邱逸凡 ， 林仕聰 ， 柯文韜 ， 王家博，2 ， 肖茂華 ， 周路雙

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210031；2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212400；3.金湖雙洋機(jī)械有限公司，江蘇 淮安 211600）

山地果園坡度較陡，山路曲折迂回，果樹(shù)栽植密集，運(yùn)載果品時(shí)操作人員與軌道運(yùn)輸機(jī)距離較遠(yuǎn)，再加上彼此間有果樹(shù)遮擋，因此要求較遠(yuǎn)的通信距離和較高的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。針對(duì)山地果園運(yùn)輸中惡劣的作業(yè)環(huán)境和較差的舒適性，設(shè)計(jì)了一套用于軌道運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，供軌道運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送果品使用。LoRa 技術(shù)是一種低功耗、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，目前LoRa 技術(shù)最大覆蓋直徑可以達(dá)到10 km，具有超低的延遲，可以滿(mǎn)足大多數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲要求較高的使用場(chǎng)景[2]。課題組基于LoRa 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)后能夠在5 km 的直徑范圍內(nèi)遠(yuǎn)程控制以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)。該系統(tǒng)具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低且穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[3]，可提升丘陵山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推進(jìn)山地農(nóng)業(yè)向機(jī)械化、智能化方向快速轉(zhuǎn)型[4]。

1 系統(tǒng)整體概述

課題組設(shè)計(jì)的山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以裝有推桿、汽油機(jī)為動(dòng)力的山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)為主要應(yīng)用對(duì)象。遙控器部分由STC89C51 單片機(jī)、鍵盤(pán)模塊、LCD1602 模塊、干電池和Lora 無(wú)線(xiàn)通信模塊組成[5]。在鍵盤(pán)端可輸入前進(jìn)、后退、停止3 種指令，STC89C51 單片機(jī)接收到指令信號(hào)后，在LCD1602 模塊上將指令顯示出來(lái)，并通過(guò)LoRa 無(wú)線(xiàn)通信模塊將指令向山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)發(fā)出，干電池作為遙控器的電源。山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)上的LoRa無(wú)線(xiàn)通信模塊接收到遙控器發(fā)送的信號(hào)后傳輸?shù)絊TC89C51 單片機(jī)中，此時(shí)STC89C51 單片機(jī)將指令轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)傳輸給L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊控制電動(dòng)推桿，將山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的控制推桿運(yùn)行到指定的位置，來(lái)達(dá)到物理控制山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的效果，以此來(lái)控制軌道運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)、停止及運(yùn)動(dòng)方向。干電池給STC89C51單片機(jī)供電，24 V 鋰電池通過(guò)L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊給電動(dòng)推桿供電。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用4 位獨(dú)立鍵盤(pán)作為指令輸入端，使用STC89C51 芯片接收輸入的指令并進(jìn)行處理，外接LCD1602 顯示屏顯示單片機(jī)接收到的指令信息，遙控器端AS32-TTL-1W 模塊接收數(shù)據(jù)并通過(guò)廣播的方式發(fā)送出去，在接收端山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)上使用相同配置（波特率、空中速度、模塊地址、通信信道）的AS32-TTL-1W 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，從而達(dá)到遠(yuǎn)距離低功耗傳輸，指令通過(guò)另一STC89C51 芯片處理后轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)傳輸給L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，最后電動(dòng)推桿推動(dòng)離合搖桿和換擋搖桿實(shí)現(xiàn)軌道運(yùn)輸機(jī)的控制。

2.1.1 LoRa模塊

LoRa 模塊選用的是AS32-TTL-1W 型號(hào)，此型號(hào)的LoRa模塊是一款433 MHz、1 W、具有高穩(wěn)定性的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，根據(jù)SX1278 射頻芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[6]。該模塊采用高效的循環(huán)糾錯(cuò)算法，具有編碼效率高、糾錯(cuò)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提高了穩(wěn)定性和抗干擾性。接收靈敏度達(dá)-130 dBm，傳輸距離達(dá)10 000 m，休眠電流低至1.5 μA，頻率410 MHz～441 MHz，有32 個(gè)信道可選，默認(rèn)工作在433 MHz，無(wú)需申請(qǐng)即可使用，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

