基于GPRS和ZigBee的拖拉機(jī)大燈智能控制裝備設(shè)計(jì)

米西峰，范媛媛

(焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

拖拉機(jī)大燈對(duì)農(nóng)民視線(xiàn)的影響主要在于光線(xiàn)強(qiáng)度、色彩，以及與周邊農(nóng)田的融合度等。農(nóng)田燈光強(qiáng)度和拖拉機(jī)手的安全感之間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，光線(xiàn)越強(qiáng)，拖拉機(jī)手的安全感也越強(qiáng)烈；但是，光強(qiáng)度也會(huì)對(duì)周邊的農(nóng)作物造成一定的影響，不同的色彩會(huì)引起不同的視覺(jué)感受，因此協(xié)調(diào)三者之間的關(guān)系至關(guān)重要。拖拉機(jī)大燈智能控制裝備的設(shè)計(jì)必須結(jié)合各個(gè)年齡段拖拉機(jī)手的需求，盡量從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的人性化。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該注重拖拉機(jī)大燈透明度、形狀、色彩度、光線(xiàn)與附近農(nóng)作物、水渠及鄉(xiāng)道的搭配，盡量展現(xiàn)出多類(lèi)型的景觀風(fēng)格。

1 拖拉機(jī)大燈設(shè)計(jì)光學(xué)原理與視覺(jué)關(guān)系

拖拉機(jī)大燈設(shè)計(jì)離不開(kāi)形式美法則的運(yùn)用，否則大燈的設(shè)計(jì)就是無(wú)本之源、無(wú)水之木。零部件的搭配及選用、燈網(wǎng)的肌理紋飾的選擇、燈具的樣式及冷暖的挑選、綠化的科學(xué)選用等都屬于陳設(shè)設(shè)計(jì)的范疇，如此復(fù)雜的項(xiàng)目?jī)?nèi)容更離不開(kāi)人眼視覺(jué)特性結(jié)果。亮度是表征發(fā)光面的發(fā)光物體的物理量，它是指發(fā)光面在某一個(gè)給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度及該發(fā)光面積在此方向上的投影之比。

同一束光面在不同的方向上所看到的亮度可能是不同的，因此在拖拉機(jī)大燈光線(xiàn)設(shè)計(jì)中，對(duì)稱(chēng)是保持均衡的最好的手法。比如一個(gè)狹長(zhǎng)的通道，在兩則面對(duì)面的掛畫(huà)或放置零部件，這就是最簡(jiǎn)單的對(duì)稱(chēng)的一種體現(xiàn)。

一般在圖像處理過(guò)程中使用全局閾值法得到的閾值，但是這種方法不能有效地分割出孔隙的目標(biāo)和背景。CCD圖像傳感器和傳統(tǒng)的器件不同，傳統(tǒng)器件往往都是使用電壓或者電流作為信號(hào)，而CCD圖像傳感器是利用電荷作為信號(hào)的。電荷是通過(guò)兩種渠道產(chǎn)生的，一種渠道是光注入，另一渠道是電注入。CCD一般是通過(guò)光注入來(lái)產(chǎn)生電荷的，而電荷信號(hào)QI與光照強(qiáng)度△n、光照時(shí)間TC、光敏電阻的面積A成正比例關(guān)系，即

QI=η·q·△n·A·TC

(1)

其中，η為所使用材料的量子效率；q為電子電荷量。對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像分割和邊緣檢測(cè)才能有效的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別時(shí)可以以色彩為識(shí)別依據(jù)。對(duì)于色彩的識(shí)別Roberts算子是一種非常有效的方法，該算子可以檢測(cè)出灰度或者圖像中色彩比較突出的部位。色彩變化突出的部位一般梯度較大，假設(shè)通過(guò)采集得到的一幅圖像其色彩分布為f(x,y,λx,y)，對(duì)于一個(gè)像素點(diǎn)(x,y)，其色彩變化在x,y方向的表達(dá)式為

(2)

在數(shù)字圖像中，fx、fy可用x,y方向的差分(△x,△y)表示，即

(3)

(4)

