王　昆，陳昕志

(河南職業(yè)技術學院 電氣工程系，鄭州　450046)

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基于無線傳感網絡的智能旋耕機定位系統(tǒng)設計

王昆，陳昕志

(河南職業(yè)技術學院 電氣工程系，鄭州450046)

摘要：精確定位是實現(xiàn)智能旋耕機自主作業(yè)的關鍵技術。為此，利用無線傳感器網絡設計了智能旋耕機的定位系統(tǒng)，主要由部署在旋耕機上的移動定位節(jié)點、上位機和ZigBee無線傳感器網絡組成。無線網絡主要由坐標位置已知的錨節(jié)點和移動的定位節(jié)點組成。移動的定位節(jié)點以低功耗芯片LPC2148作為控制核心，通過接收信號強度指示RSSI原理進行測距，利用3個CC2530模塊分別采用三邊測量法確定3個未知節(jié)點的位置，最后采用三點求質心法進一步提高了定位的精度；同時，借助無線傳感器網絡實現(xiàn)了與上位機的實時通信。測試結果表明：設計的智能旋耕機定位系統(tǒng)能夠實現(xiàn)精確定位，且工作穩(wěn)定可靠，對農田內8個隨機位置坐標上的測量平均誤差僅為0.242m，能夠為智能旋耕機自主導航作業(yè)提供技術保障。

關鍵詞：智能旋耕機；自動導航；無線傳感器網絡；三邊測量法

0引言

我國作為農業(yè)大國，雖然已經在很大限度上擺脫了人畜作業(yè)的模式，很多地區(qū)也已經實現(xiàn)了機械化；但隨著產業(yè)轉型和人口的城鎮(zhèn)化的推進，需要在農田上解放更多的勞動力，盡快普及和發(fā)展農業(yè)機械的自動化和智能化生產。一般的作物生產都包括耕耘、施肥、播種、除草、施藥和收割幾個環(huán)節(jié)。作物在播種前，大多會采用旋耕機翻轉土壤，切碎埋在地表以下的根茬，使土壤更加松軟和平坦，為后期播種提供良好種床，便于播種機作業(yè)和作物后期的生長。由于對土地的旋耕作業(yè)要求不高，相對簡單和單一，容易通過智能化機械實現(xiàn)解放人工勞動力。旋耕機與拖拉機協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)智能自動化的作業(yè)關鍵是首先能夠實時獲取它的位置信息，然后再通過控制拖拉機的運動狀態(tài)最終實現(xiàn)旋耕機的自動作業(yè)[1]。李彬等[2]提出了一種基于 GPS的大型農機具遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方法；但由于GPS的定位精度限制，只能實現(xiàn)后臺的綜合調度功能。羅亞輝等[3]設計了一種用于農田激光定位的激光接收器，雖然能夠在一定程度上實現(xiàn)定位功能，但系統(tǒng)設備安裝復雜且價格昂貴。為此，提出了一種基于無線傳感器網絡的WSN(WirelessSensor Network，WSN)的智能旋耕機定位系統(tǒng)，通過接收固定ZigBee節(jié)點的信號強度RSSI值，利用三邊測量法的同時引入三點求質心的改進算法，提高了定位的精度。實驗結果表明：設計的定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，能夠完全滿足智能旋耕機定位導航的需求。

1定位工作原理

1.1耕耘機作業(yè)描述

旋耕機是與拖拉機配套完成耕、耙作業(yè)的耕耘機械，結構如圖1所示。因其具有碎土能力強、耕后地表平坦等特點，而得到了廣泛的應用；同時，能夠切碎埋在地表以下的根茬，便于播種機作業(yè)，為后期播種提供良好種床。

圖1　旋耕機結構示意圖

作業(yè)開始前，應將旋耕機處于提升狀態(tài)，先結合動力輸出軸，使刀軸轉速增至額定轉速，然后下降旋耕機，使刀片逐漸入土至所需深度。在作業(yè)中，應盡量低速慢行，既可保證作業(yè)質量，使土塊細碎，又可減輕機件的磨損。在地頭轉彎時因禁止作業(yè)，應將旋耕機升起，使刀片離開地面，并減小拖拉機油門，以免損壞刀片；在倒車、過田埂和轉移地塊時，應將旋耕機提升到最高位置，并切斷動力，以免損壞機件。

