基于GPRS和ZigBee的拖拉机大灯智能控制装备设计

2019-12-21米西峰范媛媛

农机化研究 2019年1期

米西峰，范媛媛

(焦作师范高等专科学校计算机与信息工程学院，河南焦作 454000)

0 引言

拖拉机大灯对农民视线的影响主要在于光线强度、色彩，以及与周边农田的融合度等。农田灯光强度和拖拉机手的安全感之间具有很强的关联，光线越强，拖拉机手的安全感也越强烈；但是，光强度也会对周边的农作物造成一定的影响，不同的色彩会引起不同的视觉感受，因此协调三者之间的关系至关重要。拖拉机大灯智能控制装备的设计必须结合各个年龄段拖拉机手的需求，尽量从人机工程学的角度出发，体现出设计的人性化。在设计过程中，还应该注重拖拉机大灯透明度、形状、色彩度、光线与附近农作物、水渠及乡道的搭配，尽量展现出多类型的景观风格。

1 拖拉机大灯设计光学原理与视觉关系

拖拉机大灯设计离不开形式美法则的运用，否则大灯的设计就是无本之源、无水之木。零部件的搭配及选用、灯网的肌理纹饰的选择、灯具的样式及冷暖的挑选、绿化的科学选用等都属于陈设设计的范畴，如此复杂的项目内容更离不开人眼视觉特性结果。亮度是表征发光面的发光物体的物理量，它是指发光面在某一个给定方向上的发光强度及该发光面积在此方向上的投影之比。

同一束光面在不同的方向上所看到的亮度可能是不同的，因此在拖拉机大灯光线设计中，对称是保持均衡的最好的手法。比如一个狭长的通道，在两则面对面的挂画或放置零部件，这就是最简单的对称的一种体现。

一般在图像处理过程中使用全局阈值法得到的阈值，但是这种方法不能有效地分割出孔隙的目标和背景。CCD图像传感器和传统的器件不同，传统器件往往都是使用电压或者电流作为信号，而CCD图像传感器是利用电荷作为信号的。电荷是通过两种渠道产生的，一种渠道是光注入，另一渠道是电注入。CCD一般是通过光注入来产生电荷的，而电荷信号QI与光照强度△n、光照时间TC、光敏电阻的面积A成正比例关系，即

QI=η·q·△n·A·TC

(1)

其中，η为所使用材料的量子效率；q为电子电荷量。对采集的图像进行图像分割和边缘检测才能有效的对目标进行识别，识别时可以以色彩为识别依据。对于色彩的识别Roberts算子是一种非常有效的方法，该算子可以检测出灰度或者图像中色彩比较突出的部位。色彩变化突出的部位一般梯度较大，假设通过采集得到的一幅图像其色彩分布为f(x,y,λx,y)，对于一个像素点(x,y)，其色彩变化在x,y方向的表达式为

(2)

在数字图像中，fx、fy可用x,y方向的差分(△x,△y)表示，即

(3)

(4)

其中，p、q为阶数；s为整个图像的区域。在进行求解时，需要借助图像区域的零阶矩和一阶矩，在进行定位时，图像可以当成二值图来处理，即f(x,y)=1。这样，零界矩m00可以表示为

(5)

零阶矩就是图像目标区域的面积，其一阶矩为

(6)

则区域的质心(xc,yc)表示为

(7)

定位出目标物体在一幅图像中的位置后，就可以根据事先设定好的坐标对物体进行跟踪。

2 拖拉机大灯智能控制装备设计方案

本文设计的大灯智能控制装备主要由监控中心、GPRS通信装备、ZigBee无线通信装备、主控制器和子控制器等组成，装备整体框架如图1所示。

图1 装备框架图Fig.1 The system framework diagram

拖拉机大灯智能控制装备通过GPRS数据传输的方式实现监控中心与ZigBee无线通信装备之间的通信，并通过ZigBee将控制信息传递给主控制器和下级子控制器，实现对拖拉机大灯的参数及亮化模式的设定。该通信网络可以大幅度降低网络通信费用，减少通道的占用。

3 拖拉机大灯智能控制装备装备硬件设计

3.1 智控装备整体方案

为了减少装备运行功耗、提高装备处理速度，本拖拉机大灯智能控制装备采用Cortex-M3 内核的32位ARM微处理器STM32F103RCT6 作为主控芯片，其片上资源包括256K Flash，48K RAM，板载晶振8MHz，拥有丰富的接口和外设资源。其主要包括农业园区人流量检测、环境光线检测、电源管理、GPRS模块、ZigBee模块和继电器控制拖拉机大灯等部分，硬件设计如图2所示。

