耕作部件性能試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)—基于ZigBee和LabVIEW

孫志全，楊 洲，孫健峰，熊平原，黃楊清，陳華明

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 廣東 廣州 510642；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510225)

0 引言

耕作部件性能試驗(yàn)臺是研制新型耕作部件的必要設(shè)備，能夠檢測耕作部件工作性能并優(yōu)化其參數(shù)[1-3]。與田間檢測相比，使用耕作部件性能試驗(yàn)臺檢測具有檢測成本低、土壤因素可控及不受季節(jié)等因素影響的優(yōu)勢，傳統(tǒng)耕作部件性能試驗(yàn)臺、傳感器和PC機(jī)及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通常使用電纜通訊[4-5]。

由于信號線和電源線并行布線，信號傳輸受到嚴(yán)重干擾，尤其在控制單元中使用變頻器的情況下，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大大降低。若電源線和信號線分開布線則增加了布線難度，增加試驗(yàn)人員安全隱患，并且電纜要防潮、防鼠，提高了試驗(yàn)臺制造和維護(hù)成本。

ZigBee 是一種近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用在智能家居、智能交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，且表現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)越性[6-9]。本文采用以CC2530為核心的ZigBee 模塊，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺，研制了耕作部件性能試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)。試驗(yàn)人員可在PC端在線檢測耕作部件工作性能并調(diào)整其工作參數(shù)。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的無線測控系統(tǒng)基于現(xiàn)有耕作部件性能試驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)臺示意圖如圖1所示，耕作臺車示意圖如圖2所示。

1.配電柜 2.牽引驅(qū)動系統(tǒng) 3.鋼絲繩 4.軌道 5.耕作臺車 6.土槽圖1 耕作部件性能試驗(yàn)臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of performance testing platform for tillage parts

無線測控系統(tǒng)由PC測控端、ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分組成，每個傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)與1個ZigBee模塊連接，構(gòu)成ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端,如圖3所示。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)PC端和終端節(jié)點(diǎn)之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)，采集終端讀取待測數(shù)據(jù)并發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過RS232與PC測控端通訊，PC測控端發(fā)送執(zhí)行命令，由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給控制終端。PC測控端基于LabVIEW搭建可視化數(shù)據(jù)處理平臺，實(shí)時檢測并顯示耕作部件性能參數(shù)，調(diào)整耕作部件工作參數(shù)。

1.電動機(jī) 2.帶輪 3.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 4.電動推桿 5.變速箱 6.傾角傳感器 7.臺車機(jī)架 8.行走輪 9.導(dǎo)向輪 10.三維力傳感器圖2 耕作臺車示意圖Fig.2 Sketch map of tillage trolley

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 模擬量輸出傳感器終端設(shè)計

使用CC2530芯片作為ZigBee模塊處理器核心，CC2530集成了比標(biāo)準(zhǔn)8051MCU執(zhí)行更快增強(qiáng)型8051內(nèi)核、256kB可編程Flash和8kB RAM，還提供了廣泛的外設(shè)集—包括2個USART、8個獨(dú)立通道、12位ADC和21個通用GPIO，只需簡單的外圍電路即可構(gòu)建一個ZigBee節(jié)點(diǎn)[10]。傳感器組由旋轉(zhuǎn)編碼器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、三維力傳感器及傾角傳感器和接近開關(guān)組成。其中，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測臺車前進(jìn)速度、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測主動耕作部件工作扭矩和工作轉(zhuǎn)速，三維力傳感器檢測被動耕作部件三維耕作阻力，傾角傳感器檢測主動耕作部件耕深，接近開關(guān)安裝在距軌道盡頭一定距離處，檢測臺車是否超過安全界線。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動推桿，用來調(diào)節(jié)主動耕作部件耕深。ZigBee模塊硬件設(shè)計如圖4所示。

圖4 Zigbee模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Zigbee module hardware structure diagram

2.2 數(shù)字量輸出傳感器終端設(shè)計

在工程應(yīng)用中，常將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為圓周運(yùn)動，通過檢測測速輪轉(zhuǎn)速的方式來檢測被測對象直線速度。本文采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量臺車前進(jìn)速度[11]，旋轉(zhuǎn)編碼器具有體積小、成本低、精度高、安裝方便及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在旋轉(zhuǎn)編碼器安裝測速輪，臺車前進(jìn)時，測速輪在軌道面上滾動，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖信號，CC2530讀取脈沖信號，計算出臺車前進(jìn)速度。系統(tǒng)選用歐姆龍E6B2-CWZ6C 100P/R 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，測速輪每轉(zhuǎn)1周，編碼器輸出100個脈沖信號。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差為90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向；而Z相為每轉(zhuǎn)1個脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位；接合CC2530后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角速度測量較絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價和簡易的優(yōu)勢。旋轉(zhuǎn)編碼器與CC2530連接電路如圖5所示。

