果園開溝深度寬度監(jiān)測裝備設(shè)計與試驗*

周馨曌，坎雜，蒙賀偉，戚江濤，趙旭洋，李亞萍

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子，832000；2.綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化教育部工程中心，新疆石河子，832000)

0 引言

近年來，我國水果種植業(yè)得到了迅速的發(fā)展，水果成為中國繼糧食和蔬菜之后的第三大農(nóng)作物[1]，截至2018年底，我國水果種植面積達(dá)11 874.93 khm2[2]。隨著林果種植面積的增加，果園管理機(jī)械的市場需求不斷增大，為了滿足市場需求，相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械取得了快速的發(fā)展[3]，其中果園開溝機(jī)成為人們的重點(diǎn)關(guān)注對象之一。

機(jī)械化開溝作業(yè)不僅能夠縮短工作周期、減少人工成本、降低人工勞動強(qiáng)度，同時高質(zhì)量的開溝作業(yè)還是保證果樹保質(zhì)增產(chǎn)的重要舉措[4-6]。但在開溝作業(yè)過程中，若開溝機(jī)械的作業(yè)參數(shù)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則會對果樹施肥效果、果樹生長效果以及果品品質(zhì)造成影響。傳統(tǒng)的開溝作業(yè)質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的采集主要是通過人工測量開溝深度、開溝寬度等指標(biāo)，但這種方法存在效率低下、工作量大、測量精度低、實時性差等問題，因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)對提高農(nóng)業(yè)智能化自動化水平具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的研究，Xiang等[7]開發(fā)了一款A(yù)MR11和GNSS的農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示和儲存位置坐標(biāo)、作業(yè)區(qū)域以及工作路徑，計算出現(xiàn)場總面積、工作速度、實時工作面積等參數(shù)信息。Wang等[8]提出了一種農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)據(jù)的實時采集和遠(yuǎn)程實時監(jiān)控調(diào)度。Grevisjames等[9]設(shè)計了一種拖拉機(jī)性能監(jiān)視設(shè)備，該監(jiān)視設(shè)備可以實時監(jiān)測拖拉機(jī)的地面速度，牽引桿拉力，車輪滑移，燃料消耗和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。Singh等[10]研制的主耕設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對三點(diǎn)聯(lián)動力、地面速度、耕作深度、油耗、前進(jìn)速度、滑移、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓和流體溫度等參數(shù)的測量。盧臘[11]設(shè)計了基于LabVIEW的聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了六路轉(zhuǎn)軸扭矩/轉(zhuǎn)速的監(jiān)測，并具備關(guān)鍵部位視頻監(jiān)測的功能，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)速測量結(jié)果相對準(zhǔn)確。吳寶山[12]研制了播種機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，搭建了播種機(jī)作業(yè)狀態(tài)判別算法，實現(xiàn)了對播種機(jī)作業(yè)工況的遠(yuǎn)程監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理。劉碧貞等[13]研制了谷物收割機(jī)作業(yè)綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)械地理位置、收割面積等數(shù)據(jù)的采集，以及作業(yè)軌跡和產(chǎn)量分布的繪制，系統(tǒng)產(chǎn)量測量誤差小，性能穩(wěn)定。從以上學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，智能化農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)對于提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量、降低人工成本、提升農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化水平具有重要意義，同時也為本系統(tǒng)的開展提供了參考依據(jù)。

為解決開溝作業(yè)過程中存在的開溝深度、開溝寬度人工監(jiān)測工作量大、實時性較差等問題，本文結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究，研制了果園開溝深度寬度監(jiān)測裝備，該裝備搭建了果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺，開發(fā)了果園開溝深度寬度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)開溝深度、開溝寬度、作業(yè)時間等參數(shù)的實時監(jiān)測、計算、顯示與保存，為果園開溝作業(yè)質(zhì)量的實時監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

1 裝備總體設(shè)計

為了實現(xiàn)開溝深度、寬度數(shù)據(jù)的實時采集、顯示與保存，本裝備主要由果園開溝深度寬度監(jiān)測系統(tǒng)及果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺組成。其中監(jiān)測系統(tǒng)由Arduino單片機(jī)下位機(jī)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)與LabVIEW上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)組成，主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、顯示與保存；結(jié)合開溝作業(yè)特點(diǎn)，對監(jiān)測平臺裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，為監(jiān)測系統(tǒng)提供安裝平臺，最終完成果園開溝深度寬度監(jiān)測裝備的功能與設(shè)計。監(jiān)測裝備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測裝備總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of monitoring equipment

