耕作部件性能试验台测控系统—基于ZigBee和LabVIEW

孙志全，杨 洲，孙健峰，熊平原，黄杨清，陈华明

(1.华南农业大学 工程学院， 广东 广州 510642；2.仲恺农业工程学院 机电工程学院，广州 510225)

0 引言

耕作部件性能试验台是研制新型耕作部件的必要设备，能够检测耕作部件工作性能并优化其参数[1-3]。与田间检测相比，使用耕作部件性能试验台检测具有检测成本低、土壤因素可控及不受季节等因素影响的优势，传统耕作部件性能试验台、传感器和PC机及控制执行机构之间通常使用电缆通讯[4-5]。

由于信号线和电源线并行布线，信号传输受到严重干扰，尤其在控制单元中使用变频器的情况下，采集数据的准确性大大降低。若电源线和信号线分开布线则增加了布线难度，增加试验人员安全隐患，并且电缆要防潮、防鼠，提高了试验台制造和维护成本。

ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的无线网络技术，已经应用在智能家居、智能交通、工业、农业等领域，且表现了其独特的优越性[6-9]。本文采用以CC2530为核心的ZigBee 模块，基于LabVIEW软件开发平台，研制了耕作部件性能试验台测控系统。试验人员可在PC端在线检测耕作部件工作性能并调整其工作参数。

1 总体设计

本文设计的无线测控系统基于现有耕作部件性能试验台实现，试验台示意图如图1所示，耕作台车示意图如图2所示。

1.配电柜 2.牵引驱动系统 3.钢丝绳 4.轨道 5.耕作台车 6.土槽图1 耕作部件性能试验台示意图Fig.1 Schematic diagram of performance testing platform for tillage parts

无线测控系统由PC测控端、ZigBee无线传输网络、传感器和执行机构4部分组成，每个传感器或执行机构与1个ZigBee模块连接，构成ZigBee网络终端,如图3所示。协调节点负责PC端和终端节点之间的信息转发，采集终端读取待测数据并发送到协调节点，协调节点通过RS232与PC测控端通讯，PC测控端发送执行命令，由协调节点转发给控制终端。PC测控端基于LabVIEW搭建可视化数据处理平台，实时检测并显示耕作部件性能参数，调整耕作部件工作参数。

1.电动机 2.带轮 3.扭矩转速传感器 4.电动推杆 5.变速箱 6.倾角传感器 7.台车机架 8.行走轮 9.导向轮 10.三维力传感器图2 耕作台车示意图Fig.2 Sketch map of tillage trolley

图3 系统整体结构图Fig.3 System structure diagram

2 系统硬件设计

2.1 模拟量输出传感器终端设计

使用CC2530芯片作为ZigBee模块处理器核心，CC2530集成了比标准8051MCU执行更快增强型8051内核、256kB可编程Flash和8kB RAM，还提供了广泛的外设集—包括2个USART、8个独立通道、12位ADC和21个通用GPIO，只需简单的外围电路即可构建一个ZigBee节点[10]。传感器组由旋转编码器、扭矩转速传感器、三维力传感器及倾角传感器和接近开关组成。其中，旋转编码器检测台车前进速度、扭矩转速传感器检测主动耕作部件工作扭矩和工作转速，三维力传感器检测被动耕作部件三维耕作阻力，倾角传感器检测主动耕作部件耕深，接近开关安装在距轨道尽头一定距离处，检测台车是否超过安全界线。执行机构有电动推杆，用来调节主动耕作部件耕深。ZigBee模块硬件设计如图4所示。

图4 Zigbee模块硬件结构框图Fig.4 Zigbee module hardware structure diagram

2.2 数字量输出传感器终端设计

在工程应用中，常将直线运动转换为圆周运动，通过检测测速轮转速的方式来检测被测对象直线速度。本文采用旋转编码器测量台车前进速度[11]，旋转编码器具有体积小、成本低、精度高、安装方便及抗干扰能力强等特点。在旋转编码器安装测速轮，台车前进时，测速轮在轨道面上滚动，旋转编码器输出脉冲信号，CC2530读取脉冲信号，计算出台车前进速度。系统选用欧姆龙E6B2-CWZ6C 100P/R 增量型旋转编码器，测速轮每转1周，编码器输出100个脉冲信号。增量式旋转编码器利用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差为90°，从而可方便地判断出旋转方向；而Z相为每转1个脉冲，用于基准点定位；接合CC2530后，增量式旋转编码器在角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。旋转编码器与CC2530连接电路如图5所示。