AS32-TTL-1W 模塊具有4 種工作狀態(tài)，可在運(yùn)行時(shí)通過(guò)引腳的輸入切換狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)使用省電工作狀態(tài)和喚醒工作狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)下，消耗電流極低，極低的功耗滿(mǎn)足使用要求。4 種工作狀態(tài)如下。

1）一般工作狀態(tài)：串口和無(wú)線(xiàn)打開(kāi)。

2）省電工作狀態(tài)：串口接收關(guān)閉，無(wú)線(xiàn)處于空中喚醒模式，接收到無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)后打開(kāi)串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）喚醒工作狀態(tài)：串口和無(wú)線(xiàn)打開(kāi)，與一般工作狀態(tài)不同之處在于，此狀態(tài)下，數(shù)據(jù)包在發(fā)送之前會(huì)自動(dòng)添加喚醒碼，喚醒省電工作狀態(tài)下的接收方。

4）休眠工作狀態(tài)：無(wú)線(xiàn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，只可通過(guò)接收命令進(jìn)行參數(shù)配置。

LoRa 模塊引腳定義：MD0、MD1 作為輸入互相配合，0 和1 決定模塊的4 種工作模式。RXD 作為T(mén)TL 串口輸入，連接到外部TXD 輸出引腳，可配置為漏極開(kāi)路或上拉輸入。TXD 作為T(mén)TL 串口輸出，連接到外部的RXD 輸入引腳，可配置為漏極開(kāi)路或推免輸出。AUX 作為用于指示模塊工作狀態(tài)的用戶(hù)，喚醒外部的MCU 上電自檢初始化期間輸出低電平，可配置為漏極開(kāi)路輸出或推免輸出，VCC 電源輸入端，GND接地[4]。模塊引腳連接如圖2所示。

圖2 LoRa 模塊引腳連接圖

2.1.2 4位獨(dú)立鍵盤(pán)

在山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本次設(shè)計(jì)采用了4 位獨(dú)立鍵盤(pán)作為輸入設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與STC89C51 單片機(jī)之間的交互操作。4 位獨(dú)立鍵盤(pán)是一種常見(jiàn)的數(shù)字輸入裝置，由4 個(gè)獨(dú)立按鍵或按鈕組成，每個(gè)按鍵分別代表一個(gè)數(shù)字或功能，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的輸入和控制。4 個(gè)按鍵都與單片機(jī)的I/O 口相連，使用其中3 個(gè)，通過(guò)I/O 口來(lái)讀取按鍵的輸入狀態(tài)。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)按鍵S4、S3、S2 輸入前進(jìn)、后退、停止3 種指令，獨(dú)立鍵盤(pán)引腳圖及實(shí)物圖如圖3 所示。這種設(shè)計(jì)為山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單、直觀且有效的輸入方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的友好性和可操作性。

圖3 獨(dú)立鍵盤(pán)引腳圖及實(shí)物圖

2.1.3 LCD顯示模塊

本次設(shè)計(jì)采用LCD1602A 字符型液晶顯示模塊，其中1602 代表每行顯示16 個(gè)字符，共有2 行顯示，專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字元、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊[7]。LCD1602A 具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，使其成為山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的理想選擇。LCD1602A 模塊的引腳包括：

1）VSS：接地，用于提供LCD模塊的電源地線(xiàn)。

2）VCC：接5 V 電源，用于供給LCD模塊的工作電壓。

3）VO：接滑動(dòng)變阻器，可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)LCD亮度，實(shí)現(xiàn)背光的控制。

4）RS：為寄存器選擇，用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和命令的輸入。高電平狀態(tài)和低電平狀態(tài)分別選擇數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器。

5）RW：為對(duì)單片機(jī)的讀寫(xiě)指令，用于控制LCD的讀寫(xiě)操作。高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作[8]。

6）E：為顯示屏的輸入使能端，用于啟動(dòng)LCD顯示。

7）D0 到D7：為8 位總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，用于雙向傳輸數(shù)據(jù)和命令。

