王麗娟,李東琦

(1.焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.安陽(yáng)師范學(xué)院,河南安陽(yáng) 455000)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng),有計(jì)算機(jī)功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它以應(yīng)用為中心,軟硬件可裁減,適合應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及用戶的應(yīng)用程序等4個(gè)部分組成,是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的"器件"。如果將嵌入式系統(tǒng)引入到播種機(jī)的播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上,不僅可以降低監(jiān)測(cè)裝置的復(fù)雜性和體積,還可以有效地提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效率和質(zhì)量,對(duì)于播種機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 播種機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),很多地區(qū)農(nóng)業(yè)種植面積較大,適合采用農(nóng)機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)。在我國(guó)北方大部分地區(qū)的主要糧食作物采用一穴一粒的播種方式,如果使用播種質(zhì)量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精量化播種。采用自動(dòng)化播種機(jī)可以根據(jù)作物的要求行距、株距和深度來(lái)播種,與傳統(tǒng)人工作業(yè)方式相比,自動(dòng)化精量播種可以節(jié)省種子和人力,使作物在一定程度上增產(chǎn)。圖1為一種自動(dòng)化程度較高的氣力式播種機(jī)。

圖1 氣力式精密播種機(jī)

氣力式播種機(jī)一般分為兩種,分別是氣吸式和氣吹式,自動(dòng)化程度都較高。氣力式播種機(jī)在作業(yè)時(shí)采用的是全封閉的形式,單靠農(nóng)機(jī)操作員無(wú)法直接有效地觀察其播種作業(yè)的質(zhì)量,如排種箱空缺、排種管阻塞及機(jī)械故障等。這些故障會(huì)造成播種的漏播或者重播現(xiàn)象,因此需要在播種機(jī)內(nèi)部安裝播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以提高播種機(jī)的自主作業(yè)水平。

圖2為Herriau研制的一種排種管傳感器監(jiān)測(cè)裝置,該裝置采用光電傳感器。有種子排出時(shí),傳感器會(huì)進(jìn)行計(jì)數(shù);沒(méi)有種子通過(guò)或者種子在規(guī)定時(shí)間內(nèi)多次通過(guò)時(shí),裝置會(huì)進(jìn)行報(bào)警。工作時(shí),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過(guò)傳感器對(duì)播種質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)后,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行處理,再利用通信網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;通過(guò)數(shù)據(jù)分析遠(yuǎn)程監(jiān)控端對(duì)播種質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),如果發(fā)生播種質(zhì)量較差的情況,農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程管理員會(huì)發(fā)送控制指令,通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)和ZigBee發(fā)送指令給播種操作人員;操作人員根據(jù)指令對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的檢查,確定故障原因后對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整,以提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的質(zhì)量和效率。

圖2 排種管傳感器監(jiān)測(cè)裝置

圖3 播種機(jī)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框架

2 播種機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式Linux系統(tǒng)的兼容性較強(qiáng),可以應(yīng)用到車載系統(tǒng)、WAP手機(jī)、PDA和掌上電腦等可移動(dòng)設(shè)備上,能夠提高系統(tǒng)的智能化水平。ZigBee的應(yīng)用前景較好,在無(wú)線定位、工業(yè)控制自動(dòng)化、汽車自動(dòng)化等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在農(nóng)業(yè)上,利用ZiBee和傳感器設(shè)備可以完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,數(shù)據(jù)的分析和處理也變得非常容易,還可以作為農(nóng)機(jī)管理人員的輔助決策系統(tǒng)。基于嵌入式Linux和ZiBee的播種機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)框架如圖4所示。

整個(gè)系統(tǒng)主要是由8部分組成,包括圖像采集和識(shí)別模塊、光電信號(hào)采集模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、視頻采集模塊、視頻壓縮模塊、嵌入式Linux系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端。其中,視頻采集模塊主要負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)圖像,對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理后直接傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端;圖像識(shí)別模塊可以對(duì)實(shí)時(shí)作業(yè)情況進(jìn)行圖像采集,并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析;根據(jù)采集的圖像信息判斷是否報(bào)警,報(bào)警后會(huì)將報(bào)警信息傳送給遠(yuǎn)程農(nóng)機(jī)管理員;光電信息的采集主要是利用傳感器對(duì)播種機(jī)的播種質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè),并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集得到的數(shù)據(jù)傳送給嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常則會(huì)發(fā)出報(bào)警。嵌入式Linux系統(tǒng)是數(shù)據(jù)處理分析以及系統(tǒng)控制的關(guān)鍵,在播種機(jī)車載系統(tǒng)安裝嵌入式Linux系統(tǒng)的主要流程如圖5所示。

