錢 坤，齊 莉

(吉林工程職業(yè)學(xué)院，吉林 四平 136000)

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采棉機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究—基于嵌入式云計(jì)算平臺(tái)

錢 坤，齊 莉

(吉林工程職業(yè)學(xué)院，吉林 四平 136000)

近年來，越來越多的虛擬儀器技術(shù)及相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備得到了一定的推廣普及，且在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域取得了巨大效益。為此，基于嵌入式云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種車載式采棉機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。以我國新疆棉花生產(chǎn)、采摘作為探究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了安裝車載監(jiān)控終端如何對(duì)采棉機(jī)作業(yè)位置信息與狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)采集。

采棉機(jī)；智能監(jiān)控；嵌入式； 云計(jì)算平臺(tái)

0 引言

農(nóng)業(yè)作為各地區(qū)、各國家重要產(chǎn)業(yè)部門，是國民經(jīng)濟(jì)賴以生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。棉花的用途雖然與五谷類糧食作物有一定的區(qū)別，但是在農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域同樣扮演著極為重要的角色。當(dāng)前，全世界棉花產(chǎn)量最高的國家分別是中國、美國、印度。在我國，棉花主要生長在北方地區(qū)，但近幾年棉花產(chǎn)量所有下降，在一定程度上導(dǎo)致了與棉花生產(chǎn)最為緊密關(guān)聯(lián)的服裝等產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)成本急劇上升，對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)持續(xù)發(fā)展也起到了一定的負(fù)面影響。在新時(shí)期，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、機(jī)械化應(yīng)用技術(shù)加快了更新速度，不斷促使與提高著采棉設(shè)備技術(shù)的提升。為此，設(shè)計(jì)了一種車載式采棉機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在為采棉自動(dòng)化生產(chǎn)提供借鑒與參考。

1 嵌入式技術(shù)

1.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)主要指安全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。英國電器工程師協(xié)會(huì)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)有一個(gè)較為明確的定義，具體指“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器應(yīng)用于工廠生產(chǎn)運(yùn)作的設(shè)備”。嵌入式系統(tǒng)雖被工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但有著屬于自己的特點(diǎn)。

與個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較，尤其是在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)置等層面，嵌入式系統(tǒng)最大的不同在于其所執(zhí)行操作的任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)，即嵌入式系統(tǒng)的核心主要是由一個(gè)或者多個(gè)預(yù)先編程好的程序來統(tǒng)一執(zhí)行，且由不同的微處理控制器、單片機(jī)來組成。因此，由于其內(nèi)部軟件通常保持不變的特性，在業(yè)內(nèi)也形象地將其稱為“固件”。

1.2 嵌入式系統(tǒng)原理

以WinCE系統(tǒng)虛擬儀器設(shè)計(jì)為例，其系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是基于CAN總線的嵌入式虛擬儀器監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)主要由兩部分來組成，分別是硬件系統(tǒng)裝置和軟件系統(tǒng)裝置，如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)中的軟件設(shè)計(jì)部分

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)中的硬件設(shè)計(jì)部分

嵌入式虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)層面，所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括有LabVIEW控件、應(yīng)用程序的開發(fā)、嵌入式WinCE系統(tǒng)下虛擬儀器CAN通訊的實(shí)現(xiàn),以及數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)程序編程函數(shù)等。通常情況下，虛擬儀器相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)多是借助于PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，而其應(yīng)用平臺(tái)是嵌入式ARM平臺(tái)。關(guān)于嵌入式(WinCE)系統(tǒng)虛擬儀器技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法，可參見圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)鏈接庫跨平臺(tái)調(diào)用流程

