王艷平

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院,鄭州 450000)

0 引言

蘋果采摘過程是蘋果種植的關(guān)鍵環(huán)節(jié),自動(dòng)采摘過程要求能夠保證采摘質(zhì)量且提高采摘作業(yè)效率。蘋果采摘機(jī)作業(yè)時(shí),先按照設(shè)定參數(shù)對(duì)采摘對(duì)象進(jìn)行篩選,采摘后對(duì)采摘對(duì)象進(jìn)行分類。利用采摘機(jī)可有效提高采摘作業(yè)速度,同時(shí)保持較高的采摘作業(yè)效率[1-3]。采摘過程是相對(duì)獨(dú)立和封閉的工作過程,一般通過采摘后的分類情況判斷采摘質(zhì)量。為此,設(shè)計(jì)了一種采摘狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠有效地改善采摘質(zhì)量監(jiān)測(cè)過程,實(shí)現(xiàn)采摘環(huán)節(jié)的透明化和信息數(shù)據(jù)自動(dòng)化[4-5]。

在此,利用數(shù)據(jù)通信的方式設(shè)計(jì)一種采摘作業(yè)過程監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),對(duì)采摘過程實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并傳輸至顯示終端,以實(shí)現(xiàn)采摘過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采摘數(shù)據(jù)的自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)。

1 蘋果采摘機(jī)監(jiān)測(cè)控制

圖1所示為蘋果采摘機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖。在采摘過程中,蘋果計(jì)數(shù)傳感裝置利用光電信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),并利用單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行采摘頻率和采摘數(shù)量的統(tǒng)計(jì)[6]。傳感裝置數(shù)據(jù)信息經(jīng)通信系統(tǒng)傳輸至顯示終端,對(duì)蘋果采摘機(jī)作業(yè)過程狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行顯示分析[7]。

圖1 蘋果采摘機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Working condition monitoring system block diagram of apple picker

2 采摘機(jī)監(jiān)測(cè)控制硬件結(jié)構(gòu)

蘋果采摘機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用較高靈敏度的壓電薄膜,自帶屏蔽功能,可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)過程的光電效應(yīng),主要包含信號(hào)解調(diào)電路和單片機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行過程要求功耗低,且具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力,數(shù)據(jù)分析傳輸過程具有較高的穩(wěn)定性[8-9]。單片機(jī)中的時(shí)間終端程序?qū)μO果采摘過程時(shí)間間隔進(jìn)行快速捕獲,并利用RGB信號(hào)進(jìn)行采摘對(duì)象的狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示[10]。蘋果采摘機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,工作過程中要求有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性,同時(shí)保證狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不低于90%。

蘋果采摘機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程所用通信系統(tǒng)主要為無線收發(fā)模塊,利用通信數(shù)據(jù)算法將蘋果采摘過程狀態(tài)發(fā)送至顯示終端。通信系統(tǒng)選用通信數(shù)據(jù)算法工作頻率為2.4GHz,單個(gè)通道可進(jìn)行32字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸,通信系統(tǒng)協(xié)議采用應(yīng)答模式對(duì)6通道數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交互,保證狀態(tài)參數(shù)與顯示終端之間能夠無阻塞進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[11]。

蘋果采摘機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示終端集成單片機(jī)系統(tǒng)功能、顯示功能、無線數(shù)據(jù)傳輸功能及輸入輸出功能,工作頻率為33MHz,工作電壓3.3V,采用通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行信號(hào)接收與發(fā)送,并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能[12]。

3 采摘機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證蘋果采摘機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,同時(shí)不產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸沖突,選用應(yīng)答模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖2所示為通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。工作時(shí),終端顯示設(shè)備向系統(tǒng)傳感裝置發(fā)送清零指令,并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,傳感裝置收到相關(guān)指令后,進(jìn)行數(shù)據(jù)置零或初始化,包含數(shù)據(jù)傳輸過程、等待過程及應(yīng)答過程[13]。

圖2 通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議Fig.2 Communication system data transmission protocol

蘋果采摘機(jī)通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶铑愋椭饕譃閭鬏斝椭噶詈颓辶阒噶?指令長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié),數(shù)據(jù)傳輸過程中傳輸型指令字節(jié)均設(shè)置為0xff,清零指令字節(jié)均設(shè)置為0x01。數(shù)據(jù)傳輸過程中,數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為13個(gè)字節(jié),字節(jié)定義如表1所示。其中,1號(hào)字節(jié)和2號(hào)字節(jié)為計(jì)數(shù)裝置信息,3號(hào)字節(jié)為檢索信息數(shù)據(jù),在傳輸過程中,每隔1s檢索數(shù)據(jù)加1;當(dāng)檢索值超過150時(shí),檢索信息數(shù)據(jù)強(qiáng)制賦值為1。4號(hào)字節(jié)、5號(hào)字節(jié)、6號(hào)字節(jié)、7號(hào)字節(jié)及8號(hào)字節(jié)分別表示第Ks的采摘頻率、第(K-1)s的采摘頻率、第(K-2)s的采摘頻率、第(K-3)s的采摘頻率及第(K-4)s的采摘頻率;9號(hào)字節(jié)為終端顯示標(biāo)志;10號(hào)字節(jié)表示數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)通道,對(duì)傳感裝置和顯示終端之間所選用通道的一致性進(jìn)行校驗(yàn);11號(hào)字節(jié)表示采摘成功數(shù);12號(hào)字節(jié)表示漏采數(shù);13號(hào)字節(jié)為數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼,用1號(hào)字節(jié)至12號(hào)字節(jié)值的和表示,對(duì)傳感裝置和顯示終端數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行校驗(yàn)。