2.3 模擬量輸出傳感器終端設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計使用的傾角傳感器和三維力傳感器輸出的是電壓信號。傾角傳感器采用深圳瑞芬科技有限公司研制的MCA410型傾角傳感器，量程±90°；三維力傳感器采用蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司研制的JDS型三維力傳感器，量程Fx=Fy=Fz=2kN。CC2350內(nèi)置8個獨(dú)立輸入通道12位ADC，可接受單端或差分信號，不需要增加其他芯片即可對主動耕作部件耕深和被動耕作部件三維工作阻力進(jìn)行檢測。由于CC2530參考電壓3.3V，傳感器輸出電壓最大5V，需要對傳感器輸出信號進(jìn)行分壓。本文使用美信MAX5490高精度分壓器進(jìn)行分壓，電路如圖6所示。

圖5 數(shù)字信號輸出傳感器電路設(shè)計Fig.5 Design of digital signal output sensor circuit

圖6 模擬信號輸出傳感器電路設(shè)計Fig.6 Design of analog signal output sensor circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及試驗(yàn)分析

3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

基于TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0 -1.4.0 協(xié)議棧，利用IAR Embedded WorkbenchV7.60 for 8051集成開發(fā)平臺設(shè)計系統(tǒng)軟件。當(dāng)無線測控系統(tǒng)開始工作時，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)上電之后將根據(jù)預(yù)先定義的網(wǎng)絡(luò)編號PANID，啟動并組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 等待路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求;組網(wǎng)后，各個傳感終端開始采集信息，將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行初始化工作，然后進(jìn)入OSAL任務(wù)主循環(huán)即while循環(huán)，系統(tǒng)在此循環(huán)中主要執(zhí)行檢查和處理事件程序工作，完成讀取傳感器信息、收發(fā)數(shù)據(jù)等任務(wù)。ZigBee工作流程圖如圖7所示。

圖7 Zigbee工作流程圖Fig.7 Zigbee workflow diagram

3.2 PC測控端軟件設(shè)計

試驗(yàn)室虛擬儀器平臺(LabVIEW)是美國國家儀器公司(簡稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，使用G語言(圖形化編輯語言)編程，其應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了工業(yè)自動化、測試測量、嵌入式應(yīng)用、運(yùn)動控制、圖像處理及計算機(jī)仿真等眾多領(lǐng)域。在LabVIEW開發(fā)環(huán)境里，通過VISA對串口通信參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗(yàn)等進(jìn)行配置，使用VISA Read 讀取ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，使用VISA Write把命令發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制終端[12-13]。LabVIEW PC測控端界面如圖8所示。

為避免協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)接受多個終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)混淆，系統(tǒng)為每個采集終端分配編號A、B、C等，控制終端分配編號a、b、c等；PC測控端接收到數(shù)據(jù)后，判斷節(jié)點(diǎn)編號再做相應(yīng)處理。在程序設(shè)計過程中，庫函數(shù)的調(diào)用，很大程度上降低了編程難度。LabVIEW可設(shè)計友好的用戶界面，將讀取的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果直觀顯示在前面板上[17]。為了便于以后對數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢和分析，系統(tǒng)可對測試數(shù)據(jù)以電子表格文件進(jìn)行存儲、繪圖及打印等。

圖8 PC端測控軟件Fig.8 Structure of elevating mechanism

3.3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所設(shè)計基于無線測控系統(tǒng)的實(shí)用性和數(shù)據(jù)采集精確性，在耕作部件性能試驗(yàn)臺上對并列旋耕式開溝器工作性能進(jìn)行檢測。以工作扭矩為試驗(yàn)指標(biāo), 以耕深10cm，轉(zhuǎn)速320r/min，前進(jìn)速度為0.1、0.2、0.3m/s設(shè)計單因素試驗(yàn)[14]。試驗(yàn)臺如圖9所示，開溝器安裝圖如圖10所示。