2 果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺設(shè)計

由于在開溝作業(yè)過程中，開溝機(jī)機(jī)架、刀盤及導(dǎo)流罩作業(yè)灰塵較大，開溝機(jī)作業(yè)現(xiàn)場測量環(huán)境較為惡劣，若超聲波傳感器安裝在機(jī)架及刀盤附近，會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)誤差較大，系統(tǒng)監(jiān)測性能降低等問題。

為了降低作業(yè)過程中灰塵對監(jiān)測系統(tǒng)性能的影響，本文設(shè)計了果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對地形的仿形功能，并為監(jiān)測系統(tǒng)提供安裝平臺。該裝置主要由機(jī)架、控制盒、掛接節(jié)點(diǎn)、配重、傳感器平衡裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of orchard ditching depth and width monitoring platform1.配重 2.機(jī)架 3.掛接節(jié)點(diǎn) 4.控制盒 5.傳感器平衡裝置

控制盒用于安裝果園開溝深度寬度監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)；掛接節(jié)點(diǎn)用于連接牽引繩，使監(jiān)測平臺與開溝刀盤機(jī)架相連接，實現(xiàn)開溝作業(yè)過程中監(jiān)測平臺與開溝機(jī)一同前進(jìn)；配重用于防止車速較快時導(dǎo)致監(jiān)測平臺側(cè)翻；傳感器平衡裝置用于安裝超聲波傳感器，該裝置示意圖如圖3所示。為了降低地面起伏對測量結(jié)構(gòu)的影響，裝置在傳感器平衡裝置中添加了鉸接結(jié)構(gòu)，當(dāng)果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺機(jī)架傾斜時，傳感器平衡裝置的鉸接結(jié)構(gòu)由于自身重力原因，使該裝置水平面時刻與地面保持平行，防止由于機(jī)架傾斜對超聲波測深、測寬造成的影響。

圖3 傳感器平衡裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of sensor balancing device1.測深傳感器 2.左側(cè)溝寬測量傳感器 3.右側(cè)溝寬測量傳感器

在對監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計后，對裝備的參數(shù)進(jìn)行選擇。在實際應(yīng)用中，果園開溝寬度一般在25～35 cm，且開溝作業(yè)時，拋撒的土壤會堆積在溝的兩側(cè)，若平臺寬度過窄，則平臺前進(jìn)時單向輪騎行在堆積土壤上，影響監(jiān)測平臺前進(jìn)的平穩(wěn)性；同時，考慮到開溝深度不同時，土壤在溝兩側(cè)堆積量和堆積高度不同，為防止監(jiān)測平臺距離地面距離過低，將堆積土壤刮蹭回溝內(nèi)的情況，設(shè)計監(jiān)測平臺機(jī)架底部高度可調(diào)；同時，為了使傳感器能夠與溝面平行，傳感器平衡裝置長短可調(diào)；在對監(jiān)測平臺可行性進(jìn)行預(yù)驗證時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開溝作業(yè)速度較快時，監(jiān)測平臺存在側(cè)翻的問題，因此在監(jiān)測平臺上裝備配重模塊，進(jìn)一步提高平臺的可靠性。綜合考慮以上因素，監(jiān)測平臺參數(shù)如表1所示。

表1 監(jiān)測平臺主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of monitoring platform

3 果園開溝深度寬度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

果園開溝深度寬度監(jiān)測系統(tǒng)主要由Arduino單片機(jī)下位機(jī)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)與LabVIEW上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)組成。Arduino單片機(jī)下位機(jī)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)實現(xiàn)溝深、溝寬數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過串口上傳給LabVIEW上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)接收下位機(jī)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解算、顯示及保存功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 果園開溝深度寬度監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.4 General structure of orchard ditching depth and width monitoring

3.1 果園開溝深度寬度監(jiān)測下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 硬件設(shè)計

果園開溝深度寬度監(jiān)測下位機(jī)系統(tǒng)硬件部分主要由超聲波傳感器、單片機(jī)及串口通訊模塊組成，系統(tǒng)連線示意圖如圖5所示。其中溝深、溝寬傳感器選擇KS103超聲波傳感器，該傳感器在滿足快速近距探測的同時自帶實時溫度補(bǔ)償，能夠較好地滿足系統(tǒng)需求；單片機(jī)采用Arduino Nano，該單片機(jī)尺寸小巧功能強(qiáng)悍，同時提供Mini-B標(biāo)準(zhǔn)的USB接口進(jìn)行供電；串口通訊通過Arduino Nano單片機(jī)的USB串口通訊模塊實現(xiàn)，主要由FT232RL芯片與MINI-USB串口組成，完成上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。

