基于通信數據算法的智能采摘機通信系統設計

王艷平

(河南工業貿易職業學院,鄭州 450000)

0 引言

蘋果采摘過程是蘋果種植的關鍵環節,自動采摘過程要求能夠保證采摘質量且提高采摘作業效率。蘋果采摘機作業時,先按照設定參數對采摘對象進行篩選,采摘后對采摘對象進行分類。利用采摘機可有效提高采摘作業速度,同時保持較高的采摘作業效率[1-3]。采摘過程是相對獨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量。為此,設計了一種采摘狀態實時監測系統,能夠有效地改善采摘質量監測過程,實現采摘環節的透明化和信息數據自動化[4-5]。

在此,利用數據通信的方式設計一種采摘作業過程監測與數據傳輸系統,對采摘過程實時狀態數據進行監測,并傳輸至顯示終端,以實現采摘過程的實時監測和采摘數據的自動化統計。

1 蘋果采摘機監測控制

圖1所示為蘋果采摘機作業狀態監測系統框圖。在采摘過程中,蘋果計數傳感裝置利用光電信號進行計數,并利用單片機系統時間進行采摘頻率和采摘數量的統計[6]。傳感裝置數據信息經通信系統傳輸至顯示終端,對蘋果采摘機作業過程狀態和相關參數進行顯示分析[7]。

圖1 蘋果采摘機作業狀態監測系統框圖Fig.1 Working condition monitoring system block diagram of apple picker

2 采摘機監測控制硬件結構

蘋果采摘機作業狀態監測系統采用較高靈敏度的壓電薄膜,自帶屏蔽功能,可實現計數過程的光電效應,主要包含信號解調電路和單片機。系統運行過程要求功耗低,且具有較強的數據運算能力,數據分析傳輸過程具有較高的穩定性[8-9]。單片機中的時間終端程序對蘋果采摘過程時間間隔進行快速捕獲,并利用RGB信號進行采摘對象的狀態監測顯示[10]。蘋果采摘機作業狀態監測系統結構緊湊,工作過程中要求有較高的系統穩定性,同時保證狀態監測過程的數據準確度不低于90%。

蘋果采摘機作業狀態監測過程所用通信系統主要為無線收發模塊,利用通信數據算法將蘋果采摘過程狀態發送至顯示終端。通信系統選用通信數據算法工作頻率為2.4GHz,單個通道可進行32字節數據傳輸,通信系統協議采用應答模式對6通道數據進行相互交互,保證狀態參數與顯示終端之間能夠無阻塞進行數據傳輸[11]。

蘋果采摘機作業狀態監測系統顯示終端集成單片機系統功能、顯示功能、無線數據傳輸功能及輸入輸出功能,工作頻率為33MHz,工作電壓3.3V,采用通信數據傳輸的方式進行信號接收與發送,并對監測數據進行分析處理,實現人機交互功能[12]。

3 采摘機通信系統設計

為保證蘋果采摘機系統運行過程中數據傳輸穩定,同時不產生數據傳輸沖突,選用應答模式進行數據通信。圖2所示為通信系統數據傳輸協議。工作時,終端顯示設備向系統傳感裝置發送清零指令,并進行數據傳輸,傳感裝置收到相關指令后,進行數據置零或初始化,包含數據傳輸過程、等待過程及應答過程[13]。

圖2 通信系統數據傳輸協議Fig.2 Communication system data transmission protocol

蘋果采摘機通信系統進行數據傳輸的指令類型主要分為傳輸型指令和清零指令,指令長度為2個字節,數據傳輸過程中傳輸型指令字節均設置為0xff,清零指令字節均設置為0x01。數據傳輸過程中,數據包長度設計為13個字節,字節定義如表1所示。其中,1號字節和2號字節為計數裝置信息,3號字節為檢索信息數據,在傳輸過程中,每隔1s檢索數據加1;當檢索值超過150時,檢索信息數據強制賦值為1。4號字節、5號字節、6號字節、7號字節及8號字節分別表示第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號字節為終端顯示標志;10號字節表示數據傳輸信號通道,對傳感裝置和顯示終端之間所選用通道的一致性進行校驗;11號字節表示采摘成功數;12號字節表示漏采數;13號字節為數據校驗碼,用1號字節至12號字節值的和表示,對傳感裝置和顯示終端數據一致性進行校驗。

表1 數據包字節定義Table 1 Packet byte definition

數據包定義可有效滿足數據傳輸需求,每次進行數據發送時數據為當前時間前5s數據,當發送過程中出現數據丟失現象時,可利用丟失數據后的4個數據包進行數據恢復,以減少數據傳輸過程中丟失數據產生的影響,有效提高數據傳輸過程的可靠性和準確性[14]。

監測過程中,傳感裝置進行數據采集和數據傳輸過程的信息交互兩個過程,關鍵點可以描述為采摘數量、采摘頻率以及采摘時間間隔等信息數據,計算平均采摘時間間隔可用來設置系統工作時間間隔,并將數據發送至終端顯示裝置。圖3所示為傳感裝置數據采集傳輸流程圖。

采摘機傳感裝置啟動后,單片機系統隨之進行初始化,主要完成定時器和時間中斷及無線數據傳輸模塊的初始化。定時器參數設定為1s時,用于確定計數頻率。定時器參數設定為0.5s時,用于進行顯示裝置信號燈的控制閃爍。通信數據傳輸設定為接收模式。傳感裝置單片機系統利用中斷程序進行脈沖序列采集,由此獲取采摘數量和采摘時間間隔等時間序列。

在常態工作過程中,通信系統主程序不斷進行是否接收到指令的信息判斷,當接收到清零指令時,將采摘數量、采摘頻率及采摘時間間隔清零;當接收到數據傳輸指令時,無線數據傳輸模塊將工作模式設定為發送模式,并經數據包信息顯示于終端裝置上。

蘋果采摘機終端顯示系統進行數據處理與信息顯示時,主要進行數據信息指令的發送、數據接受及利用圖標曲線信息進行數據顯示。圖4所示為蘋果采摘機終端顯示流程圖。

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

4 系統試驗分析

為對蘋果采摘機工作過程監測數據傳輸穩定性、可靠性及準確性進行驗證,設計3種不同采摘頻率的方式進行采摘監測試驗。試驗過程中,采用6路傳感通道同時進行采摘數據采集,設計采摘機主電機轉速分別為10、20、30r/min,當每次人工計數為1000時,停止采摘,記錄此時傳感裝置的監測數據和顯示終端的顯示數據,并用監測數據與實際數據的比值表示監測準確率,用終端顯示數據與實際數據的比值表示顯示準確率,二者之間的相對偏差值表示通信準確率。表2所示為采摘監測試驗數據。

表2 蘋果采摘監測試驗數據Table 2 Apple picking monitoring test data

由表2數據可以看出:傳感裝置監測到的采摘數量小于實際采摘數量,終端顯示數量小于傳感裝置監測到的采摘數量,采摘監測準確率大于90%,通信中產生的數據偏差量小于4%。

5 結論

基于數據通信算法設計了一種蘋果采摘機監測傳感裝置與顯示終端之間的通信系統,可對采摘過程狀態進行實時監測,并通過試驗方式對監測傳感裝置與顯示終端的通信可靠性進行了驗證。