無人駕駛農用拖拉機行駛狀態信息遠程采集系統

唐宇++駱少明++黃偉鋒++郭俊杰++王克強++朱立學

摘要：針對因田間作業路況差異大及不確定因素多而導致無人駕駛拖拉機行駛穩定性差的問題，提出1種基于通用分組無線服務（general packet radio service，簡稱GPRS）網絡的行駛狀態信息遠程采集系統。該系統由處理器模塊、GPRS通信模塊、傳感器模塊、遠程數據中心4部分組成，通過安裝到拖拉機上的各個傳感器模塊檢測行駛過程中的振動狀態、傾斜角度和遭遇障礙物情況，借助GPRS數據業務，以用戶數據報協議（user datagram protocol，簡稱UDP）將監測數據實時傳送到遠程監控中心。經測試，系統的平均數據傳輸時間為17.4 s，可正常監測農用拖拉機的傾角超限、振動頻率和遇障情況等。該系統使用靈活、信號覆蓋面廣，為實現無人駕駛農用拖拉機的遠程監控提供了技術參考。

關鍵詞：無人駕駛；農用拖拉機；GPRS；單片機；遠程監測

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0168-04

拖拉機是重要的農業機械之一，能顯著提高田間作業的自動化程度和工作效率，其應用越來越廣泛，智能化程度也越來越高[1-2]，已有不少無人駕駛農用拖拉機試驗及實際應用的報道[3-4]。無人駕駛拖拉機機組在行走作業過程中遇到惡劣條件和突發情況的概率較大，作業方向和行距難以保證應有的精度，易造成錯誤作業甚至損傷大片農作物和土地[5-6]。因此，研制信號覆蓋范圍廣、成本低廉且具有一定實用價值的遠程多信息監測系統對于實現農用拖拉機全自動作業具有一定的現實意義。

目前，我國農用拖拉機監測系統的數量還很少，大部分監測系統還是以傳統的方法采集數據[7]。在拖拉機作業監測領域，采集數據大多是通過傳感器，采集精度可以根據選取的傳感器而定，而通信是監測過程中的重要環節[8]。由全球移動通信系統（global system for mobile communication，簡稱GSM）網絡發展而來的通用分組無線服務（general packet radio service，簡稱GPRS）數據傳輸技術具有覆蓋范圍廣、實時在線、費用低廉等特點，已廣泛應用于農業生產。本試驗擬研制無人駕駛農用拖拉機行駛狀態信息遠程采集系統，利用GPRS網絡的數據承載能力，通過相關傳感器采集振動、傾斜和遇障情況信息并發送至遠程數據中心，實現對拖拉機行駛狀態的監測。

1系統方案設計

遠程采集系統由處理器模塊、GPRS通信模塊、傳感器模塊（振動傳感器、傾斜傳感器與紅外傳感器）和遠程數據中心等4部分組成（圖1）。處理器模塊以AT89S52單片機為核心，通過異步串行口（universal asynchronous receiver transmitter，簡稱UART）與GPRS模塊連接，實現遠程數據通信，通過相應的輸入輸出（input/output，簡稱I/O）口與其他模塊進行通信，實現系統的全部軟硬件功能。

拖拉機的行駛狀態信息被傳感器實時采集后，通過GPRS分組數據包進行協議轉換，然后把這些分組數據包傳送到遠端的傳輸控制協議/因特網互聯協議（transmission control protocol/Internet protocol，簡稱TCP/IP）網絡。GPRS服務支持節點（serving GPRS support node，簡稱SGSN）和網關GPRS支持節點（gateway GPRS support node，簡稱GGSN）利用GPRS隧道協議（GPRS tunnelling protocol，簡稱GTP）對網絡協議（internet protocol，簡稱IP）分組進行封裝，并以端到端方式實現數據分組的發送和數據接收。

1.1單片機與GPRS模塊的接口設計

系統使用摩托羅拉公司生產的G20模塊實現基于GPRS網絡的數據傳輸，單片機以自帶的三線形式異步串行口與G20模塊進行數據雙向全雙工通信[9-10]，發送指令，使G20模塊完成聯網掛接、注冊登錄和短消息收發等相應操作，同時監聽接口，接收來自G20的回傳數據。由于AT89S52與G20模塊的I/O電平不一致，須通過轉換電路進行電平轉換后方可進行電氣連接，實現數據交換，該部分電路如圖2所示。電路的核心是夏普公司生產的PC817高速光耦，實現兩端電氣隔離與信息耦合傳輸。AT89S52的發送數據（transmit data，簡稱TXD）口電流輸出能力較弱，須經過7404同相驅動器才能正常點亮光耦中的發光二極管。G20開發板具有通信接口電平切換、通信接口選擇、來電顯示和信號顯示等功能，TXD口通過1個9011三極管實現邏輯反相和驅動電流增強。

1.2單片機與振動傳感器的接口設計

系統通過AT89S52單片機的T0口接收由LM393組成的電壓比較器的輸出信號采集振動的頻率信息，接口如圖3所示。振動傳感電路以RZ801S機械彈性感應器件為核心，拖拉[CM（25]機的機械振動經過RZ801S及應用電路后，轉變為振蕩電信號，在經過電壓比較、電路整形放大后輸出給單片機，單片機根據檢測到的振蕩信號頻率可感知到拖拉機行駛過程中的實際振動特點。