圖5 下位機(jī)系統(tǒng)連線示意圖Fig.5 Wiring diagram of lower computer system

3.1.2 軟件設(shè)計

果園開溝深度寬度監(jiān)測下位機(jī)系統(tǒng)在Arduino IDE軟件中進(jìn)行開發(fā)，采用C/C++的計算機(jī)編程語言對系統(tǒng)程序進(jìn)行編寫，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

超聲波傳感器與單片機(jī)通訊采用I2C通信模式，設(shè)置I2C地址分別為0xe8、0xfa、0xfe。其測量原理為：超聲波發(fā)射裝置發(fā)射出超聲波，記錄當(dāng)前發(fā)射時間t1，當(dāng)超聲波遇到被測物后，回波返回發(fā)射方向，傳感器接收到反射波后記錄此時時間t2，時間間隔為t2-t1，結(jié)合超聲波在當(dāng)前環(huán)境下的傳播速度v，即可計算出傳感器與被測物之間距離，計算公式如式(1)所示。

S=v(t2-t1)

(1)

在實際應(yīng)用中，果園開溝深度不大于40 cm，開溝作業(yè)環(huán)境溫度不恒定，而超聲波聲速受到環(huán)境溫度的影響[14-15]，進(jìn)而影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，文中選擇0xb4探測指令實現(xiàn)帶有高精度溫度補(bǔ)償?shù)木嚯x探測，使探測值更穩(wěn)定更精確。由于系統(tǒng)選擇USB接口對系統(tǒng)元器件進(jìn)行供電，因此降噪指令選擇0x71二級降噪，超聲波傳感器工作流程示意圖如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)上電啟動后，對傳感器寄存器進(jìn)行初始化，根據(jù)監(jiān)測要求設(shè)置傳感器探測模式，發(fā)送數(shù)據(jù)接收指令讀取寄存器數(shù)據(jù)并合成，實現(xiàn)深度、寬度數(shù)據(jù)的采集。

圖6 超聲波傳感器工作流程Fig.6 Workflow of ultrasonic sensor

下位機(jī)系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 下位機(jī)系統(tǒng)工作流程Fig.7 Workflow of lower computer system

通過設(shè)置狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)不同傳感器數(shù)據(jù)的讀取與傳輸，本文將狀態(tài)機(jī)分為4個狀態(tài)，其中狀態(tài)0為等待狀態(tài)，狀態(tài)1為讀取1號KS103超聲波傳感器數(shù)據(jù)，狀態(tài)2為讀取2號KS103超聲波傳感器數(shù)據(jù)，狀態(tài)3為讀取3號KS103超聲波傳感器數(shù)據(jù)，狀態(tài)4將以上傳感器數(shù)據(jù)傳輸至串口，通過對以上狀態(tài)的循環(huán)執(zhí)行，實現(xiàn)對開溝深度、開溝寬度等參數(shù)的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.2 果園開溝深度寬度監(jiān)測上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

果園開溝深度寬度監(jiān)測上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收、解析以及實時顯示開溝深度、開溝寬度數(shù)據(jù)、作業(yè)時間，同時負(fù)責(zé)開溝深度穩(wěn)定性的實時計算，并對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及保存功能；該系統(tǒng)主要由用戶登陸模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)計算模塊、數(shù)據(jù)庫保存模塊等幾部分組成。

系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，首先輸入用戶名與密碼，成功登陸密碼后，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對下位機(jī)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行接收、計算、顯示，最后通過Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，系統(tǒng)工作流程圖及系統(tǒng)界面如圖8所示。

(a)工作流程

數(shù)據(jù)解析部分通過設(shè)置不同的數(shù)據(jù)幀頭，對下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀頭匹配，實現(xiàn)對3個傳感器數(shù)據(jù)的識別，并從當(dāng)前字符串中將有效數(shù)據(jù)剝離，供系統(tǒng)進(jìn)行下一步處理，該部分流程框圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)解析程序框圖Fig.9 Block diagram of data analysis program