图2 硬件设计方框图Fig.2 The block diagram of hardware design

GPRS模块作用是实现监控中心与ZigBee的数据传输，监控中心根据控制要求将信息以JSON数据包的格式，通过GPRS发送到ZigBee无线传输模块端，实现对拖拉机大灯的控制。

ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议，负责给拖拉机大灯传输开关灯指令以及获取光线采集信息给STM32控制器。

农业园区人流量监控装备采用红外测控技术，通过计算当前时间点在各个农业园区的作业人员人数，在无人或者人少的情况下，减少拖拉机大灯的开灯个数，降低电能损耗。

环境光线采集装备，通过感知环境的光线强度，决定开灯和关灯的时间，在光线较暗时，辅助调节开关灯时间。

3.2 ZigBee无线通信模块

随着ZigBee技术日益成熟及价格的下降，其在大多领域取代原始的无线模块是毋庸置疑的。一般而言，终端节点和协调器的最大通讯距离为 200m。如在 200m的地方加入 1个节点设备作为路由器，那么终端就可以通过路由器转发，也就是说通讯距离可达 400m，能够大大提高ZigBee组网能力，特别适合在农田场合的使用。本装备设计的ZigBee无线通信平台采用TI公司的CC2530芯片，开发平台使用IAR + Z-stack 2007 PRO，可以降低开发周期，减少研发成本。

3.3 控制拖拉机大灯继电器电路设计

继电器是一种电控制器件，是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制装备和被控制装备之间的互动关系，通常应用于自动化的控制电路中，实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关” ，可在电路中起着自动调节、安全保护及转换电路等作用。本文拖拉机大灯的开关采用继电器控制的方式，如图3所示。

图3 继电器控制拖拉机大灯电路图Fig.3 The circuit diagram of relay control landscape lamp

监控中心发送数据给主控制器，主控制器给控制信号发送给协调器，协调器接收到信号后执行控制继电器指令，从而控制台灯。整个过程在协议栈 Z-STACK 的SampleApp.eww 上完成。

4 ZigBee装备软件设计

装备软件设计主要是为了通过ZigBee实现拖拉机大灯状态数据的采集和发送，采用IAR Embedded Workbench为开发平台，该平台集成了大量相关源代码。在软件设计过程中，采用模块化设计方法，能够给开发人员极大便利，提高开发效率。软件流程如图4所示。

在ZigBee网络中进行数据通信主要有3个类型：广播、单播和组播。本文控制的拖拉机大灯数量较多，通常是通过一个节点发送信息，然后其他节点都可以收到信息，所以需要选择广播的通信方式。ZigBee模块核心代码如下：

const SimpleDescriptionFormat_t GenericApp_SimpleDesc =

{

GENERICAPP_ENDPOINT,

GENERICAPP_PROFID,

GENERICAPP_DEVICEID,

GENERICAPP_DEVICE_VERSION,

GENERICAPP_FLAGS,

GENERICAPP_MAX_CLUSTERS,

(cId_t *)GenericApp_ClusterList,

GenericApp_ClusterList[GENERICAPP_MAX_CLUSTERS]

GENERICAPP_MAX_CLUSTERS,

(cId_t *)GenericApp_ClusterList

GenericApp_ClusterList[GENERICAPP_MAX_CLUSTERS]

};

endPointDesc_t GenericApp_epDesc; //节点描述符

byte GenericApp_TaskID; //任务优先级

byte GenericApp_TransID; //数据发送序列号

devStates_t GenericApp_NwkState;

void GenericApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt );

void GenericApp_SendTheMessage(void);

图4 ZigBee装备软件流程图Fig.4 The software flow chart of ZigBee system

5 问卷分析

为了检测拖拉机大灯智能控制装备是否能够满足农户的照明需要，符合农户对农田光线的要求，特地在某农田做一个问卷调查，检验农田环境实际的使用状况意见的差异，调查总人数为200人。通过调查和分析作业人员与智能拖拉机大灯之间交互的感受，更合理地对农业园区智能管理和调控，服务于农业作业人员。农业作业人员满意度结果如表1所示。

表1 大灯智能控制装备满意度Table 1 The satisfaction of lighting intelligent control system

由表1可以看出：拖拉机大灯的实用性、安全性、艺术性和协调性满意度都在88%以上，基本满足农业作业人员对环境景观的要求，符合拖拉机手的喜好。实际应用结果表明：该装备智能化程度较高，能够根据天气和季节变化，调节拖拉机大灯工作时间，装备控制容量大，可以满足拖拉机大灯多方面的应用要求，符合设计要求，具有较好的工程意义。