基于北斗GPS 谷物聯(lián)合收割機測產(chǎn)計價系統(tǒng)設(shè)計

童智倩，張 弛，楊百勝，王梓義，李佩盈，陳樹人

（1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)村出現(xiàn)了大批的農(nóng)機隊及農(nóng)業(yè)機械化服務(wù)站等，為農(nóng)戶提供代耕、代收服務(wù)。其中，跨區(qū)作業(yè)占據(jù)國內(nèi)最大的農(nóng)機作業(yè)服務(wù)市場，據(jù)統(tǒng)計，2020 年全國約有1 640 萬臺農(nóng)業(yè)機械和320 萬名農(nóng)機手投入“三夏”生產(chǎn)服務(wù)，各地共組織調(diào)度65 萬臺聯(lián)合收割機參與夏收，其中，跨區(qū)作業(yè)聯(lián)合收割機達(dá)到27.6 萬臺，8 kg 以上大喂入量機型占比達(dá)到70%，同比提高10 個百分點[1]。但在跨區(qū)作業(yè)收費時，因不同地區(qū)的經(jīng)濟、消費水平有差異，田間作業(yè)時農(nóng)戶不能及時了解田間收獲的產(chǎn)量狀況，與農(nóng)機主經(jīng)常在農(nóng)機收費方面產(chǎn)生糾紛，影響作業(yè)效率。因此聯(lián)合收割機跨區(qū)作業(yè)收費標(biāo)準(zhǔn)問題隨之產(chǎn)生。

“精細(xì)農(nóng)業(yè)”是一種基于現(xiàn)代化技術(shù)的田間管理手段。獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量分布信息是實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要起點[2-3]。谷物產(chǎn)量可以直接反映農(nóng)田信息對谷物產(chǎn)量的影響，農(nóng)戶可據(jù)此對農(nóng)作物的種植方案進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到節(jié)本增效等目的，并且谷物產(chǎn)量可作為農(nóng)機作業(yè)費用的重要依據(jù)[4]。

1992 年，Ag Leader 公司首次將谷物產(chǎn)量監(jiān)測器成功推向市場[5]。迄今，國外谷物測產(chǎn)技術(shù)成熟[6-8]。國內(nèi)也一直在進(jìn)行谷物測產(chǎn)方面的研究，雖然沒有商品化谷物流量傳感器，但也累積了大量成果[9]。上海交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和江蘇大學(xué)等機構(gòu)一直致力于相關(guān)技術(shù)的研究，研制出了沖量式、γ 線式和稱重式等用于谷物測產(chǎn)的裝置或系統(tǒng)[10-13]。目前計價系統(tǒng)研究進(jìn)展少，大多是根據(jù)割幅、轉(zhuǎn)速等測得面積計價，原理單一，測量誤差一般在10%左右，但安裝麻煩，難以推廣應(yīng)用[14-15]。

針對這些情況，本文設(shè)計一種基于北斗GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)谷物聯(lián)合收割機測產(chǎn)計價系統(tǒng)，結(jié)合“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”理念，以產(chǎn)量為計價依據(jù)，可滿足當(dāng)今精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展和跨區(qū)作業(yè)的需要，提高谷物聯(lián)合收割機產(chǎn)品的智能性與競爭力。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由谷物流量傳感器、定位模塊和測產(chǎn)計價顯示器3 部分組成，見圖1。谷物流量傳感器用于獲取收割的谷物流量信息；定位模塊用于獲取收割機的位置信息；測產(chǎn)計價顯示器包括單片機控制電路、觸摸屏及上位機，用于顯示產(chǎn)量、經(jīng)緯度、單價和收費價格等信息，控制電路以stm32 單片機作為控制核心，基于模塊化思想展開設(shè)計，主要有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，觸摸屏串口電路，定位模塊電路等組成。