1.2定位工作原理

要實現(xiàn)旋耕機自動作業(yè)的首要問題是解決自動導航問題，而導航的精準度則完全取決于定位的精度?？紤]到測量精度、成本和可行性等因素，采用在農田上部署無線傳感器網絡WSN。它是一種基于IEEE802.15.4無線個人域網標準的技術，網絡主要由ZigBee節(jié)點組成，具有低功耗、低成本和低數(shù)據速率等特點，可以自主實現(xiàn)星型、網狀和簇狀的3種拓撲結構[4]，不僅可以解決定位的問題，同時還解決了通信的問題。

由于無線信號在傳播的過程中受環(huán)境的影響，會隨著傳輸?shù)木嚯x而逐漸減弱[5-6]，信號強度變化與距離的定位模型如圖2所示。

圖2　信號強度變化與距離的定位模型

未知節(jié)點收到的信號強度值為

f(d)=f(d0)+10k·log10(d/d0)+Mτ

(1)

其中，d0為參考距離，可根據AC亮點之間的距離的計算得到；d為待測AB兩點之間的距離；f(d0)為距離A點位d0處C點處接收到的信號強度值，單位為dB；Mτ為服從(0，τ2)的高斯分布隨機變量，范圍在(4, 10)；k為與環(huán)境有關的路徑損耗指數(shù)。由于在不同環(huán)境中，k取值也是不固定的，一般取值(2，5)，因此，引入了參考節(jié)點D，AD的距離也為已知量d1，利用式(1)即可得到具體的k值。

隨著信號傳播距離的加大，多徑傳播效應會越加突出，導致誤差也隨之增大。實際上隨著距離的增大，會出現(xiàn)精度降低的情況，利用接收信號強度排在前3位的點，通過三邊測量法求解未知節(jié)點的坐標，模型如圖3所示。

假設待測節(jié)點A(xA,yA)接收到信號強度最大的3個已知節(jié)點A1(xA1,yA1)，A2(xA2,yA2)，A3(xA3,yA3)的RSSI值[7]，并通過式(1)計算出對應的距離分別為RA1、RA2、RA3，但是由于信號的波動性，會出現(xiàn)3個點交點A1、A2、A3，且滿足方程組，有

(2)

根據上式就能求出3個交點坐標，利用三角質心原理，估計出未知節(jié)點(xA，yA)的坐標為

圖3　三邊測量定位模型

2智能旋耕機定位系統(tǒng)總體設計

智能旋耕機定位系統(tǒng)主要有旋耕機移動定位節(jié)點、上位機和ZigBee通信網絡組成。在ZigBee網絡中有坐標位置固定的錨節(jié)點和移動的未知坐標節(jié)點兩種類型[8-9]。移動的ZigBee節(jié)點部署在旋耕機上隨之運動，接收錨節(jié)點發(fā)送的信號，通過信號強度計算移動節(jié)點當前的位置坐標信息，同時將這一坐標信息通過錨節(jié)點發(fā)送到上位機進行處理；上位機實際上是一臺服務器，裝有專業(yè)的管理軟件，管理軟件采用VC++6.0開發(fā)，具有節(jié)點管理、路徑規(guī)劃、地圖管理、導航控制、數(shù)據庫管理和通信接口等模塊組成。智能旋耕機定位系統(tǒng)總體架構如圖4所示。

圖4　智能旋耕機定位系統(tǒng)總體結構

上位機管理控制和監(jiān)測各節(jié)點的狀態(tài)，在作業(yè)前首先通過地圖管理模塊將要耕作的農田地圖導入系統(tǒng)，再自動對耕耘機的路徑進行規(guī)劃。上位機具有一個無線模塊與整個無線網絡連接，控制各錨節(jié)點定時發(fā)送信號，并接收來自旋耕機上移動節(jié)點的坐標信息，在顯示器上直觀顯示旋耕機在農田內的位置和運動狀態(tài)；同時，將運動的軌跡存入數(shù)據看SQL2008中，上位機根據路徑規(guī)劃，實時向旋耕機反饋控制信息進行運動速度和方向的調整，使旋耕機能夠按照預定的路徑行進，從而完成作業(yè)。

