基于通信数据算法的智能采摘机通信系统设计

王艳平

(河南工业贸易职业学院,郑州 450000)

0 引言

苹果采摘过程是苹果种植的关键环节,自动采摘过程要求能够保证采摘质量且提高采摘作业效率。苹果采摘机作业时,先按照设定参数对采摘对象进行筛选,采摘后对采摘对象进行分类。利用采摘机可有效提高采摘作业速度,同时保持较高的采摘作业效率[1-3]。采摘过程是相对独立和封闭的工作过程,一般通过采摘后的分类情况判断采摘质量。为此,设计了一种采摘状态实时监测系统,能够有效地改善采摘质量监测过程,实现采摘环节的透明化和信息数据自动化[4-5]。

在此,利用数据通信的方式设计一种采摘作业过程监测与数据传输系统,对采摘过程实时状态数据进行监测,并传输至显示终端,以实现采摘过程的实时监测和采摘数据的自动化统计。

1 苹果采摘机监测控制

图1所示为苹果采摘机作业状态监测系统框图。在采摘过程中,苹果计数传感装置利用光电信号进行计数,并利用单片机系统时间进行采摘频率和采摘数量的统计[6]。传感装置数据信息经通信系统传输至显示终端,对苹果采摘机作业过程状态和相关参数进行显示分析[7]。

图1 苹果采摘机作业状态监测系统框图Fig.1 Working condition monitoring system block diagram of apple picker

2 采摘机监测控制硬件结构

苹果采摘机作业状态监测系统采用较高灵敏度的压电薄膜,自带屏蔽功能,可实现计数过程的光电效应,主要包含信号解调电路和单片机。系统运行过程要求功耗低,且具有较强的数据运算能力,数据分析传输过程具有较高的稳定性[8-9]。单片机中的时间终端程序对苹果采摘过程时间间隔进行快速捕获,并利用RGB信号进行采摘对象的状态监测显示[10]。苹果采摘机作业状态监测系统结构紧凑,工作过程中要求有较高的系统稳定性,同时保证状态监测过程的数据准确度不低于90%。

苹果采摘机作业状态监测过程所用通信系统主要为无线收发模块,利用通信数据算法将苹果采摘过程状态发送至显示终端。通信系统选用通信数据算法工作频率为2.4GHz,单个通道可进行32字节数据传输,通信系统协议采用应答模式对6通道数据进行相互交互,保证状态参数与显示终端之间能够无阻塞进行数据传输[11]。

苹果采摘机作业状态监测系统显示终端集成单片机系统功能、显示功能、无线数据传输功能及输入输出功能,工作频率为33MHz,工作电压3.3V,采用通信数据传输的方式进行信号接收与发送,并对监测数据进行分析处理,实现人机交互功能[12]。

3 采摘机通信系统设计

为保证苹果采摘机系统运行过程中数据传输稳定,同时不产生数据传输冲突,选用应答模式进行数据通信。图2所示为通信系统数据传输协议。工作时,终端显示设备向系统传感装置发送清零指令,并进行数据传输,传感装置收到相关指令后,进行数据置零或初始化,包含数据传输过程、等待过程及应答过程[13]。

图2 通信系统数据传输协议Fig.2 Communication system data transmission protocol

苹果采摘机通信系统进行数据传输的指令类型主要分为传输型指令和清零指令,指令长度为2个字节,数据传输过程中传输型指令字节均设置为0xff,清零指令字节均设置为0x01。数据传输过程中,数据包长度设计为13个字节,字节定义如表1所示。其中,1号字节和2号字节为计数装置信息,3号字节为检索信息数据,在传输过程中,每隔1s检索数据加1;当检索值超过150时,检索信息数据强制赋值为1。4号字节、5号字节、6号字节、7号字节及8号字节分别表示第Ks的采摘频率、第(K-1)s的采摘频率、第(K-2)s的采摘频率、第(K-3)s的采摘频率及第(K-4)s的采摘频率;9号字节为终端显示标志;10号字节表示数据传输信号通道,对传感装置和显示终端之间所选用通道的一致性进行校验;11号字节表示采摘成功数;12号字节表示漏采数;13号字节为数据校验码,用1号字节至12号字节值的和表示,对传感装置和显示终端数据一致性进行校验。

表1 数据包字节定义Table 1 Packet byte definition

数据包定义可有效满足数据传输需求,每次进行数据发送时数据为当前时间前5s数据,当发送过程中出现数据丢失现象时,可利用丢失数据后的4个数据包进行数据恢复,以减少数据传输过程中丢失数据产生的影响,有效提高数据传输过程的可靠性和准确性[14]。

监测过程中,传感装置进行数据采集和数据传输过程的信息交互两个过程,关键点可以描述为采摘数量、采摘频率以及采摘时间间隔等信息数据,计算平均采摘时间间隔可用来设置系统工作时间间隔,并将数据发送至终端显示装置。图3所示为传感装置数据采集传输流程图。

采摘机传感装置启动后,单片机系统随之进行初始化,主要完成定时器和时间中断及无线数据传输模块的初始化。定时器参数设定为1s时,用于确定计数频率。定时器参数设定为0.5s时,用于进行显示装置信号灯的控制闪烁。通信数据传输设定为接收模式。传感装置单片机系统利用中断程序进行脉冲序列采集,由此获取采摘数量和采摘时间间隔等时间序列。

在常态工作过程中,通信系统主程序不断进行是否接收到指令的信息判断,当接收到清零指令时,将采摘数量、采摘频率及采摘时间间隔清零;当接收到数据传输指令时,无线数据传输模块将工作模式设定为发送模式,并经数据包信息显示于终端装置上。

苹果采摘机终端显示系统进行数据处理与信息显示时,主要进行数据信息指令的发送、数据接受及利用图标曲线信息进行数据显示。图4所示为苹果采摘机终端显示流程图。

图4 苹果采摘机终端显示流程图Fig.4 Terminal display flow chart of apple picker

4 系统试验分析

为对苹果采摘机工作过程监测数据传输稳定性、可靠性及准确性进行验证,设计3种不同采摘频率的方式进行采摘监测试验。试验过程中,采用6路传感通道同时进行采摘数据采集,设计采摘机主电机转速分别为10、20、30r/min,当每次人工计数为1000时,停止采摘,记录此时传感装置的监测数据和显示终端的显示数据,并用监测数据与实际数据的比值表示监测准确率,用终端显示数据与实际数据的比值表示显示准确率,二者之间的相对偏差值表示通信准确率。表2所示为采摘监测试验数据。

表2 苹果采摘监测试验数据Table 2 Apple picking monitoring test data

由表2数据可以看出:传感装置监测到的采摘数量小于实际采摘数量,终端显示数量小于传感装置监测到的采摘数量,采摘监测准确率大于90%,通信中产生的数据偏差量小于4%。

5 结论

基于数据通信算法设计了一种苹果采摘机监测传感装置与显示终端之间的通信系统,可对采摘过程状态进行实时监测,并通过试验方式对监测传感装置与显示终端的通信可靠性进行了验证。