圖1 測產(chǎn)計價系統(tǒng)整體示意圖

1.1 谷物流量傳感器設(shè)計

谷物流量傳感器是谷物測產(chǎn)系統(tǒng)的核心部件，為系統(tǒng)提供處理所必需的原始谷物流量信息。目前，國內(nèi)外谷物流量傳感器的發(fā)展主流仍是沖量式和光電式[9]，其中沖量式谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，被大多數(shù)聯(lián)合收割機廠家采用，因此設(shè)計雙板差分沖量式谷物流量傳感器。該傳感器能有效降低機械振動的影響，從而使測產(chǎn)結(jié)果更為精確。

此傳感器有2 塊檢測板，前置檢測板為沖擊板，通過感受谷物的沖擊力以測量谷物的流量，同時受到機器振動的影響；后置檢測板為檢振板，只會受到機器振動的影響。2 塊檢測板特性一致，檢振板檢測的振動信號與沖擊板的振動信號是一對共模信號，可用差分的方法消除振動信號，提高信噪比[16]。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

由于傳感器輸出0～0.5 mV 信號,并且單片機采集到的信號是共模信號, 因此選用較好性能的芯片HX711，與其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，降低了整機成本,提高了整機的性能和可靠性。當(dāng)有外接電阻時,其A通道提供了128 倍的信號增益，輸出A/D轉(zhuǎn)換值，以多位數(shù)據(jù)的串口傳輸形式，輸送給單片機。

該系統(tǒng)采用雙通道數(shù)據(jù)采集電路采集傳感器信號，傳感器向HX711 芯片傳遞壓力信號（模擬信號）后，HX711 芯片將接收到的壓力信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并轉(zhuǎn)換成相關(guān)信息通過觸摸屏實時顯示。

STM32 的ADC 是12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它有18 個通道，可測量16 個外部和2個內(nèi)部信號源。本方案使用STM32 內(nèi)部集成的12位ADC,以40 kHz 采樣頻率采集谷物流量傳感器的信號，ADC 采樣電壓范圍為0～3.3 V，并以115 200 波特率經(jīng)RS232 串口發(fā)送到計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

1.3 觸摸屏的選用

采用TJC4832T135_011 串口觸摸屏對信息進(jìn)行實時顯示與操作，此USART HMI 將底層功能封裝在HMI 設(shè)備中，通過串口與stm32 進(jìn)行通信交互，stm32 只需通過串口與HMI 設(shè)備發(fā)送/ 接收指令，HMI 設(shè)備即可作出相應(yīng)響應(yīng)，滿足數(shù)據(jù)顯示的需求，同時也可以對程序進(jìn)程進(jìn)行簡單地操作，且3.5 寸屏幕不需要額外附加電源，避免電源電路復(fù)雜化，見圖2。

圖2 TJC4832T135_011 串口觸摸屏

觸摸屏的作用如下：

（1）信息顯示，主要顯示的信息有測產(chǎn)信息、地理位置信息、費用信息等。

（2）通過對HMI 中控件的操作，可以對測產(chǎn)進(jìn)程進(jìn)行包括開始、暫停、停止等操作，控制stm32 與上位機之間的信息傳遞，在離線操作時，可充當(dāng)臨時上位機的作用。

1.4 定位模塊的選用

采用基于ATGM336H-5N 的高性能BDS/GNSS定位導(dǎo)航模塊,見圖3。該模塊可實現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時，具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢，能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需求，并幫助實現(xiàn)一種基于北斗/GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)的測產(chǎn)計價方法。

圖3 北斗/GPS 模塊

一種基于北斗/GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)的測產(chǎn)計價方法如下：

（1）糧食單價確定，通過該模塊測取測產(chǎn)區(qū)域的坐標(biāo)，在地圖上顯示農(nóng)作物所在區(qū)域，進(jìn)而確定測產(chǎn)區(qū)域的糧食單價信息。

（2）位置產(chǎn)量記錄，記錄每個采樣區(qū)域的單位面積產(chǎn)量與區(qū)域中心坐標(biāo)。具體步驟如下所示：

①記錄坐標(biāo)：對測產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行測量，以1 s 為一個采樣周期，通過GPS 模塊記錄采樣前后兩點的經(jīng)緯度坐標(biāo)，進(jìn)而計算出兩點之間的位移。