3移動定位節(jié)點軟硬件設計

3.1移動定位節(jié)點硬件構成

移動定位節(jié)點是旋耕機定位系統(tǒng)的關鍵部分，主要負責對運動中的旋耕機進行實時定位。其核心是低功耗小體積的嵌入式處理器LPC2148，是ARM7 TDMI內核的精簡指令系統(tǒng)，帶有32kB的片內靜態(tài)RAM和512kB的片內FLASH程序存儲器，多個串行接口，包括2個UART、2個可達400kbps的高速I2C總線和1個SPI接口，豐富的片上資源，能滿足本系統(tǒng)的設計需要[10]。為了提高測量精度，設計由3個ZigBee通信定位模塊CC2530、旋耕機運動控制系統(tǒng)、外置SD存儲器、LCD顯示屏MzLH04-12864和報警/按鍵等外設等組成的系統(tǒng)。旋耕機移動定位節(jié)點硬件結構如圖5所示。同時，為了能夠解決定位節(jié)點能夠持續(xù)供電的問題，采用了12V的車載蓄電池，經過降壓和調理后輸出5、3.3、1.8V的電壓供系統(tǒng)使用。

圖5　旋耕機移動定位節(jié)點硬件結構

系統(tǒng)中的CC2530是一款符合IEEE 802.15.4通信協(xié)議的收發(fā)器，采用優(yōu)良的性能和具有代碼預取功能的低功耗8051 微控制器作為內核，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，可編程的信號輸出功率高達4.5dBm，支持精確的數(shù)字化RSSI，非常適合本文設計的系統(tǒng)；同時，還支持多種串行通信協(xié)議[11]，通過UART與LPC2148連接進行通信，從而建立強大的網絡節(jié)點。

移動定位節(jié)點設計了全中文人機交互圖形界面，通過液晶顯示屏MzLH04-12864實現(xiàn)。它是128×64點陣FSTN，不僅包含12×12和16×16點漢字庫及6×10和8×16點ASCII碼西文字庫，還具有繪點、直線、矩形、實心圓形和圓形框繪圖等功能[12]。MzLH04-12864的使用非常簡便，有7個引腳，分別為：LCD供電VCC、CS、SDA、NC、SCK、RST和GND。靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，與嵌入式處理器LPC2148的SPI接口直接連接，再把嵌入式處理器LPC2148的串口SPI設置成主機模式，MzLH04的SDA、SCK和PB0分別與嵌入式處理器LPC2148的MOSI、SCK和CS相連，就能實現(xiàn)對顯示屏的控制和通信，將耕耘機的運動狀態(tài)、通信狀態(tài)、位置坐標等信息進行本地實時顯示。

為了提高測量精度，采用了A、B、C 3個定位模塊布局為等邊三角形，邊長為20cm，水平放在拖拉機駕駛艙頂部，取三角形的質心為最終測量坐標。LCD會實時顯示當前的坐標位置、行駛軌跡和通信狀態(tài)等信息。SD存儲器用于系統(tǒng)程序、應用程序和相關參數(shù)的存儲。當農機的行駛方向偏離了預設的路徑，通過相關的算法控制轉向系統(tǒng)改變其行進的方向。當出現(xiàn)故障時，還會通過報警裝置發(fā)出聲音，鍵盤等是作為系統(tǒng)啟動、參數(shù)查看和設置的功能使用。

3.2軟件設計及改進定位算法

移動定位終端采用的是ARM處理器LPC2148，故軟件調試環(huán)境采用了ARM處理器集成開發(fā)工具ADS1.2，此開發(fā)軟件功能強大，集成了匯編、C/C++編譯器等，其編譯效率非常高，還支持JTAG仿真調試和硬件調試，還提供了功能強大的系統(tǒng)庫。移動定位節(jié)點的定位改進算法程序流程圖如圖6所示。

其中，定位周期為1 000ms，完成一次定位所需要的時間小于1ms，假設旋耕機在移動中的速度為3m/s，那么測量偏差最大為0.3cm，可以忽略不計。

移動的定位節(jié)點開機后，先進行系統(tǒng)的初始化，包括處理器LPC2148各接口、內部寄存器、LCD顯示屏、配置3個定位模塊CC2530的工作方式、通信碼率和相應寄存器的配置等。根據接收到的信號強度，選擇一個錨節(jié)點作為與后臺服務器的中繼點建立網絡通信連接。移動節(jié)點每隔1 000ms接收1次來自周圍各錨節(jié)點的信號強度RSSI值，取強度最大的3個點利用式(2)計算移動節(jié)點的坐標(xA，yA)。同理，得到另外兩個天線對應的坐標(xB，yB)和(xC，yC)，再利用3個定節(jié)點質心法求得旋耕機中心的坐標位置為