其中，p、q為階數(shù)；s為整個(gè)圖像的區(qū)域。在進(jìn)行求解時(shí)，需要借助圖像區(qū)域的零階矩和一階矩，在進(jìn)行定位時(shí)，圖像可以當(dāng)成二值圖來(lái)處理，即f(x,y)=1。這樣，零界矩m00可以表示為

(5)

零階矩就是圖像目標(biāo)區(qū)域的面積，其一階矩為

(6)

則區(qū)域的質(zhì)心(xc,yc)表示為

(7)

定位出目標(biāo)物體在一幅圖像中的位置后，就可以根據(jù)事先設(shè)定好的坐標(biāo)對(duì)物體進(jìn)行跟蹤。

2 拖拉機(jī)大燈智能控制裝備設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的大燈智能控制裝備主要由監(jiān)控中心、GPRS通信裝備、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信裝備、主控制器和子控制器等組成，裝備整體框架如圖1所示。

圖1 裝備框架圖Fig.1 The system framework diagram

拖拉機(jī)大燈智能控制裝備通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與ZigBee無(wú)線(xiàn)通信裝備之間的通信，并通過(guò)ZigBee將控制信息傳遞給主控制器和下級(jí)子控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)大燈的參數(shù)及亮化模式的設(shè)定。該通信網(wǎng)絡(luò)可以大幅度降低網(wǎng)絡(luò)通信費(fèi)用，減少通道的占用。

3 拖拉機(jī)大燈智能控制裝備裝備硬件設(shè)計(jì)

3.1 智控裝備整體方案

為了減少裝備運(yùn)行功耗、提高裝備處理速度，本拖拉機(jī)大燈智能控制裝備采用Cortex-M3 內(nèi)核的32位ARM微處理器STM32F103RCT6 作為主控芯片，其片上資源包括256K Flash，48K RAM，板載晶振8MHz，擁有豐富的接口和外設(shè)資源。其主要包括農(nóng)業(yè)園區(qū)人流量檢測(cè)、環(huán)境光線(xiàn)檢測(cè)、電源管理、GPRS模塊、ZigBee模塊和繼電器控制拖拉機(jī)大燈等部分，硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)方框圖Fig.2 The block diagram of hardware design

GPRS模塊作用是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控中心根據(jù)控制要求將信息以JSON數(shù)據(jù)包的格式，通過(guò)GPRS發(fā)送到ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊端，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)大燈的控制。

ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，負(fù)責(zé)給拖拉機(jī)大燈傳輸開(kāi)關(guān)燈指令以及獲取光線(xiàn)采集信息給STM32控制器。

農(nóng)業(yè)園區(qū)人流量監(jiān)控裝備采用紅外測(cè)控技術(shù)，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)在各個(gè)農(nóng)業(yè)園區(qū)的作業(yè)人員人數(shù)，在無(wú)人或者人少的情況下，減少拖拉機(jī)大燈的開(kāi)燈個(gè)數(shù)，降低電能損耗。

環(huán)境光線(xiàn)采集裝備，通過(guò)感知環(huán)境的光線(xiàn)強(qiáng)度，決定開(kāi)燈和關(guān)燈的時(shí)間，在光線(xiàn)較暗時(shí)，輔助調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)燈時(shí)間。

3.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊

隨著ZigBee技術(shù)日益成熟及價(jià)格的下降， 其在大多領(lǐng)域取代原始的無(wú)線(xiàn)模塊是毋庸置疑的。一般而言，終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的最大通訊距離為 200m。如在 200m的地方加入 1個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為路由器，那么終端就可以通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)，也就是說(shuō)通訊距離可達(dá) 400m，能夠大大提高ZigBee組網(wǎng)能力，特別適合在農(nóng)田場(chǎng)合的使用。本裝備設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信平臺(tái)采用TI公司的CC2530芯片，開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用IAR + Z-stack 2007 PRO，可以降低開(kāi)發(fā)周期，減少研發(fā)成本。

3.3 控制拖拉機(jī)大燈繼電器電路設(shè)計(jì)

繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量(激勵(lì)量)的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制裝備和被控制裝備之間的互動(dòng)關(guān)系，通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)” ，可在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)及轉(zhuǎn)換電路等作用。本文拖拉機(jī)大燈的開(kāi)關(guān)采用繼電器控制的方式，如圖3所示。

