采棉机智能监控系统的设计与研究—基于嵌入式云计算平台

钱 坤，齐 莉

(吉林工程职业学院，吉林 四平 136000)



采棉机智能监控系统的设计与研究—基于嵌入式云计算平台

钱 坤，齐 莉

(吉林工程职业学院，吉林 四平 136000)

近年来，越来越多的虚拟仪器技术及相应的机械设备得到了一定的推广普及，且在工业生产、农业生产领域取得了巨大效益。为此，基于嵌入式云计算平台设计了一种车载式采棉机自动监测控制系统。以我国新疆棉花生产、采摘作为探究对象，重点介绍了安装车载监控终端如何对采棉机作业位置信息与状态数据进行实时自动采集。

采棉机；智能监控；嵌入式； 云计算平台

0 引言

农业作为各地区、各国家重要产业部门，是国民经济赖以生存与发展的基础。棉花的用途虽然与五谷类粮食作物有一定的区别，但是在农业、工业生产制造领域同样扮演着极为重要的角色。当前，全世界棉花产量最高的国家分别是中国、美国、印度。在我国，棉花主要生长在北方地区，但近几年棉花产量所有下降，在一定程度上导致了与棉花生产最为紧密关联的服装等产业生产、服务成本急剧上升，对我国国民经济平稳持续发展也起到了一定的负面影响。在新时期，现代农业快速发展，农业机械化水平、机械化应用技术加快了更新速度，不断促使与提高着采棉设备技术的提升。为此，设计了一种车载式采棉机智能监控系统，旨在为采棉自动化生产提供借鉴与参考。

1 嵌入式技术

1.1 嵌入式系统

嵌入式系统 (Embedded System)主要指安全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。英国电器工程师协会针对嵌入式系统有一个较为明确的定义，具体指“控制、监视或者辅助设备、机器应用于工厂生产运作的设备”。嵌入式系统虽被工业、农业生产领域广泛应用，但有着属于自己的特点。

与个人计算机进行比较，尤其是在通用计算机系统设置等层面，嵌入式系统最大的不同在于其所执行操作的任务。嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务，即嵌入式系统的核心主要是由一个或者多个预先编程好的程序来统一执行，且由不同的微处理控制器、单片机来组成。因此，由于其内部软件通常保持不变的特性，在业内也形象地将其称为“固件”。

1.2 嵌入式系统原理

以WinCE系统虚拟仪器设计为例，其系统平台结构的设计主要是基于CAN总线的嵌入式虚拟仪器监控。整个系统架构主要由两部分来组成，分别是硬件系统装置和软件系统装置，如图1、图2所示。

图1 监控系统总体架构中的软件设计部分

图2 监控系统总体架构中的硬件设计部分

嵌入式虚拟仪器监控系统在设计层面，所涉及到的关键技术包括有LabVIEW控件、应用程序的开发、嵌入式WinCE系统下虚拟仪器CAN通讯的实现,以及数据采集、驱动程序编程函数等。通常情况下，虚拟仪器相关软件的设计开发多是借助于PC机来实现的，而其应用平台是嵌入式ARM平台。关于嵌入式(WinCE)系统虚拟仪器技术开发设计及其实现方法，可参见图3。

图3 动态链接库跨平台调用流程

2 采棉机智能监控系统设计

本课题主要分为两个层面来探讨，分别是系统硬件及系统软件设计。首先，硬件的设计引入了先进的嵌入式系统控制思想，即在整个系统是由许多个零部件装置共同组成的，如微处理器模块、GPS模块及GPRS模块等，重点以各个模块的选型设计为主，具体实施操作上，包括信息采集电路设计、LED显示电路系统、JTAG电路设备装置、电源电路等相关配套设备的安装设计。其次，软件设计主要运用了μC/OS-II操作系统，将μC/OS-II操作系统嵌入到整个智能监控平台中，可最大限度地增强系统的可读性。这一点的实现主要是借助于系统原本就具备的可移植性，可以通过程序编写来实现增强系统可读性这一技术设计目标。与此同时，在数据信息的传输层面，运用的是GPRS传输方式，因为该网络信息技术普及性较高，应用比较广泛，在农业生产领域具有较充足的经验，整个智能操作系统的稳定性和经济性较好。其中，软件程序的设计主要分为GPS接受解析、GPRS数据发送及(采棉机)机械设备数据采集等，根据这几个板块模块来进行程序的编写，更具有针对性。在虚拟仪器技术嵌入上，可以同时制定相应的通信协议，制定网络通信协议的主要目的，就是保证终端与监控中心的通信效果及执行力。以采棉机为例，制定网络通讯协议可以实现对作业面积进行分析、规划，属于一种高级的终端统计方法。在基本性能检验测试层面，试验测试等相关数据资料取自新疆石河子某机械公司。经过测试后发现：最后的结果与预期中的设计基本维持一致，特别是在采棉机作业位置服务、工况信息作业面积统计及屏幕显示等配套功能设计层面，完全实现了自动化、数字化管控。

从2001年开始，在新疆地区，大面积种植模式为采棉机的应用提供了可能，也是最初的推广阶段。在这一时期，采棉机面积达到了 0.13万hm2；而到了第2年(2002年)，面积达到了 0.17万hm2；虽然在2003年有所下降，但到2004年达到了0.15万hm2；在之后的10年间，机械化采棉种植面积逐步上升。截止到2013年，新疆地区机械化采棉面积占到了新疆兵团棉花总种植面积的 65%～80% 。特别是我国中部省份地区，每年的采棉期许多务工人员纷纷赶往团场去采棉花，但在现阶段新疆大部分团场基本都实现了 100% 的机械采棉。