表1 數(shù)據(jù)包字節(jié)定義Table 1 Packet byte definition

數(shù)據(jù)包定義可有效滿足數(shù)據(jù)傳輸需求,每次進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)為當(dāng)前時(shí)間前5s數(shù)據(jù),當(dāng)發(fā)送過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象時(shí),可利用丟失數(shù)據(jù)后的4個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù),以減少數(shù)據(jù)傳輸過程中丟失數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響,有效提高數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性和準(zhǔn)確性[14]。

監(jiān)測(cè)過程中,傳感裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過程的信息交互兩個(gè)過程,關(guān)鍵點(diǎn)可以描述為采摘數(shù)量、采摘頻率以及采摘時(shí)間間隔等信息數(shù)據(jù),計(jì)算平均采摘時(shí)間間隔可用來設(shè)置系統(tǒng)工作時(shí)間間隔,并將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端顯示裝置。圖3所示為傳感裝置數(shù)據(jù)采集傳輸流程圖。

采摘機(jī)傳感裝置啟動(dòng)后,單片機(jī)系統(tǒng)隨之進(jìn)行初始化,主要完成定時(shí)器和時(shí)間中斷及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的初始化。定時(shí)器參數(shù)設(shè)定為1s時(shí),用于確定計(jì)數(shù)頻率。定時(shí)器參數(shù)設(shè)定為0.5s時(shí),用于進(jìn)行顯示裝置信號(hào)燈的控制閃爍。通信數(shù)據(jù)傳輸設(shè)定為接收模式。傳感裝置單片機(jī)系統(tǒng)利用中斷程序進(jìn)行脈沖序列采集,由此獲取采摘數(shù)量和采摘時(shí)間間隔等時(shí)間序列。

在常態(tài)工作過程中,通信系統(tǒng)主程序不斷進(jìn)行是否接收到指令的信息判斷,當(dāng)接收到清零指令時(shí),將采摘數(shù)量、采摘頻率及采摘時(shí)間間隔清零;當(dāng)接收到數(shù)據(jù)傳輸指令時(shí),無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將工作模式設(shè)定為發(fā)送模式,并經(jīng)數(shù)據(jù)包信息顯示于終端裝置上。

蘋果采摘機(jī)終端顯示系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與信息顯示時(shí),主要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)接受及利用圖標(biāo)曲線信息進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。圖4所示為蘋果采摘機(jī)終端顯示流程圖。

圖4 蘋果采摘機(jī)終端顯示流程圖Fig.4 Terminal display flow chart of apple picker

4 系統(tǒng)試驗(yàn)分析

為對(duì)蘋果采摘機(jī)工作過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、可靠性及準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,設(shè)計(jì)3種不同采摘頻率的方式進(jìn)行采摘監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,采用6路傳感通道同時(shí)進(jìn)行采摘數(shù)據(jù)采集,設(shè)計(jì)采摘機(jī)主電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為10、20、30r/min,當(dāng)每次人工計(jì)數(shù)為1000時(shí),停止采摘,記錄此時(shí)傳感裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和顯示終端的顯示數(shù)據(jù),并用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的比值表示監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率,用終端顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的比值表示顯示準(zhǔn)確率,二者之間的相對(duì)偏差值表示通信準(zhǔn)確率。表2所示為采摘監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 蘋果采摘監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Apple picking monitoring test data

由表2數(shù)據(jù)可以看出:傳感裝置監(jiān)測(cè)到的采摘數(shù)量小于實(shí)際采摘數(shù)量,終端顯示數(shù)量小于傳感裝置監(jiān)測(cè)到的采摘數(shù)量,采摘監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率大于90%,通信中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差量小于4%。

5 結(jié)論

基于數(shù)據(jù)通信算法設(shè)計(jì)了一種蘋果采摘機(jī)監(jiān)測(cè)傳感裝置與顯示終端之間的通信系統(tǒng),可對(duì)采摘過程狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并通過試驗(yàn)方式對(duì)監(jiān)測(cè)傳感裝置與顯示終端的通信可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。