山地果园电动单轨运输机远程遥控系统设计

刘 易，池旭彬，颜少华,2，刘 岳,4，林梓扬，谭 睿，陈艺洋，张喜杰，李 震,2,3※

（1.华南农业大学 电子工程学院，广州 510642；2.国家柑橘产业技术体系机械化研究室，广州 510642；3.广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642；4.华南农业大学 工程学院，广州 510642）

0 引言

山地果园具有排水好、光照足、通风好等优点，适宜果树生长[1]。但是，大部分山地果园坡度为30～40°，立地条件较差，地势起伏不平，难以形成较完善的运输网络[2]。此类地区一般技术条件比较落后，基础设施不完备，果品和农资运输主要依靠人工肩担背负、畜力、摩托车或小型农用车等运送方式，运输机械化程度较低。

已有的山地果园电动单轨运输机具有结构简单、转弯半径小、轨道铺设灵活、安装及操作性能好等优点[3]，已在国内多处山地果园推广使用，如图1。山地果园蓄电池驱动的单轨运输机可沿山体铺设循环轨道，配合遥控技术，可实现操作人员与运输机分离[4]。山地果园坡度陡、山路曲折迂回、果树种植密集，运输机与操作人员间距离较远，加上之间被果树遮挡，所以对遥控系统的通信距离和稳定性提出了更高的要求。

图1 山地果园单轨运输机示意图Fig.1 Mountain orchard monorail transporter

现有的山地果园运输机控制方式主要有按钮式控制、红外线遥控控制以及无线电遥控控制。

按钮式控制需要操控人员跟随自走式运输车，以便能实时控制运输车运动状态，但山地果园环境复杂，地势起伏不平，操作人员难以操作，且安全得不到保障。

红外线遥控是利用波长范围为0.76～1.50 um之间的近红外线来传送信号，存在方向性、不通透性、有效距离短等缺点[5]，在长距离多障碍环境下的信号传送能力弱，不能很好地实现有效控制。

无线电遥控采用无线电载波来传送控制信号，该种遥控方式具有无定向性、穿透性强、传输距离远等特点[6-10]，可以更有效地实现单轨运输机的远距离遥控，被广泛地应用于山地果园运输机的无线控制。但现阶段单轨运输机使用的无线遥控传输距离有限，对于中大型果园铺设较长轨道时，易出现超出遥控距离而导致无法有效控制单轨运输机的状况，制约了单轨运输机的延展性。

本文基于山地果园电动单轨运输机设计了一种以STM32F103C8T6为主控芯片，PT2262为编码器、PT2272为译码器的远程遥控系统，并以无线电组网的形式布置在山地果园中，针对其抗干扰性、通信有效距离进行了试验，解决了现阶段山地果园单轨运输机无线遥控距离有限的问题。

1 远程遥控系统硬件设计

1.1 整体结构

山地果园单轨运输机远程无线遥控系统主要由手持遥控器模块，中继器模块和电动单轨运输机接收模块构成，如图2所示。

图 2 山地果园单轨运输机远程无线遥控系统示意图Fig.2 Schematic diagram of remote wireless remote control system for mountain orchard monorail transporter

中继系统工作在315 MHz频段，主要由无线编码/解码芯片（PT2262/PT2272，Princeton Technology Corp，台湾）、继电器模块、微处理器（STM32F 103C8T6，STMicroelectronic，美国）、电源电路、功放电路、天线、接收模块（HFJ-12V3S，深圳英特发电器有限公司，深圳）等元件构成。

图3 遥控器及车载接收器电路图Fig.3 Remote control and car receiver circuit diagram

1.2 遥控器硬件及接收器结构

遥控器主要由PT2262模块和按键电路构成，其工作电压为5 V。单轨运输机机载无线接收器采用深圳英特发电器有限公司生产的HFJ-12V3S学习型接收器。无线接收器待机功耗0.1 W，可以记忆4种频率为315 MHz的编码，如图3所示。

单轨运输机机载无线接收器的3个继电器分别控制单轨运输机的前进、后退和停止电路。当单轨运输机接收到用户端遥控器发射的前进命令时，NO1端与COM1端接通，单轨运输机控制系统接收信号，控制单轨运输机前进；当单轨运输机接收到用户端遥控器发射的停止命令时，NO2端与COM2端接通，单轨运输机控制系统接收信号，控制单轨运输机停止；当单轨运输机接收到用户端遥控器发射的后退命令时，NO3端与COM3接通，单轨运输机控制系统接收信号，控制单轨运输机后退。

1.3 中继器硬件结构

山地果园环境复杂、占地面积大，对于单轨运输机自带无线遥控系统，由于信号传送距离有限，导致在人机距离较远时无法有效控制单轨运输机。而中继器的引入可以有效的拓展控制信号的传送距离。中继器要求安装在果园内，且长时间无需更换，故要求中继器在保持稳定性的前提下，具有较长的工作时间和较低的能耗。中继器由PT2272信号接收模块、基于STM32F103C8T6的主控电路、继电器、电源模块以及PT2262信号发射模块构成，中继系统硬件框图如图4所示。

中继器接收用户端遥控器发送的控制信号或前一个中继器中继的控制信号，通过内部STM32检测位选信号，并进行处理，通过3路继电器激活PT2262信号发射模块将控制信号中继到下一个中继器，直至最终中继控制信号给运输机，进行有效的控制。