采用改進算法后，進一步提高了定位的精度，最后將計算到的位置坐標信息通過建立的路由發(fā)送到服務器。需要注意的是，旋耕機在不停運動，當駛離最初建立的通信錨節(jié)點時，通信信號逐漸變弱，當信號強度小于預設的臨界值時，程序會自動進入中斷程序，建立新的通信路由錨節(jié)點，實現(xiàn)了移動通信和定位的功能。

圖6　定位改進算法

4測試結果與分析

為了測試在現(xiàn)場工況下旋耕機定位系統(tǒng)的精度和性能，選擇一塊50m×50m相對較為平整的農田作為實驗場地，并在農田內部署了18個位置已知的錨節(jié)點，使信號充分覆蓋整個塊農田，并在系統(tǒng)中配置好這18個節(jié)點的坐標，利用式(1)計算得到路徑損耗指數(shù)k的值為3.2。同時，將3個移動定位節(jié)點布置在旋耕機駕駛艙外頂部中心，呈等邊三角形狀，保持邊長為20cm，使等邊三角形的質心落在旋耕機的中心軸線上。駕駛旋耕機在農田內自由移動，隨機抽取8個點進行坐標位置實測，同時記錄下定位系統(tǒng)的測量坐標。

為了能夠對位置誤差進行評估，定義了定位誤差表達式為[13-14]

(7)

其中，(x,y)是實際的坐標位置(xn,yn)是得到的測量坐標值，n代表測量第n個位置的點數(shù)，取值為8，皆為隨機抽取，得到的測量結果如表1所示。

表1　測量結果

由表1中的數(shù)據可知：在8個抽樣點的誤差中，最大值為0.424m，最小值為0.150m，其平均誤差為0.242m，能夠滿足智能旋耕機自動作業(yè)的需要。由于在測試環(huán)境下部署了很多定位錨節(jié)點，并通過自由切換，選擇最近的點與之進行通信和定位，能夠保證定位的精度控制在一定范圍內。

5結束語

針對使用旋耕機對大面積農田作業(yè)時存在的勞動量大和操作相對單一的問題，利用無線傳感器網絡技術提出了一個種智能旋耕機的定位設計方法。同時，引入了改進的RSSI定位算法，通過對牽引旋耕機的拖拉機實時定位，獲取其在農田中的坐標，為控制旋耕機的運動控制提供了技術基礎。測試結果表明：設計的旋耕機定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對農田內8個點的位置上的測量平均誤差僅為0.242m，完全滿足智能旋耕機自主作業(yè)的要求，為現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展和解放的勞動力提供了技術支撐。

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Design of Intelligent Cultivator Positioning System Based on Wireless Sensor Network

Wang Kun, Chen Xinzhi

(Department of Electrical Engineering, Henan Polytechnic, Zhengzhou 450046, China)

Abstract：The accurate positioning is the key technology to realize the intelligent autonomous operation of rotary cultivator,and the positioning system of intelligent rotary cultivator is designed using wireless sensor networks.The system is mainly composed of mobile positioning node on the rotary cultivator,PC and ZigBee wireless sensor network, which is composed of known-coordinate anchor nodes and mobile node.The mobile node uses the low power chip LPC2148 as the control core to measure the distance by the RSSI principle,and the three sided measurement is used to determine the three unknown-coordinate nodes by three CC2530 modules, at last, the three point centroid method is used to further improve the positioning accuracy.Meanwhile, the communication between the PC and mobile positioning node is realized by the wireless sensor networks. The test results show that the deasign intelligent rotary cultivator positioning system can achieve precise positioning, and works stable and reliable, and the average error of 8 random locations within the farmland is only 0.242m, which can provide technical support for the intelligent autonomous navigation operation of rotary cultivator.

Key words：intelligent rotary cultivator; automatic navigation; wireless sensor network; three sided measurement

文章編號：1003-188X(2016)05-0112-05

中圖分類號：S222.3;TP273+.3

文獻標識碼：A

作者簡介：王昆(1977-),男，河南周口人，副教授，碩士， (E-mail)wkun1977@126.com。通訊作者：陳昕志(1976-)，女，鄭州人，副教授，碩士，(E-mail)chenxz1976@126.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAH09F00)

收稿日期：2015-04-06