2 采棉機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題主要分為兩個(gè)層面來探討，分別是系統(tǒng)硬件及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。首先，硬件的設(shè)計(jì)引入了先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)控制思想，即在整個(gè)系統(tǒng)是由許多個(gè)零部件裝置共同組成的，如微處理器模塊、GPS模塊及GPRS模塊等，重點(diǎn)以各個(gè)模塊的選型設(shè)計(jì)為主，具體實(shí)施操作上，包括信息采集電路設(shè)計(jì)、LED顯示電路系統(tǒng)、JTAG電路設(shè)備裝置、電源電路等相關(guān)配套設(shè)備的安裝設(shè)計(jì)。其次，軟件設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了μC/OS-II操作系統(tǒng)，將μC/OS-II操作系統(tǒng)嵌入到整個(gè)智能監(jiān)控平臺(tái)中，可最大限度地增強(qiáng)系統(tǒng)的可讀性。這一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)主要是借助于系統(tǒng)原本就具備的可移植性，可以通過程序編寫來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)系統(tǒng)可讀性這一技術(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)。與此同時(shí)，在數(shù)據(jù)信息的傳輸層面，運(yùn)用的是GPRS傳輸方式，因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)普及性較高，應(yīng)用比較廣泛，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有較充足的經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)智能操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性較好。其中，軟件程序的設(shè)計(jì)主要分為GPS接受解析、GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送及(采棉機(jī))機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)采集等，根據(jù)這幾個(gè)板塊模塊來進(jìn)行程序的編寫，更具有針對(duì)性。在虛擬儀器技術(shù)嵌入上，可以同時(shí)制定相應(yīng)的通信協(xié)議，制定網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的主要目的，就是保證終端與監(jiān)控中心的通信效果及執(zhí)行力。以采棉機(jī)為例，制定網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)面積進(jìn)行分析、規(guī)劃，屬于一種高級(jí)的終端統(tǒng)計(jì)方法。在基本性能檢驗(yàn)測(cè)試層面，試驗(yàn)測(cè)試等相關(guān)數(shù)據(jù)資料取自新疆石河子某機(jī)械公司。經(jīng)過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)：最后的結(jié)果與預(yù)期中的設(shè)計(jì)基本維持一致，特別是在采棉機(jī)作業(yè)位置服務(wù)、工況信息作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)及屏幕顯示等配套功能設(shè)計(jì)層面，完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)字化管控。

從2001年開始，在新疆地區(qū)，大面積種植模式為采棉機(jī)的應(yīng)用提供了可能，也是最初的推廣階段。在這一時(shí)期，采棉機(jī)面積達(dá)到了 0.13萬hm2；而到了第2年(2002年)，面積達(dá)到了 0.17萬hm2；雖然在2003年有所下降，但到2004年達(dá)到了0.15萬hm2；在之后的10年間，機(jī)械化采棉種植面積逐步上升。截止到2013年，新疆地區(qū)機(jī)械化采棉面積占到了新疆兵團(tuán)棉花總種植面積的 65%～80% 。特別是我國中部省份地區(qū)，每年的采棉期許多務(wù)工人員紛紛趕往團(tuán)場去采棉花，但在現(xiàn)階段新疆大部分團(tuán)場基本都實(shí)現(xiàn)了 100% 的機(jī)械采棉。

3 實(shí)例探究

3.1 硬件設(shè)計(jì)

微控制器模塊選型。在新疆石河子棉花團(tuán)場在采棉環(huán)節(jié)，基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化采棉。其中，GPS嵌入式車載終端采棉機(jī)，硬件是終端平臺(tái)各項(xiàng)功能得以實(shí)現(xiàn)的載體，而微控制器模塊則是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心。因此，在設(shè)計(jì)層面，對(duì)于微控制器模塊的選型非常關(guān)鍵，選取適當(dāng)?shù)奈⒖刂破?，不僅能夠大大提高系統(tǒng)的基本運(yùn)行性能，更重要的是可以進(jìn)一步保障系統(tǒng)安穩(wěn)、可靠地運(yùn)行工作。

當(dāng)前在市面上，可以看到，應(yīng)用的微處理器種類有很多，如最早期研發(fā)生產(chǎn)設(shè)計(jì)出來的MCS-51系列的單片機(jī)、后來的FREESCALE AW系列的單片機(jī)及目前相對(duì)比較熟悉的ARM系列單片機(jī)等。在市場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，MCS-51/FREESCALEAW單片機(jī)的價(jià)格比較低，但是系統(tǒng)引腳少，功能也不夠齊全，相對(duì)簡單，且處理能力差。ARM系列單片機(jī)無論種類、性能、功能等，都比較強(qiáng)大，技術(shù)水平高，開發(fā)效果較好。本次終端硬件的設(shè)計(jì)中，最終選擇了 STM32 芯片，并且專業(yè)配備了 Cortex-M3內(nèi)核。這種裝置設(shè)計(jì)，無論是成本還是機(jī)械操作性能，均屬于最佳。