8）BLK 和BLA：分別接背光電源的正負(fù)極，用于控制LCD的背光亮度。

2.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的STC89C51 單片機(jī)上連接L298N 邏輯的7 A/160 W 雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，單片機(jī)將指令處理后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)此模塊達(dá)到控制電動(dòng)推桿的目的。7 A/160 W雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是雙H 橋結(jié)構(gòu)，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，每一路擁有7 A 大功率；寬電壓6.5 V～27 V；光耦隔離輸入信號(hào)[9]；可I/O 口直接控制，不受干擾；帶隔離和欠壓保護(hù)；符合電磁兼容EMC 設(shè)計(jì)規(guī)范，有靜電泄放回路，穩(wěn)定可靠。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 控制流程設(shè)計(jì)

本次山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用keil5 軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)，控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

2.2.2 設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)

程序編寫(xiě)主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)作為指令信息發(fā)送端的遙控器部分，主要是鍵盤(pán)輸入和LCD 顯示屏顯示以及LoRa 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；另一個(gè)在山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)上作為指令信息的接收端，主要是LoRa 模塊對(duì)數(shù)據(jù)的接收和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿的運(yùn)行。具體程序如表1～3所示。

表1 STC89C51單片機(jī)主函數(shù)代碼

表2 LoRa模塊初始化代碼

表3 串口顯示程序

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)整體測(cè)試地點(diǎn)在金湖雙洋機(jī)械有限公司場(chǎng)地，通過(guò)遙控器對(duì)山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)前進(jìn)、后退、停止3 種指令在有無(wú)裝載貨物的情況下進(jìn)行多次試驗(yàn)，得出運(yùn)輸機(jī)在遙控器操控下，能夠?qū)崿F(xiàn)任一點(diǎn)換擋，任一點(diǎn)瞬間制動(dòng)，頻繁換向及極限位置自動(dòng)停止功能，滿(mǎn)足控制系統(tǒng)所需[10]。運(yùn)輸機(jī)整體測(cè)試主要包括以下幾個(gè)方面：

1）控制距離與延遲測(cè)試?？刂凭嚯x與延遲時(shí)間結(jié)果如表4 所示。

表4 控制距離與延遲時(shí)間

此次試驗(yàn)選取了3 個(gè)各自相差大于70°的方向，分別與軌道運(yùn)輸機(jī)相距0.5 km、2 km 和5 km 的距離，在遙控器端輸入指令，通過(guò)軟件測(cè)試出軌道運(yùn)輸機(jī)端LoRa 模塊接收到指令的延遲時(shí)間，滿(mǎn)足遠(yuǎn)程精確控制的要求。

2）指令準(zhǔn)確性測(cè)試。在控制距離與延遲時(shí)間測(cè)試中，在各方向不同距離裝載貨物和空載情況下各測(cè)試10 次換擋指令。試驗(yàn)結(jié)果表明軌道山地果園運(yùn)輸機(jī)能夠根據(jù)輸入的指令進(jìn)行換擋操作，傳輸數(shù)據(jù)誤碼率幾乎為0。

3）功耗性測(cè)試。AS32-TTL-1W 型號(hào)的LoRa 模塊工作在收發(fā)模式下最大功耗在1 W 左右，接收靈敏度高達(dá)-130 dBm，休眠電流低至1.5 μA，功耗低，續(xù)航久。

4 結(jié)論

課題組基于AS32-TTL-1W 型號(hào)的LoRa 模塊設(shè)計(jì)了山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)，充分利用 LoRa模塊的傳輸距離遠(yuǎn)的特性，在山地丘陵等地形陡峭崎嶇的果園生產(chǎn)中遠(yuǎn)距離控制軌道運(yùn)輸機(jī)。本設(shè)計(jì)主要特色體現(xiàn)在：1）遠(yuǎn)距離的傳輸，其覆蓋直徑可以達(dá)到5 km；2）極短的延遲時(shí)間，數(shù)據(jù)平均傳輸時(shí)間在2 ms 以?xún)?nèi)，可以實(shí)現(xiàn)精確控制；3）功耗低，續(xù)航時(shí)間久，最大功耗在1 W 左右，休眠電流低至1.5 μA，能夠長(zhǎng)時(shí)間使用。另外本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)于以柴油機(jī)為動(dòng)力和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道運(yùn)輸機(jī)同樣適用，在其他的遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域也能得到應(yīng)用，為人們的生活提供了便利，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智慧農(nóng)業(yè)、無(wú)人農(nóng)場(chǎng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。