图4 遥控中继系统硬件框图Fig.4 Remote control relay system hardware block diagram

2 软件设计

山地果园电动单轨运输机具有3种运行状态：前进、停止和后退。在用户端遥控器中有与之对应的按键映射，为了实现运输机的有效控制，避免意外事故发生，要求中继能够准确传递用户端遥控器发射的控制信号。为满足中继器的设计要求，中继系统处理器采用STMicroelectronics公司设计的低功耗微处理器STM32F103C8T6，该处理器具有最高72 MHz的工作频率和强大的I/O端口，支持3种低功耗模式。

系统程序采用C语言编写，应用模块化设计，模块化的设计使得系统稳定，容易排查故障，如图5。STM32上对I/O端口进行初始化，默认进入待机状态，等待接收控制信号。当PT2272接收模块接收到控制信号时，其VT引脚产生上升沿，转变为高电平从而激活STM32主控电路，中继器退出待机模式，中继主控系统遍历检测4个数据输入引脚，解析控制信号，继而将相对应的继电器接通。继电器接通后，其对应连接的PT2262发送模块引脚也相应置高，发送对应的控制信号，这样中继系统完成了控制信号的传递。

待中继控制信号发射后进入待机模式，完成一个中继流程。当下一个信息来临时，中继系统将再次被唤醒并完成一次中继。

图5 程序流程图Fig.5 Program flow chart

3 系统试验

中继试验地点为华南农业大学工程学院北楼前山地果园电动单轨运输机轨道，如图6。

3.1 抗干扰试验

山地果园电动单轨运输机中继系统采用3节18650锂电池供电，随着使用时间和山地气温的变化可能导致电池损耗而发生电压不稳定的现象，这对运输机控制系统的稳定性会产生严重干扰。如果不采用相应的保护措施，会给运输机控制系统带来损害，影响运输机正常作业。为保证中继系统稳定工作，在软硬件方面采取了如下措施：

图6 单个中继系统示意图Fig.6 Single relay system schematic

1）采用LM2596开关电源稳压芯片（德州仪器（TI）)。LM2596具有供电电压宽、可靠性高、电流驱动能力强等特点，能有效地减小电源电压带来的信号干扰。

2）中继器主控电路在接收控制信号前保持待机状态，减小对中继器的PT2272接收模块造成的干扰。接收控制信号后中继器主控电路保持数秒延时确认，并且STM32主控电路对继电器发出的高电平时间持续500 ms，以保证PT2262发射模块能正常传送信号数据。

STM32主控电路对继电器发出高电平的持续时间对试验成功率有很大的影响，持续时间即抗干扰延时对试验成功率的影响如表1。

由表1中可知，随着抗干扰延时的缩减，四通道能通信的成功率降低。当抗干扰延时为200 ms时，四通道的通信成功率仅为4.0%；当抗干扰延时间为400 ms时，四通道的通信成功率为97.5%。

试验表明，当抗干扰延时时间超过400 ms时，通道通信的可靠性较好，当抗干扰时间少于200 ms时，其通道通信的可靠性较差，可认为无法实现对单轨运输机的有效控制。

由于中继器和车载接收器均采用PVC外壳作为保护材料，对中继器和车载接收器内PT2272接收信号有一定的影响，所以，对PT2272取下外壳和保持有外壳情况的遥控器到中继器传输距离进行测试，测试结果如表2。

表1 延时测试结果Table 1 Result of delay test

表2 有无外壳距离测试Table 2 Result of shell distance test

由表2可知，有无外壳对信号传输有较大的影响，取下外壳时有效通信距离为200 m，有外壳时有效通信距离为115 m。正常情况下，带外壳的接收器相比于裸露的接收器通讯距离减小42.5%，可认为遥控器与接收器正常通信距离为115 m。

3.2 有效通信距离试验

用一个中继器进行测试。中继与车载接收器均有PVC外壳，测试方法为保持遥控器端静止，中继器逐渐移动至最大工作距离，再保持中继器静止，车载接收器逐渐移动至最大距离。车载接收器和中继器均设立了LED灯，用以显示是否通信成功，通信成功，则LED灯亮，否则LED灯灭。山地果园电动单轨运输机对应的运动状态，分别各试验50次，测试结果如表3。

表3 通信距离测试结果Table 3 Communication distance test result

定义平均成功率为：

式中Ar为有效距离下的测试成功率，称为通信成功率，C1、C2、C3和C4是每个通道成功接收次数；Ti是第i个通道测试的总次数。定义Ar≥80%即可认为在此距离下可有效通信。

表3试验表明，中继器与用户端遥控器通信成功率随距离增加而减小，在距离150～200 m之间通信成功率稳定在89%左右，而当传输距离为250 m时立即降为56%，故单个中继器与用户端遥控通信最远有效距离在150～200 m间，取200 m为正常通信距离。

4 结论

基于现有山地果园电动单轨运输机的远程遥控系统，运用PT2262发射模块、PT2272接收模块，以STM32F103单片机为中继器核心研制的一种无线中继系统，实现了较远距离的山地果园电动单轨运输机的启动、停止和倒退控制，并对中继系统的抗干扰性进行试验，确定了中继系统的抗干扰延时；对中继系统的有效中继距离进行了试验，试验结果表明，在未使用中继系统的情况下，山地果园电动单轨运输机的无线控制距离为115 m；在无遮挡且使用一个中继系统中继控制信号的情况下，山地果园电动单轨运输机的有效控制距离扩展到200 m，使用多个中继即可满足对运输机更远距离的无线控制需求。