本文選用的是STM32F101芯片，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要為其提供了以下配置：1個(gè)多主總線控制處理器，1個(gè)SPI，5個(gè)計(jì)時(shí)器；在內(nèi)存設(shè)置上，有16～32k字節(jié)的閃存及4～6k字節(jié)的存儲(chǔ)器；在內(nèi)核設(shè)置上，為 Cortex-M3內(nèi)核，最大頻率可達(dá) 36MHz；在時(shí)鐘和電源管理方面，主要配置的是鎖相環(huán)的CPU時(shí)鐘，2.0～3.6V的電源電壓；在調(diào)試模式設(shè)置上，它可以支持串行線調(diào)試模式或者是JTAG調(diào)試模式。此外，STM32F101最大的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，在具體操作上包括停止、待機(jī)、睡眠等控制模式。表1為芯片電源電壓電路設(shè)計(jì)。

表1 芯片電源電壓

3.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于該采棉機(jī)智能終端監(jiān)控系統(tǒng)，硬件是基礎(chǔ)和載體，而軟件則是靈魂，是一個(gè)程序得以運(yùn)行的“指揮官”。本軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)(終端軟件功能結(jié)構(gòu))中，可以將其劃分為4大板塊，分別是位置服務(wù)、采棉機(jī)狀態(tài)采集、作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)及LED顯示屏等。其中，位置服務(wù)設(shè)計(jì)又包含了3個(gè)小功能模塊，如日期時(shí)間模塊、經(jīng)度模塊及維度模塊等；在狀態(tài)采集設(shè)計(jì)層面，主要以模擬量為依據(jù)，以數(shù)字量作為主控制，包括對(duì)采棉機(jī)行駛速度的控制、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制、采頭狀態(tài)的控制及機(jī)棉箱翻轉(zhuǎn)的控制等；在作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)層面，重點(diǎn)包含兩個(gè)功能模塊，即作業(yè)面積及狀態(tài)識(shí)別；最后，在LED顯示屏上，呈現(xiàn)為可供駕駛員及時(shí)參考的信息、狀態(tài)，如GPS狀態(tài)、GPRS狀態(tài)、風(fēng)機(jī)狀態(tài)及采摘頭實(shí)時(shí)信息等；除此之外，還可以呈現(xiàn)出歷史采摘面積以及當(dāng)前采摘面積。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于嵌入式云計(jì)算平臺(tái)下的采棉機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，雖然在部分頂尖技術(shù)層面還尚存缺陷，但總體發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)成熟。無論是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的要求，還是國內(nèi)棉花市場的巨大需求，采棉機(jī)在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和推廣，已是大勢(shì)所趨。

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Design and Research of Intelligent Monitoring System for Embedded Cotton Picking Machine —Based on the Embeded Cloud Computing Platform

Qian Kun, Qi Li

(Jilin Engineering Vocational College，Siping 136000,China)

In recent years, more and more virtual instrument technology and corresponding mechanical equipment has been popularized, and in the field of industrial production, agricultural production has made great benefits.In this paper, based on the embedded cloud computing platform cotton intelligent monitoring system design and Research on the subject, in order to improve cotton picker has the ability of autonomous navigation, and cotton path planning of the online control of the proposed and designed a vehicle type cotton picker real-time and automatic monitoring control system terminal.Here in China's cotton production in Xinjiang, picking as a research object and focuses on vehicle monitoring terminal installation of cotton job location information and state data real time automatic acquisition. The research in cotton intelligent monitoring system structure design, mainly consists of two layers, namely hardware design, software design.

cotton picker; intelligent control; embedded; cloud computing platform

2016-05-19

吉林省教育廳職業(yè)教育與成人教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2014ZCY112)

錢 坤(1977-),男，吉林四平人，副教授，碩士，(E-mail)qiankun0517@163.com。

S225.91

A

1003-188X(2017)04-0226-03