圖3 繼電器控制拖拉機(jī)大燈電路圖Fig.3 The circuit diagram of relay control landscape lamp

監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)給主控制器，主控制器給控制信號(hào)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到信號(hào)后執(zhí)行控制繼電器指令，從而控制臺(tái)燈。整個(gè)過(guò)程在協(xié)議棧 Z-STACK 的SampleApp.eww 上完成。

4 ZigBee裝備軟件設(shè)計(jì)

裝備軟件設(shè)計(jì)主要是為了通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)大燈狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，采用IAR Embedded Workbench為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了大量相關(guān)源代碼。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠給開(kāi)發(fā)人員極大便利，提高開(kāi)發(fā)效率。軟件流程如圖4所示。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)通信主要有3個(gè)類(lèi)型：廣播、單播和組播。本文控制的拖拉機(jī)大燈數(shù)量較多，通常是通過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，然后其他節(jié)點(diǎn)都可以收到信息，所以需要選擇廣播的通信方式。ZigBee模塊核心代碼如下：

const SimpleDescriptionFormat_t GenericApp_SimpleDesc =

{

GENERICAPP_ENDPOINT,

GENERICAPP_PROFID,

GENERICAPP_DEVICEID,

GENERICAPP_DEVICE_VERSION,

GENERICAPP_FLAGS,

GENERICAPP_MAX_CLUSTERS,

(cId_t *)GenericApp_ClusterList,

GenericApp_ClusterList[GENERICAPP_MAX_CLUSTERS]

GENERICAPP_MAX_CLUSTERS,

(cId_t *)GenericApp_ClusterList

GenericApp_ClusterList[GENERICAPP_MAX_CLUSTERS]

};

endPointDesc_t GenericApp_epDesc; //節(jié)點(diǎn)描述符

byte GenericApp_TaskID; //任務(wù)優(yōu)先級(jí)

byte GenericApp_TransID; //數(shù)據(jù)發(fā)送序列號(hào)

devStates_t GenericApp_NwkState;

void GenericApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt );

void GenericApp_SendTheMessage(void);

圖4 ZigBee裝備軟件流程圖Fig.4 The software flow chart of ZigBee system

5 問(wèn)卷分析

為了檢測(cè)拖拉機(jī)大燈智能控制裝備是否能夠滿(mǎn)足農(nóng)戶(hù)的照明需要，符合農(nóng)戶(hù)對(duì)農(nóng)田光線(xiàn)的要求，特地在某農(nóng)田做一個(gè)問(wèn)卷調(diào)查，檢驗(yàn)農(nóng)田環(huán)境實(shí)際的使用狀況意見(jiàn)的差異，調(diào)查總?cè)藬?shù)為200人。通過(guò)調(diào)查和分析作業(yè)人員與智能拖拉機(jī)大燈之間交互的感受，更合理地對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)智能管理和調(diào)控，服務(wù)于農(nóng)業(yè)作業(yè)人員。農(nóng)業(yè)作業(yè)人員滿(mǎn)意度結(jié)果如表1所示。

表1 大燈智能控制裝備滿(mǎn)意度Table 1 The satisfaction of lighting intelligent control system

由表1可以看出：拖拉機(jī)大燈的實(shí)用性、安全性、藝術(shù)性和協(xié)調(diào)性滿(mǎn)意度都在88%以上，基本滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)作業(yè)人員對(duì)環(huán)境景觀的要求，符合拖拉機(jī)手的喜好。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該裝備智能化程度較高，能夠根據(jù)天氣和季節(jié)變化，調(diào)節(jié)拖拉機(jī)大燈工作時(shí)間，裝備控制容量大，可以滿(mǎn)足拖拉機(jī)大燈多方面的應(yīng)用要求，符合設(shè)計(jì)要求，具有較好的工程意義。

6 結(jié)論

在分析拖拉機(jī)大燈裝備的基礎(chǔ)上，結(jié)合GPRS和ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模式，設(shè)計(jì)了具有智能控制功能的大燈裝備。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該裝備采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，大大降低了工程?fù)雜性，方便了農(nóng)業(yè)管理部門(mén)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理；裝備智能化程度較高，裝備控制容量大，可以滿(mǎn)足拖拉機(jī)大燈多方面的應(yīng)用要求，符合設(shè)計(jì)要求。