播种机远程作业监控系统设计—基于光纤传输及以太网通讯技术

杨 葵

(四川城市职业学院，成都 610101)

0 引言

无人驾驶播种机已经被初步应用到农业生产中，但由于受到远程监测和控制技术的限制，其作业效率、作业质量及作业的安全性都影响了其批量使用和推广。随着计算机和网络技术的发展，引发了远程监测、监控领域深刻的技术变革，系统结构向网络化、开放性方向发展将是技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最广泛的局域网技术，凭借其开放性好、成本低廉、数据传输率高等诸多优势，在自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。本次研究以无人驾驶播种机的控制为研究对象，以ZNE-100T模块为以太网接口，将光纤传输技术引入到了远程监控网络，以期得到较高的网络传输速度，从而提高播种机远程控制的精度，实现播种机的无人化自动作业。

1 光纤接入网技术以及以太网的优点概述

光纤接入技术是客户端与业务节点之间以光纤作为传输媒介，用户端使用铜线或者无线作为传输媒介，综合宽带承载等一系列的技术服务。光纤入网可以由网络管理接口进行配置和管理，是下一代接入网的主要入网方式。

如图1所示，光纤接入网络技术共分为两种入网方式，一种方式是点到点的以太网技术，一种是点到多点的入网技术。其中，点到多点的入网技术又分为3种，包括APON/BPON、EPON和GPON等。光纤传输具有较高的带宽和较长距离的传送能力，支持分组的方式承载上层业务。以太网技术是从局域网技术发展而来的，一般是用来解决用户的宽带接入问题的，具有很多优点，如其设备廉价、可以与IP技术无缝融合及协议简单设备兼容性好等，因此本次设计的播种机建立在光纤传输及以太网通讯技术的基础上。

图1 光纤接入技术

2 基于光纤传输的播种机远程监控系统功能设计

远程监控系统可以采集播种机的作业信息，并根据其作业情况发出控制指令，需要将信息采集设备、传感器、单片机等通过网络连接起来。为了提高传输速度，本次选用光纤以太网进行信息传输，其功能设计主要分为4部分：

1)作业信息采集与处理。作业信息的采集是播种机远程监控功能设计的主要方面，包括速度信息、播种机运行平稳信息等，这些信息通过采样和处理，可以为远程控制中心提供重要的数据参考。

2)监督功能。将监测信息进行数据处理后，可以将数据进行整理并存储，起到对历史数据和实时数据的监督功能。

3)管理功能。利用采集到的数据可以查看播种机的实时运行状态，如果存在故障或者播种质量不合格时可以发出及时的预警，并对突发事件进行报警。

4)控制功能。控制是监控的目的，可以根据监测的信息数据，对播种机发出控制指令，实现其自动化作业功能。

为了实现播种机远程监控系统的光纤传输，本次选用以太网作为接口网络，一个标准的以太网物理传输帧由7部分组成，主要为表1所示的4部分。

表1 以太网的物理传输帧结构

如表1所示：DA目的地址是48位二进制地址，表示帧传给网卡的名称和类型；SA源地址也是48位，表示帧发出的网卡名称与类型；TYPE类型字段表示帧的数据类型；DATA数据段表示光纤传输的数据包。根据光纤通信的传输特点设计了播种机远程监控系统的硬件系统框架，如图2所示。

图2 播种机监控系统硬件结构图

首先利用摄像机对播种机的运行情况进行信息采集，并利用光纤通信技术将数据传送给远程监控中心，通过数据处理得到播种机的速度信息等情况。为保证速度采集的准确性，还在播种机上安放了速度信息采集传感器，传感器将信息数据传送给单片机，然后利用通过UART0串口连接到ZNE-100T，最后通过以太网与上位机连接，实现基本的远程监控通信功能，并可实现远程控制。其通信电路的接口如图3所示。

图3 控制系统通信模块接口电路图

系统的以太网功能是通过ZNE-100T模块实现的，可以利用电平转换芯片来实现RS-232标准接口通信。当播种机的速度出现异常时，可以利用该通信模块对播种机发出控制指令，其流程如图4所示。

图4 串行通信中断流程图

串行通信采用RI标记进行判断，当RI的值为1时，说明有数据接收，程序进入中断子程序。利用子程序对数据进行分析，根据分析数据判断播种机的实时速度是否超过了设定的速度门限值，如果超过门限值需要调整播种机的速度，使其平稳作业，完成子程序后中断返回。

如图5所示：为了测试光纤通信的性能，主要对数据传送过程的丢包情况进行统计，将测试仪端口分别与被测光纤收发器A和B的以太网接口相连接。其中，A的光发送端利用光纤线路和接收器B端连接，同理B的光发送端利用光纤线路和接收器A端连接，最后通过丢包率的大小，对光纤传输性能进行判断，以决定其是否满足播种机远程通信传输的需要。

图5 光纤传输性能测试

3 播种机监控系统性能测试

为了研究基于光纤传输的播种机远程监控系统的性能，以无人驾驶播种机作为研究对象，拟对光纤传输以太网的性能进行测试，并对播种机监控的性能和播种机的总体性能进行测试，如图6所示。

图6 基于光纤以太网远程监控的无人驾驶播种机

在无人驾驶播种机作业过程中必须对其作业状态进行严格的监控，以保证播种作业的质量和播种机运行的安全性，本次主要采用光纤以太网对播种机运行情况视频和速度进行监测，以达到平稳控制播种机的目的。

首先对光纤以太网信息传输的准确性进行测试，结果如图7所示。测试结果表明：播种机监控系统光纤以太网数据的传输准确率较高，最大丢包率不超过0.5%，满足无人驾驶播种机远程控制的需求。

图7 丢包率测试曲线

对播种机的行驶速度进行了监测，结果如图8所示。监测结果表明：播种机在启动后10s之内便可以达到稳定运行的状态。对播种机的漏播率和重播率进行了数据统计，得到了如表2所示的结果。

图8 行驶速度测试曲线

表2 播种性能测试结果

表2测试结果表明:播种机的漏播率和重播率都较低，可以满足高精度无人驾驶自动化播种作业的需求。

4 结论

为了提高无人驾驶播种机自动化作业水平和播种质量，将光纤传输和以太网通信技术引入到了播种机远程监控系统中，有效提高了信息数据的传输速率，为无人驾驶控制系统提供了数据支持。为了验证方案的可行性，以无人驾驶播种机的实际作业为实验对象，对网络数据传输性能和播种机的总体性能进行了测试，包括网络丢包率、播种机的漏播率和重播率。测试结果表明：网络的数据传输性能较好，丢包率没有超过0.5%，重播率和漏播率也控制在2%以内，可以满足播种机自动作业的需求。