2.3 模拟量输出传感器终端设计

系统设计使用的倾角传感器和三维力传感器输出的是电压信号。倾角传感器采用深圳瑞芬科技有限公司研制的MCA410型倾角传感器，量程±90°；三维力传感器采用蚌埠传感器系统工程有限公司研制的JDS型三维力传感器，量程Fx=Fy=Fz=2kN。CC2350内置8个独立输入通道12位ADC，可接受单端或差分信号，不需要增加其他芯片即可对主动耕作部件耕深和被动耕作部件三维工作阻力进行检测。由于CC2530参考电压3.3V，传感器输出电压最大5V，需要对传感器输出信号进行分压。本文使用美信MAX5490高精度分压器进行分压，电路如图6所示。

图5 数字信号输出传感器电路设计Fig.5 Design of digital signal output sensor circuit

图6 模拟信号输出传感器电路设计Fig.6 Design of analog signal output sensor circuit

3 系统软件设计及试验分析

3.1 ZigBee节点软件设计

基于TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0 -1.4.0 协议栈，利用IAR Embedded WorkbenchV7.60 for 8051集成开发平台设计系统软件。当无线测控系统开始工作时，ZigBee网络协调节点上电之后将根据预先定义的网络编号PANID，启动并组建ZigBee网络， 等待路由节点或终端节点的入网请求;组网后，各个传感终端开始采集信息，将检测数据发送到协调节点。ZigBee网络终端节点上电后进行初始化工作，然后进入OSAL任务主循环即while循环，系统在此循环中主要执行检查和处理事件程序工作，完成读取传感器信息、收发数据等任务。ZigBee工作流程图如图7所示。

图7 Zigbee工作流程图Fig.7 Zigbee workflow diagram

3.2 PC测控端软件设计

试验室虚拟仪器平台(LabVIEW)是美国国家仪器公司(简称NI)的创新软件产品，使用G语言(图形化编辑语言)编程，其应用范围已经覆盖了工业自动化、测试测量、嵌入式应用、运动控制、图像处理及计算机仿真等众多领域。在LabVIEW开发环境里，通过VISA对串口通信参数包括波特率、数据长度、奇偶校验等进行配置，使用VISA Read 读取ZigBee协调节点发来的数据，使用VISA Write把命令发给协调节点，再通过无线网络发送给控制终端[12-13]。LabVIEW PC测控端界面如图8所示。

为避免协调节点接受多个终端节点数据之间出现混淆，系统为每个采集终端分配编号A、B、C等，控制终端分配编号a、b、c等；PC测控端接收到数据后，判断节点编号再做相应处理。在程序设计过程中，库函数的调用，很大程度上降低了编程难度。LabVIEW可设计友好的用户界面，将读取的数据及分析结果直观显示在前面板上[17]。为了便于以后对数据进行历史查询和分析，系统可对测试数据以电子表格文件进行存储、绘图及打印等。

图8 PC端测控软件Fig.8 Structure of elevating mechanism

3.3 试验分析

为验证所设计基于无线测控系统的实用性和数据采集精确性，在耕作部件性能试验台上对并列旋耕式开沟器工作性能进行检测。以工作扭矩为试验指标, 以耕深10cm，转速320r/min，前进速度为0.1、0.2、0.3m/s设计单因素试验[14]。试验台如图9所示，开沟器安装图如图10所示。

图9 耕作部件性能试验台Fig.9 Performance testing platform of tillage parts

图10 并列旋耕式开沟器安装图Fig.10 Parallel disc opener installation diagram

试验结果如图11和图12所示。由图11得出：并列旋耕式开沟器运行时，工作扭矩在一定范围内波动，当测点位移在2.75m和3.75m附近时，0.3m/s的工作扭矩小于0.2m/s的工作扭矩。分析原因：可能是在这两测点附近，土壤硬度差异较大造成的，因此通过试验台试验检测耕作部件性能，仍需采用重复试验取均值的方法提高试验结果可靠性。

