播種機播種質量監測系統研究—基于嵌入式Linux和ZigBee

王麗娟,李東琦

(1.焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院,河南 焦作 454000;2.安陽師范學院,河南安陽 455000)

0 引言

隨著計算機技術和微電子技術的迅速發展,嵌入式系統應用領域越來越廣泛。嵌入式系統一般指非PC系統,有計算機功能但又不稱之為計算機的設備或器材。它以應用為中心,軟硬件可裁減,適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性要求嚴格的專用計算機系統。嵌入式系統主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統及用戶的應用程序等4個部分組成,是集軟硬件于一體的可獨立工作的"器件"。如果將嵌入式系統引入到播種機的播種質量監測系統上,不僅可以降低監測裝置的復雜性和體積,還可以有效地提高監測系統的效率和質量,對于播種機的設計具有重要的意義。

1 播種機自動監測和遠程控制系統

我國是農業大國,很多地區農業種植面積較大,適合采用農機自動化生產作業。在我國北方大部分地區的主要糧食作物采用一穴一粒的播種方式,如果使用播種質量的自動監測系統可以實現精量化播種。采用自動化播種機可以根據作物的要求行距、株距和深度來播種,與傳統人工作業方式相比,自動化精量播種可以節省種子和人力,使作物在一定程度上增產。圖1為一種自動化程度較高的氣力式播種機。

圖1 氣力式精密播種機

氣力式播種機一般分為兩種,分別是氣吸式和氣吹式,自動化程度都較高。氣力式播種機在作業時采用的是全封閉的形式,單靠農機操作員無法直接有效地觀察其播種作業的質量,如排種箱空缺、排種管阻塞及機械故障等。這些故障會造成播種的漏播或者重播現象,因此需要在播種機內部安裝播種質量監測系統,以提高播種機的自主作業水平。

圖2為Herriau研制的一種排種管傳感器監測裝置,該裝置采用光電傳感器。有種子排出時,傳感器會進行計數;沒有種子通過或者種子在規定時間內多次通過時,裝置會進行報警。工作時,監測系統的框架結構如圖3所示。

通過傳感器對播種質量進行監測后,將模擬信號轉換為數字信號,利用ZigBee無線網絡傳送給嵌入式Linux系統進行處理,再利用通信網絡傳送給遠程監控端進行數據分析;通過數據分析遠程監控端對播種質量進行評價,如果發生播種質量較差的情況,農機遠程管理員會發送控制指令,通過通信網絡和ZigBee發送指令給播種操作人員;操作人員根據指令對農機進行相應的檢查,確定故障原因后對農機進行調整,以提高農機作業的質量和效率。

圖2 排種管傳感器監測裝置

圖3 播種機質量監測系統和遠程控制系統框架

2 播種機自動監測系統設計

嵌入式Linux系統的兼容性較強,可以應用到車載系統、WAP手機、PDA和掌上電腦等可移動設備上,能夠提高系統的智能化水平。ZigBee的應用前景較好,在無線定位、工業控制自動化、汽車自動化等領域應用廣泛。在農業上,利用ZiBee和傳感器設備可以完成數據的自動采集,數據的分析和處理也變得非常容易,還可以作為農機管理人員的輔助決策系統。基于嵌入式Linux和ZiBee的播種機自動控制系統框架如圖4所示。

整個系統主要是由8部分組成,包括圖像采集和識別模塊、光電信號采集模塊、ZigBee網絡、視頻采集模塊、視頻壓縮模塊、嵌入式Linux系統、自動報警系統、通信網絡和遠程監控端。其中,視頻采集模塊主要負責采集實時圖像,對圖像進行壓縮處理后直接傳送到遠程監控端;圖像識別模塊可以對實時作業情況進行圖像采集,并利用ZigBee網絡傳送給嵌入式Linux系統進行圖像處理和數據分析;根據采集的圖像信息判斷是否報警,報警后會將報警信息傳送給遠程農機管理員;光電信息的采集主要是利用傳感器對播種機的播種質量進行監測,并利用ZigBee網絡將采集得到的數據傳送給嵌入式Linux系統進行數據分析,如果發現數據異常則會發出報警。嵌入式Linux系統是數據處理分析以及系統控制的關鍵,在播種機車載系統安裝嵌入式Linux系統的主要流程如圖5所示。

圖4 基于嵌入式Linux和ZigBee的播種機自動控制系統框架

圖5 車載嵌入式Linux系統安裝流程

系統工作時,首先啟動VMware軟件,新建主機后進入下一步流程;然后再虛擬配置界面,可以選擇典型或者自定義方式,設置虛擬主機的一些參數;最后,點擊下一步便可以進入操作系統的選擇。本次選用Linux系統,虛擬主機的界面還可以設定密碼,方便登錄和退出的安全性。

圖6 建立數據端口

為了實現嵌入式Linux系統與傳感器及通信網絡的實時通信,需要對通信端口進行設置,如圖6所示。首先創建一個端口,名稱設置為123456,然后進行端口選擇,如圖7所示。

圖7 數據端口選擇

在連接時使用端口的下拉菜單,根據設備的需求來選擇相應的端口編號,設置完成后可以對端口的參數進行設置,如圖8所示。

圖8 數據端口參數設置

選擇好數據端口后,可以對端口參數進行設置。本次設置每秒位數選擇115 200,數據流控制選擇無;系統搭建完成后,可以將嵌入式系統移植到播種機的車載終端,然后對其性能進行測試。

3 自動監測系統性能測試

為了驗證基于嵌入式Linux和ZigBee的控制系統的可行性,將系統安裝在了播種機車載裝置上,并通過對重播、漏播和阻塞故障的監測對系統進行測試。系統測試基本原理如圖9所示。

圖9 系統測試基本原理

對播種質量的監測采用紅外光感傳感器,當種子有規律地通過排種管道時,會遮擋紅外線,光信號此時轉變為電信號輸出,LED等會有規律地閃爍并累計播種量;當發生漏播、重播及管道阻塞時,脈沖信號會發生異常,報警器會發出光聲信號來顯示故障的種類及部位,蜂鳴器發聲報警,根據故障的種類進行故障修復。

對ZigBee數據傳輸的準確性進行驗證,檢測數據傳輸的速度和響應時間直接影響系統的靈敏度和準確性,如表1所示。由表1可以看出:ZigBee的響應時間較快,丟包率較低,可以滿足系統的需求。

表1 ZigBee響應時間和丟包率

為了進一步驗證系統監測的準確性,分別對人工監測量和系統監測量進行了統計,并進行了多次試驗,結果如表2所示。由表2可知:系統監測量和人工監測量基本吻合,從而驗證了監測系統的可靠性。

表2 系統監測量和人工監測量對比

對安裝自動監測系統的播種機播種質量進行了測試,如表3所示。測試結果表明:安裝自動監測系統后播種機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 重播率和漏播率監測

4 結論

為了進一步提高精量播種機監測系統的效率和質量,在系統的設計上引入了嵌入式Linux系統和ZigBee網絡,降低了監測系統的復雜程度及硬件體積,提高了系統的靈敏度和監測精度。為了驗證方案的可行性,對系統的通信性能、監測質量及安裝監測系統后的播種機重播與漏播率進行了測試,結果表明:基于ZigBee的通信網絡響應快,通信丟包率較低。將人工監測和系統監測進行了對比發現,系統和人工監測結果基本吻合,驗證了系統的可靠性。安裝監測系統后的播種機重播和漏播率都較低,可以滿足高精度播種機監測系統的設計需求。