圖9 耕作部件性能試驗(yàn)臺Fig.9 Performance testing platform of tillage parts

圖10 并列旋耕式開溝器安裝圖Fig.10 Parallel disc opener installation diagram

試驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示。由圖11得出：并列旋耕式開溝器運(yùn)行時，工作扭矩在一定范圍內(nèi)波動，當(dāng)測點(diǎn)位移在2.75m和3.75m附近時，0.3m/s的工作扭矩小于0.2m/s的工作扭矩。分析原因：可能是在這兩測點(diǎn)附近，土壤硬度差異較大造成的，因此通過試驗(yàn)臺試驗(yàn)檢測耕作部件性能，仍需采用重復(fù)試驗(yàn)取均值的方法提高試驗(yàn)結(jié)果可靠性。

圖11 開溝器工作扭矩隨位移變化曲線圖Fig.11 Working torque change curve with displacement curve

圖12 開溝器平均工作扭矩隨速度變化曲線圖Fig.12 Average working torque change curve with speed

圖12表明：當(dāng)速度從0.1m/s增加到0.2m/s時，開溝器平均工作扭矩從9.14N·m增加到20.55N·m，增加了55.51%；當(dāng)速度從0.2m/s增加到0.3m/s時，開溝器平均工作扭矩從20.55N·m增加到25.72N·m，增加了20.12%。在耕深10cm、轉(zhuǎn)速320r/min條件下，并列旋耕式開溝器工作扭矩與機(jī)組前進(jìn)速度成正比，但隨前進(jìn)速度增加工作扭矩增速變緩。試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計耕作部件性能試驗(yàn)臺無線測控系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足耕作部件性能測試試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和LabVIEW的耕作部件性能試驗(yàn)臺無線測控系統(tǒng)，闡述了以CC2530芯片為硬件核心構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，使用IAR開發(fā)環(huán)境基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧完成無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計過程，并基于LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境，研制了系統(tǒng)測控軟件。終端節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和PC測控端之間通過RS232串口通信， PC端測控軟件執(zhí)行對試驗(yàn)臺運(yùn)行狀態(tài)和耕作部件工作參數(shù)的檢測與控制。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有實(shí)時顯示、參數(shù)控制及報警等功能，可實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)臺耕作刀盤轉(zhuǎn)速和臺車運(yùn)行速度的閉環(huán)控制，且運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)計的耕作部件性能試驗(yàn)臺無線測控系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)臺布線復(fù)雜及信號傳輸干擾大的問題，為耕作部件性能試驗(yàn)臺測控設(shè)計提供一種方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于艷， 龔麗農(nóng)，尚書旗.農(nóng)機(jī)土槽試驗(yàn)動力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2011(S1):323-328.

[2] 洪添勝，羅錫文，王衛(wèi)星，等.室內(nèi)土槽計算機(jī)測試系統(tǒng)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究， 1999(4):50-53.

[3] 王衛(wèi)星，羅錫文，區(qū)穎剛，等.土槽試驗(yàn)計算機(jī)模擬加載系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 1997(4):32-35.

[4] 潘世強(qiáng)，操子夫，趙婉寧，等.微型土槽試驗(yàn)臺的優(yōu)化設(shè)計與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2015,37(10):144-146,262.

[5] 劉春鴿，王曉燕.土壤耕作部件測試裝置的設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2014,36(8):70-73.

[6] 武彥，劉子帆，何東健,等.奶牛體溫實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2012,34(6):148-152.

[7] 尹彥鑫，鄭永軍，徐博,等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的耕種機(jī)具空間力監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2013(8):62-68.

[8] 舍樂莫， 楊瑞成，王彪.播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計——基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2016,38(10):203-207.

[9] 趙榮陽， 王斌，姜重然.基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2016,38(6):244-248.

[10] 王鑫， 潘賀，楊簡.基于CC2530的ZigBee無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2014(3):217-220,238.

[11] 楊洪扣， 劉軍，李麗宏.一種基于旋轉(zhuǎn)編碼器的車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置[J].中國測試， 2014(3):80-84.

[12] 湘董，鄒國奎.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程測控方法研究[J].自動化儀表， 2006,27(1):6-8.

[13] 丁宇康.基于LabVIEW的測控平臺的構(gòu)建[J].電子測量技術(shù)， 2007,30(11):148-151.

[14] 葉強(qiáng). 葡萄園小型開溝機(jī)開溝部件設(shè)計與試驗(yàn)[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：38-40.