②測算面積：通過兩點之間的位移乘以收割機割臺寬度得到該采樣區(qū)域面積。

③測算產(chǎn)量：通過將采樣時間內(nèi)收集的糧食產(chǎn)量除以采樣區(qū)域面積，獲取該區(qū)域中農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量，并記錄產(chǎn)量信息與該區(qū)域中心坐標(biāo)。

（3）區(qū)域面積界定，根據(jù)測產(chǎn)的需要，通過GPS模塊測取測產(chǎn)區(qū)域的位置信息，并在地圖上將測產(chǎn)區(qū)域標(biāo)記出來，進(jìn)而界定所需要評估區(qū)域的邊界，通過邊界的坐標(biāo)信息，從而統(tǒng)計出邊界內(nèi)的區(qū)域面積。

（4）整體區(qū)域測算：根據(jù)各單位糧食質(zhì)量、待測區(qū)域面積以及糧食單價，估計出該區(qū)域的糧食總產(chǎn)值，并將其標(biāo)定在地圖上該區(qū)域所在位置。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序主要包括主程序、測產(chǎn)子程序、計量子程序、顯示子程序等，主程序部分主要完成系統(tǒng)初始化和各子程序的調(diào)用等，程序流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)主程序

2.1 測產(chǎn)子程序

在接收到開始測產(chǎn)的指令后，MCU 從GPS 模塊中讀入位置信息，傳入上位機后確認(rèn)作物單價并傳回MCU，此時進(jìn)入測產(chǎn)進(jìn)程，MCU 將作物產(chǎn)量，作物單價，作物產(chǎn)值傳入串口屏進(jìn)行顯示，MCU 將重復(fù)測產(chǎn)進(jìn)程直到接收到結(jié)束測產(chǎn)指令，此次測產(chǎn)結(jié)束后，CPU 會將此次測產(chǎn)信息進(jìn)行保存。

2.2 計量子程序

在接收到開始計量的指令后，此時進(jìn)入測面積進(jìn)程。MCU 從GPS 模塊中每隔1 s 讀入位置信息，從而計算出測產(chǎn)面積，接收到結(jié)束信號后，記錄此次測產(chǎn)中心點位置與測產(chǎn)面積，配合測產(chǎn)子程序中的作物產(chǎn)值可計算出單位面積產(chǎn)值，保存并傳入上位機。程序流程見圖5。

圖5 計量程序運行流程

2.3 顯示子程序

MCU 與觸摸屏通過串口連接，在進(jìn)行測產(chǎn)子程序與計量子程序期間，MCU 通過串口讀取觸摸屏的頁面信息，當(dāng)觸摸屏處于測產(chǎn)計價頁面時，MCU 將作物產(chǎn)量、作物單價、作物產(chǎn)值傳入觸摸屏，當(dāng)觸摸屏處于計量頁面時，MCU 將測產(chǎn)中心點位置與測產(chǎn)面積傳入觸摸屏，當(dāng)觸摸屏處于地圖界面時，可顯示實時位置。同時，測產(chǎn)界面具有開始、暫停、停止按鈕，可對程序進(jìn)程進(jìn)行操作。主頁見圖6。

圖6 HMI 主頁

3 結(jié) 論

（1）本文設(shè)計了一種基于北斗GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)谷物聯(lián)合收割機測產(chǎn)計價系統(tǒng)，系統(tǒng)由谷物流量傳感器、定位模塊和測產(chǎn)計價顯示器3 部分組成，選擇stm32 單片機作為系統(tǒng)的控制核心，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用模塊化設(shè)計思想展開設(shè)計，方便后期調(diào)試和維護(hù)。

（2）本系統(tǒng)能夠獲取聯(lián)合收割機作業(yè)過程中的谷物流量產(chǎn)量、位置信息，根據(jù)位置信息確定對應(yīng)區(qū)域的糧食單價信息，自動設(shè)定作業(yè)單價，結(jié)合作業(yè)總產(chǎn)量生成作業(yè)費用。設(shè)置定位模塊，還能夠有效地對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行界定，實現(xiàn)在地圖上顯示實時位置作物的產(chǎn)量，為后期產(chǎn)量圖與處方?jīng)Q策提供依據(jù)。