1.3單片機與傾斜傳感器的接口設計

傾斜傳感器在垂直懸掛狀態下受到外力作用且偏離垂直角度20°以上時，傾斜傳感器內部的開關接點動作，輸出開/關的信號；當外力消失后，傾斜傳感器內部的開關接點回復至初始狀態（圖4）。可通過調整2個傳感器在拖拉機機架上的安裝位置，根據傾斜傳感器內部接點斷/合信號輸出變化來判斷拖拉機行駛過程中的傾斜情況，以便及時采取相應的保護措施。當傳感器模塊的供電電壓為直流電（direct current，簡稱DC）+5 V時，輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此感知拖拉機的傾斜角度變化。

1.4單片機與紅外傳感器的接口設計

系統中的障礙物感測電路核心為紅外光收發對管，發射部分由40 kHz振蕩器、恒流發射發路、發射探頭等組成，振蕩器產生占空比很小的窄脈沖。恒流源提供20 mA左右的電流，可降低功耗，提高發射功率。紅外線由發射探頭聚焦，以散射角小于2°發射。接收部分由紅外線接收頭、兩級放大電路、整形和自動增益控制（automatic gain control，簡稱AGC）等電路組成。通過調整可變電阻的阻值可以改變檢測距離， 接收信號經放大電路放大后可控制圖中的繼電器斷/合，并給AT89S52單片機提供電平信號，即將障礙物的有無變化轉換為高低電平的變化（圖5）。

2系統的軟件設計

無人駕駛拖拉機行駛狀態信息遠程采集系統的機載端軟件設計采用C語言編寫，分為單片機主程序和子程序2大部分。主程序主要完成系統中各功能單元的初始化工作（圖6），并不斷發出控制命令，采集各傳感器模塊輸出的檢測信息，實時地將數據通過GPRS網絡傳送到遠程數據中心。子程序實現系統的各個子功能，主要包括振動、傾斜、紅外信息采集程序和遠程通信程序等模塊。

2.1振動信息采集程序

振動傳感器模塊輸出的信號為脈沖信號，這里使用單片機的定時/計數器0（T0）進行定時，采用定時/計數器1（T1）進行計數，即通過設置使T0定時1 s，滿1 s時讀取T1的計數值并進行換算，可得到拖拉機的機架振動頻率數據，單片機采集振動信息的程序流程見圖7。

2.2傾斜信息采集

系統通過AT89S52單片機的P1.0、P1.1口讀取傾斜傳感器模塊中的2個機械彈性開關的閉合狀態，根據這2個普通I/O口的4種電平狀態組合可以判定拖拉機的傾斜狀態，該部分程序流程如圖8所示。

2.3紅外信息采集程序

拖拉機行駛過程中的障礙物檢測通過紅外傳感器模塊實現，通過AT89S52單片機的P1.2、P1.3口控制紅外發光二極管的發光狀態，使用單片機的外部中斷0接口接收經過放大整形處理后的紅外反射信號，即在設定距離內遇到障礙物時會觸發單片機的1次外部中斷，在中斷服務程序中實現遇障狀況的記錄，該部分程序流程如圖9所示。

2.4遠程通信程序

采集系統的遠程通信功能以發送GPRS遠程數據信息[11]的方式實現，通過單片機向G20發送以ASCⅡ字符代碼組成的標準格式的AT（attention）指令實現，首先建立GPRS連接，然后打開1個通信端口，接著將數據壓入發送棧以用戶數據報協議進行發送，程序流程如圖10所示。

3系統運行測試

將本系統安裝到具有加裝了自動導航功能的東方紅LX904拖拉機上（圖11）。在廣州市從化區街口鎮的從化華隆果菜保鮮有限公司的試驗田進行測試，遠程數據中心放置在該公司連接了Internet的辦公樓內。

測試時，首先校準機載系統和遠程數據中心的時間，然后讓拖拉機沿直線路徑以2 m/s的速度行駛約500 m，其間隨機統計了12個數據收發時間間隔。結果表明，發送接收時間間隔最大值為19.3 s，最小值為15.7 s，平均發送接收時間間隔17.4 s（表1）。傾角上限預設為25°，遇障距離設為 70 cm，隨機記錄了數據中心保存的15組監測數據（表2）。

4結論

無人駕駛農用拖拉機行駛狀態信息遠程采集系統實現了對田間作業拖拉機的振動、傾角和遇障情況的無線遠程監測，克服了傳統有線傳輸方式和普通射頻電臺數傳方式的傳輸距離局限性。結果表明，該系統軟硬件設計合理，具有良好的擴展性，在此基礎上可以掛接更多的傳感器模塊，實現對農用拖拉機更多參數的檢測，能較好地滿足行駛過程中拖拉機多參數監測的需要。該系統使用靈活、安裝簡便、成本較低，不僅能應用在農用拖拉機遠程監測領域，還可以推廣到其他田間作業設備的運行狀態檢測領域，為實現無人駕駛農用拖拉機的遠程監控提供了技術參考。

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