圖4 基于嵌入式Linux和ZigBee的播種機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)框架

圖5 車載嵌入式Linux系統(tǒng)安裝流程

系統(tǒng)工作時(shí),首先啟動(dòng)VMware軟件,新建主機(jī)后進(jìn)入下一步流程;然后再虛擬配置界面,可以選擇典型或者自定義方式,設(shè)置虛擬主機(jī)的一些參數(shù);最后,點(diǎn)擊下一步便可以進(jìn)入操作系統(tǒng)的選擇。本次選用Linux系統(tǒng),虛擬主機(jī)的界面還可以設(shè)定密碼,方便登錄和退出的安全性。

圖6 建立數(shù)據(jù)端口

為了實(shí)現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)與傳感器及通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信,需要對(duì)通信端口進(jìn)行設(shè)置,如圖6所示。首先創(chuàng)建一個(gè)端口,名稱設(shè)置為123456,然后進(jìn)行端口選擇,如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)端口選擇

在連接時(shí)使用端口的下拉菜單,根據(jù)設(shè)備的需求來(lái)選擇相應(yīng)的端口編號(hào),設(shè)置完成后可以對(duì)端口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)端口參數(shù)設(shè)置

選擇好數(shù)據(jù)端口后,可以對(duì)端口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本次設(shè)置每秒位數(shù)選擇115 200,數(shù)據(jù)流控制選擇無(wú);系統(tǒng)搭建完成后,可以將嵌入式系統(tǒng)移植到播種機(jī)的車載終端,然后對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

為了驗(yàn)證基于嵌入式Linux和ZigBee的控制系統(tǒng)的可行性,將系統(tǒng)安裝在了播種機(jī)車載裝置上,并通過(guò)對(duì)重播、漏播和阻塞故障的監(jiān)測(cè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試基本原理如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試基本原理

對(duì)播種質(zhì)量的監(jiān)測(cè)采用紅外光感傳感器,當(dāng)種子有規(guī)律地通過(guò)排種管道時(shí),會(huì)遮擋紅外線,光信號(hào)此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出,LED等會(huì)有規(guī)律地閃爍并累計(jì)播種量;當(dāng)發(fā)生漏播、重播及管道阻塞時(shí),脈沖信號(hào)會(huì)發(fā)生異常,報(bào)警器會(huì)發(fā)出光聲信號(hào)來(lái)顯示故障的種類及部位,蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警,根據(jù)故障的種類進(jìn)行故障修復(fù)。

對(duì)ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群晚憫?yīng)時(shí)間直接影響系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確性,如表1所示。由表1可以看出:ZigBee的響應(yīng)時(shí)間較快,丟包率較低,可以滿足系統(tǒng)的需求。

表1 ZigBee響應(yīng)時(shí)間和丟包率

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,分別對(duì)人工監(jiān)測(cè)量和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并進(jìn)行了多次試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知:系統(tǒng)監(jiān)測(cè)量和人工監(jiān)測(cè)量基本吻合,從而驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

表2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)量和人工監(jiān)測(cè)量對(duì)比

對(duì)安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的播種機(jī)播種質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試,如表3所示。測(cè)試結(jié)果表明:安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后播種機(jī)的重播率和漏播率都較低,可以滿足高精度播種的需求。

表3 重播率和漏播率監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高精量播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效率和質(zhì)量,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上引入了嵌入式Linux系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò),降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度及硬件體積,提高了系統(tǒng)的靈敏度和監(jiān)測(cè)精度。為了驗(yàn)證方案的可行性,對(duì)系統(tǒng)的通信性能、監(jiān)測(cè)質(zhì)量及安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后的播種機(jī)重播與漏播率進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明:基于ZigBee的通信網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)快,通信丟包率較低。將人工監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了對(duì)比發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)和人工監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后的播種機(jī)重播和漏播率都較低,可以滿足高精度播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。