參數(shù)設(shè)置主要包括開溝深度上限、數(shù)據(jù)幀頭、通訊串口以及數(shù)據(jù)庫名稱。開溝深度上限的設(shè)置能夠在系統(tǒng)計算開溝深度穩(wěn)定性時，將過大的無效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，防止錯誤數(shù)據(jù)對計算結(jié)果進(jìn)行干擾，其程序框圖如圖10所示。其原理為：當(dāng)測量的溝深數(shù)據(jù)在零至開溝深度上限數(shù)值范圍內(nèi)時，則視為有效數(shù)據(jù)，計算開溝深度穩(wěn)定性，否則視為無效數(shù)據(jù)不進(jìn)行計算，其中開溝深度穩(wěn)定性按照NY/T 740—2003農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算。

圖10 開溝深度穩(wěn)定性計算程序框圖Fig.10 Block diagram of stability calculation program for trenching depth

數(shù)據(jù)保存通過INSERT INTO語言將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)插入到用戶所選擇的數(shù)據(jù)庫中，該部分程序框圖及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)保存情況如圖11所示。

(a)數(shù)據(jù)保存程序框圖

4 性能測試

為了驗證裝備的穩(wěn)定性與可靠性，試驗在新疆維吾爾自治區(qū)石河子市對果園開溝深度寬度監(jiān)測裝備進(jìn)行性能試驗，試驗現(xiàn)場如圖12所示。通過開溝機(jī)對25 cm、30 cm、35 cm三個開溝深度水平進(jìn)行作業(yè)，每個深度水平設(shè)置3個測量點(diǎn)，每個測量點(diǎn)取值5次，求取該測量點(diǎn)溝深、溝寬平均值，將實際值與系統(tǒng)測量值進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

圖12 試驗現(xiàn)場示意圖Fig.12 Schematic diagram of test site

通過表2可以看出，果園開溝深度寬度監(jiān)測裝備能夠滿足開溝作業(yè)過程中開溝深度、開溝寬度實時監(jiān)測的需求，開溝深度為25 cm時其測量誤差最大為 3.1 cm，開溝深度為30 cm時其測量誤差最大為2.7 cm，開溝深度為35 cm時其測量誤差最大為3.7 cm，開溝寬度的測量誤差最大為3.1 cm，能夠滿足實際應(yīng)用需求。

表2 性能試驗結(jié)果Tab.2 Performance test results cm

5 結(jié)論

1)本文搭建了果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺，開發(fā)了果園開溝深度寬度監(jiān)測系統(tǒng)，完成了果園開溝深度寬度監(jiān)測裝備的設(shè)計，實現(xiàn)了開溝深度、開溝寬度、作業(yè)時間等參數(shù)的實時監(jiān)測、計算、顯示與保存，能夠滿足實際應(yīng)用需求，為果園開溝作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

2)為了降低作業(yè)過程中灰塵對監(jiān)測系統(tǒng)性能的影響，對果園開溝深度寬度監(jiān)測平臺進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了對地形的仿形功能，為監(jiān)測系統(tǒng)提供安裝平臺，并配有傳感器平衡裝置，降低了機(jī)架傾斜對數(shù)據(jù)測量造成的影響。

3)以Arduino Nano單片機(jī)為核心，對下位機(jī)硬件部分及軟件部分進(jìn)行了設(shè)計，完成了果園開溝深度寬度監(jiān)測下位機(jī)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的搭建，實現(xiàn)對開溝深度、開溝寬度等參數(shù)的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)通訊功能。

4)基于下位機(jī)系統(tǒng)，搭建了果園開溝深度寬度監(jiān)測上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，通過用戶登陸模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)計算模塊、數(shù)據(jù)庫保存模塊，通過對數(shù)據(jù)接收、解析，實現(xiàn)了開溝深度、開溝寬度數(shù)據(jù)的實時顯示，同時負(fù)責(zé)開溝深度平均值、開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差、開溝深度穩(wěn)定性、作業(yè)時間等參數(shù)的實時監(jiān)測計算、顯示以及數(shù)據(jù)庫保存功能。

5)通過進(jìn)行田間試驗表明，果園開溝深度寬度監(jiān)測裝備能夠滿足開溝作業(yè)過程中開溝深度、開溝寬度實時監(jiān)測需求，開溝深度為25 cm時測量誤差不超過3.1 cm，開溝深度為30 cm時測量誤差不超過2.7 cm，開溝深度為35 cm時測量誤差不超過3.7 cm，開溝寬度的測量誤差不超過3.1 cm，實時性較好。