3 实例探究

3.1 硬件设计

微控制器模块选型。在新疆石河子棉花团场在采棉环节，基本实现了全自动化采棉。其中，GPS嵌入式车载终端采棉机，硬件是终端平台各项功能得以实现的载体，而微控制器模块则是整个硬件系统的核心。因此，在设计层面，对于微控制器模块的选型非常关键，选取适当的微控制器，不仅能够大大提高系统的基本运行性能，更重要的是可以进一步保障系统安稳、可靠地运行工作。

当前在市面上，可以看到，应用的微处理器种类有很多，如最早期研发生产设计出来的MCS-51系列的单片机、后来的FREESCALE AW系列的单片机及目前相对比较熟悉的ARM系列单片机等。在市场调查中发现，MCS-51/FREESCALEAW单片机的价格比较低，但是系统引脚少，功能也不够齐全，相对简单，且处理能力差。ARM系列单片机无论种类、性能、功能等，都比较强大，技术水平高，开发效果较好。本次终端硬件的设计中，最终选择了 STM32 芯片，并且专业配备了 Cortex-M3内核。这种装置设计，无论是成本还是机械操作性能，均属于最佳。

本文选用的是STM32F101芯片，在设计环节主要为其提供了以下配置：1个多主总线控制处理器，1个SPI，5个计时器；在内存设置上，有16～32k字节的闪存及4～6k字节的存储器；在内核设置上，为 Cortex-M3内核，最大频率可达 36MHz；在时钟和电源管理方面，主要配置的是锁相环的CPU时钟，2.0～3.6V的电源电压；在调试模式设置上，它可以支持串行线调试模式或者是JTAG调试模式。此外，STM32F101最大的优点是低功耗，在具体操作上包括停止、待机、睡眠等控制模式。表1为芯片电源电压电路设计。

表1 芯片电源电压

3.2 软件设计

对于该采棉机智能终端监控系统，硬件是基础和载体，而软件则是灵魂，是一个程序得以运行的“指挥官”。本软件设计环节(终端软件功能结构)中，可以将其划分为4大板块，分别是位置服务、采棉机状态采集、作业面积统计及LED显示屏等。其中，位置服务设计又包含了3个小功能模块，如日期时间模块、经度模块及维度模块等；在状态采集设计层面，主要以模拟量为依据，以数字量作为主控制，包括对采棉机行驶速度的控制、风机转速的控制、采头状态的控制及机棉箱翻转的控制等；在作业面积统计设计层面，重点包含两个功能模块，即作业面积及状态识别；最后，在LED显示屏上，呈现为可供驾驶员及时参考的信息、状态，如GPS状态、GPRS状态、风机状态及采摘头实时信息等；除此之外，还可以呈现出历史采摘面积以及当前采摘面积。

4 结论

本文提出了一种基于嵌入式云计算平台下的采棉机智能监控系统，虽然在部分顶尖技术层面还尚存缺陷，但总体发展趋势已经成熟。无论是当地农业机械化生产的要求，还是国内棉花市场的巨大需求，采棉机在生产领域的应用，以及相关技术的研发和推广，已是大势所趋。

[1] 温泉,李扬.嵌入式工控终端机的云计算架构及服务平台[J].计算机技术与发展, 2014(12):158-162.

[2] 代银华.基于云计算的嵌入式终端设计与实现[D].成都:成都理工大学,2013.

[3] 苗中华,褚剑钢,刘成良,等.采棉机智能监控系统CAN应用层协议设计[J].农业机械学报,2012,43(1):180-184.

[4] 苗中华,陆鸣超,胡晓东,等.基于虚拟仪器技术的采棉机智能监控系统开发与应用[J].农业工程学报,2014,30(23):35-42.

[5] 苗中华,李振华,昝鹏,等.采棉机智能控制系统：中国, CN103019123A[P].2013-04-03.

[6] 周文超. 基于手持式采棉机的采摘口智能方向控制系统设计[D].南京:南京农业大学, 2013.

[7] 李闯,苗中华,皱兆光,等.智能采棉机自动对行导航系统和方法:中国, CN104238559A[P].2014-12-24.

[8] 苗中华,周广兴,昝鹏,等.基于CAN总线的智能触摸屏显示控制系统及方法:中国, CN 103576636 A[P].2014-02-12.

[9] 竟静静,曹卫彬,杨会民.采棉机GPS导航监控终端软硬件设计研究[J].农机化研究, 2013,35(3):126-129.

[10] 刘荣,张帆.采棉机监控终端的研制及作业面积算法[J].江苏农业科学, 2013(11):400-403.

[11] Teng Zhaosheng, Luo Zhikun, Gao Yunpeng, et al.Implementation of voltage flicker measurement with squar-detection method based on virtual instrument[J].Chinses Jounal of Scientific Instrument,2011,32(8):1804-1809.

[12] Zhao Hong,Zhao Yixin. Wireless automatic loading test system for industrial CT based on virtual instrument[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2012,33(8)：1754-1757.Abstract ID:1003-188X(2017)04-0226-EA

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

吉林省教育厅职业教育与成人教育教学改革研究项目(2014ZCY112)

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

S225.91

A

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