其設(shè)備廉價、可以與IP技術(shù)無縫融合及協(xié)議簡單設(shè)備兼容性好等，因此本次設(shè)計的播種機建立在光纖傳輸及以太網(wǎng)通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上。

圖1 光纖接入技術(shù)

2 基于光纖傳輸?shù)牟シN機遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以采集播種機的作業(yè)信息，并根據(jù)其作業(yè)情況發(fā)出控制指令，需要將信息采集設(shè)備、傳感器、單片機等通過網(wǎng)絡(luò)連接起來。為了提高傳輸速度，本次選用光纖以太網(wǎng)進行信息傳輸，其功能設(shè)計主要分為4部分：

1)作業(yè)信息采集與處理。作業(yè)信息的采集是播種機遠程監(jiān)控功能設(shè)計的主要方面，包括速度信息、播種機運行平穩(wěn)信息等，這些信息通過采樣和處理，可以為遠程控制中心提供重要的數(shù)據(jù)參考。

2)監(jiān)督功能。將監(jiān)測信息進行數(shù)據(jù)處理后，可以將數(shù)據(jù)進行整理并存儲，起到對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的監(jiān)督功能。

3)管理功能。利用采集到的數(shù)據(jù)可以查看播種機的實時運行狀態(tài)，如果存在故障或者播種質(zhì)量不合格時可以發(fā)出及時的預(yù)警，并對突發(fā)事件進行報警。

4)控制功能?？刂剖潜O(jiān)控的目的，可以根據(jù)監(jiān)測的信息數(shù)據(jù)，對播種機發(fā)出控制指令，實現(xiàn)其自動化作業(yè)功能。

為了實現(xiàn)播種機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的光纖傳輸，本次選用以太網(wǎng)作為接口網(wǎng)絡(luò)，一個標準的以太網(wǎng)物理傳輸幀由7部分組成，主要為表1所示的4部分。

表1 以太網(wǎng)的物理傳輸幀結(jié)構(gòu)

如表1所示：DA目的地址是48位二進制地址，表示幀傳給網(wǎng)卡的名稱和類型；SA源地址也是48位，表示幀發(fā)出的網(wǎng)卡名稱與類型；TYPE類型字段表示幀的數(shù)據(jù)類型；DATA數(shù)據(jù)段表示光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。根據(jù)光纖通信的傳輸特點設(shè)計了播種機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架，如圖2所示。

圖2 播種機監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

首先利用攝像機對播種機的運行情況進行信息采集，并利用光纖通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送給遠程監(jiān)控中心，通過數(shù)據(jù)處理得到播種機的速度信息等情況。為保證速度采集的準確性，還在播種機上安放了速度信息采集傳感器，傳感器將信息數(shù)據(jù)傳送給單片機，然后利用通過UART0串口連接到ZNE-100T，最后通過以太網(wǎng)與上位機連接，實現(xiàn)基本的遠程監(jiān)控通信功能，并可實現(xiàn)遠程控制。其通信電路的接口如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)通信模塊接口電路圖

系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能是通過ZNE-100T模塊實現(xiàn)的，可以利用電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)RS-232標準接口通信。當播種機的速度出現(xiàn)異常時，可以利用該通信模塊對播種機發(fā)出控制指令，其流程如圖4所示。

圖4 串行通信中斷流程圖

串行通信采用RI標記進行判斷，當RI的值為1時，說明有數(shù)據(jù)接收，程序進入中斷子程序。利用子程序?qū)?shù)據(jù)進行分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)判斷播種機的實時速度是否超過了設(shè)定的速度門限值，如果超過門限值需要調(diào)整播種機的速度，使其平穩(wěn)作業(yè)，完成子程序后中斷返回。

如圖5所示：為了測試光纖通信的性能，主要對數(shù)據(jù)傳送過程的丟包情況進行統(tǒng)計，將測試儀端口分別與被測光纖收發(fā)器A和B的以太網(wǎng)接口相連接。其中，A的光發(fā)送端利用光纖線路和接收器B端連接，同理B的光發(fā)送端利用光纖線路和接收器A端連接，最后通過丟包率的大小，對光纖傳輸性能進行判斷，以決定其是否滿足播種機遠程通信傳輸?shù)男枰?/p>

圖5 光纖傳輸性能測試

3 播種機監(jiān)控系統(tǒng)性能測試

為了研究基于光纖傳輸?shù)牟シN機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的性能，以無人駕駛播種機作為研究對象，擬對光纖傳輸以太網(wǎng)的性能進行測試，并對播種機監(jiān)控的性能和播種機的總體性能進行測試，如圖6所示。

圖6 基于光纖以太網(wǎng)遠程監(jiān)控的無人駕駛播種機

在無人駕駛播種機作業(yè)過程中必須對其作業(yè)狀態(tài)進行嚴格的監(jiān)控，以保證播種作業(yè)的質(zhì)量和播種機運行的安全性，本次主要采用光纖以太網(wǎng)對播種機運行情況視頻和速度進行監(jiān)測，以達到平穩(wěn)控制播種機的目的。

首先對光纖以太網(wǎng)信息傳輸?shù)臏蚀_性進行測試，結(jié)果如圖7所示。測試結(jié)果表明：播種機監(jiān)控系統(tǒng)光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸準確率較高，最大丟包率不超過0.5%，滿足無人駕駛播種機遠程控制的需求。

圖7 丟包率測試曲線

對播種機的行駛速度進行了監(jiān)測，結(jié)果如圖8所示。監(jiān)測結(jié)果表明：播種機在啟動后10s之內(nèi)便可以達到穩(wěn)定運行的狀態(tài)。對播種機的漏播率和重播率進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到了如表2所示的結(jié)果。

圖8 行駛速度測試曲線

表2 播種性能測試結(jié)果

表2測試結(jié)果表明:播種機的漏播率和重播率都較低，可以滿足高精度無人駕駛自動化播種作業(yè)的需求。

4 結(jié)論

為了提高無人駕駛播種機自動化作業(yè)水平和播種質(zhì)量，將光纖傳輸和以太網(wǎng)通信技術(shù)引入到了播種機遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，有效提高了信息數(shù)據(jù)的傳輸速率，為無人駕駛控制系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支持。為了驗證方案的可行性，以無人駕駛播種機的實際作業(yè)為實驗對象，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能和播種機的總體性能進行了測試，包括網(wǎng)絡(luò)丟包率、播種機的漏播率和重播率。測試結(jié)果表明：網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能較好，丟包率沒有超過0.5%，重播率和漏播率也控制在2%以內(nèi)，可以滿足播種機自動作業(yè)的需求。