图11 开沟器工作扭矩随位移变化曲线图Fig.11 Working torque change curve with displacement curve

图12 开沟器平均工作扭矩随速度变化曲线图Fig.12 Average working torque change curve with speed

图12表明：当速度从0.1m/s增加到0.2m/s时，开沟器平均工作扭矩从9.14N·m增加到20.55N·m，增加了55.51%；当速度从0.2m/s增加到0.3m/s时，开沟器平均工作扭矩从20.55N·m增加到25.72N·m，增加了20.12%。在耕深10cm、转速320r/min条件下，并列旋耕式开沟器工作扭矩与机组前进速度成正比，但随前进速度增加工作扭矩增速变缓。试验结果表明：所设计耕作部件性能试验台无线测控系统运行可靠，满足耕作部件性能测试试验要求。

4 结论

1)设计了基于ZigBee无线网络和LabVIEW的耕作部件性能试验台无线测控系统，阐述了以CC2530芯片为硬件核心构建ZigBee无线网络，使用IAR开发环境基于TI公司的Z-Stack协议栈完成无线网络协调节点和终端节点的程序设计过程，并基于LabVIEW软件开发环境，研制了系统测控软件。终端节点之间通过ZigBee无线网络通信，协调节点和PC测控端之间通过RS232串口通信， PC端测控软件执行对试验台运行状态和耕作部件工作参数的检测与控制。

2)试验结果表明：该系统具有实时显示、参数控制及报警等功能，可实现对试验台耕作刀盘转速和台车运行速度的闭环控制，且运行稳定。设计的耕作部件性能试验台无线测控系统有效地解决了传统试验台布线复杂及信号传输干扰大的问题，为耕作部件性能试验台测控设计提供一种方案。

参考文献：

[1] 于艳， 龚丽农，尚书旗.农机土槽试验动力学参数测试系统的研制[J].农业工程学报， 2011(S1):323-328.

[2] 洪添胜，罗锡文，王卫星，等.室内土槽计算机测试系统的研制[J].农机化研究， 1999(4):50-53.

[3] 王卫星，罗锡文，区颖刚，等.土槽试验计算机模拟加载系统的研究[J].农业工程学报， 1997(4):32-35.

[4] 潘世强，操子夫，赵婉宁，等.微型土槽试验台的优化设计与试验[J].农机化研究， 2015,37(10):144-146,262.

[5] 刘春鸽，王晓燕.土壤耕作部件测试装置的设计[J].农机化研究， 2014,36(8):70-73.

[6] 武彦，刘子帆，何东健,等.奶牛体温实时远程监测系统设计与实现[J].农机化研究， 2012,34(6):148-152.

[7] 尹彦鑫，郑永军，徐博,等.基于无线传感网络的耕种机具空间力监测系统开发与试验[J].农业工程学报， 2013(8):62-68.

[8] 舍乐莫， 杨瑞成，王彪.播种机漏播补种系统设计——基于ZigBee无线传感网络[J].农机化研究， 2016,38(10):203-207.

[9] 赵荣阳， 王斌，姜重然.基于ZigBee的智能农业灌溉系统研究[J].农机化研究， 2016,38(6):244-248.

[10] 王鑫， 潘贺，杨简.基于CC2530的ZigBee无线温湿度监测系统设计[J].中国农机化学报， 2014(3):217-220,238.

[11] 杨洪扣， 刘军，李丽宏.一种基于旋转编码器的车辆行车状态无线监测装置[J].中国测试， 2014(3):80-84.

[12] 湘董，邹国奎.基于LabVIEW的远程测控方法研究[J].自动化仪表， 2006,27(1):6-8.

[13] 丁宇康.基于LabVIEW的测控平台的构建[J].电子测量技术， 2007,30(11):148-151.

[14] 叶强. 葡萄园小型开沟机开沟部件设计与试验[D].长沙：湖南农业大学，2013：38-40.