基于GPS 的聯(lián)合收割機(jī)智能測產(chǎn)儀器研制

1、基于GPS 的聯(lián)合收割機(jī)智能測產(chǎn)儀器研制摘要:提出了一種低成本GPS 定位、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方法,開發(fā)了智能谷物測產(chǎn)系統(tǒng)。1 引言精確農(nóng)業(yè)( Precision Agriculture) 是指利用遙感技術(shù)RS(Remote Sensing) 、地理信息系統(tǒng)GIS(Geogra2phy Information System) 、全球定位系統(tǒng)GPS ( GlobalPosition System) 等信息技術(shù),在定位采集地塊信息的基礎(chǔ)上,根據(jù)地塊土壤肥力、作物病蟲害、雜草、產(chǎn)量等在時(shí)間與空間上的差異,按農(nóng)藝要求進(jìn)行精確定位、變量耕種、變量施肥、變量灌水、變量用藥的農(nóng)業(yè)技術(shù),從而達(dá)到提高效益、避

2、免資源浪費(fèi)、減少環(huán)境污染的目的。目前,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家已開始推廣精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)耕作,廣大發(fā)展中國家也廣泛開展應(yīng)用研究和實(shí)驗(yàn)示范。作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分基于GPS的聯(lián)合收割機(jī)智能測產(chǎn)系統(tǒng),從2000 年6 月開始,我們與上海市精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司及上海市農(nóng)工商集團(tuán)合作,立足于我國國情,根據(jù)不同用戶層面需求,開發(fā)了3 種類型的智能谷物測產(chǎn)系統(tǒng)。2 測產(chǎn)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 1 測產(chǎn)原理2. 1. 1 硬件產(chǎn)量傳感器安置在聯(lián)合收割機(jī)谷倉頂部,接收來自于刮板的谷物沖量,如圖1 所示。經(jīng)過其內(nèi)置的全橋平衡電路,采用應(yīng)變感應(yīng)方式,完成谷物沖量到電流信號(hào)的變換(這樣可實(shí)現(xiàn)溫度變化的自動(dòng)補(bǔ)償和提高傳感器的響應(yīng)特性)

3、。為整個(gè)系統(tǒng)供電方便,全部傳感器電源均為直流24V。24V 直流電源由車載電源經(jīng)升壓穩(wěn)壓器得到。這里產(chǎn)量傳感器的電源為直流24V ,信號(hào)輸出為010mA ,該原始信號(hào)經(jīng)精密電阻可得到05V 的TTL 電壓(精密電阻阻值,由實(shí)際收割對(duì)象的不同力學(xué)性質(zhì)不同而選擇,以便得到最大的讀入精度) 。該TTL 電壓信號(hào),由Philips 80C552 單片機(jī)A/ D 口讀入,經(jīng)該控制單元進(jìn)行處理、顯示、保存(保存在主控制單元上的Com2pact Flash 卡中,即CF 卡中) 。在該系統(tǒng)中,刮板沖擊頻率是15Hz ,每一刮板沖擊對(duì)應(yīng)電流波形采樣點(diǎn)為200 個(gè),即該系統(tǒng)能保證采樣頻率為15 ×20

4、0 =3kHz ,在實(shí)驗(yàn)中一般取2. 25kHz。為降低成本,采用國產(chǎn)產(chǎn)量傳感器,實(shí)驗(yàn)證明,精度滿足使用要求。濕度傳感器安置在聯(lián)合收割機(jī)谷倉頂部,在產(chǎn)量傳感器的下面。選用北京寶力馬傳感技術(shù)有限公司S401B 型濕度器,測量范圍:0100 %RH;測量精度: ±2 %RH; 信號(hào)輸出: 010mA; 輸入電源: 1224V。其信號(hào)標(biāo)定由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。由于濕度數(shù)值在本系統(tǒng)中的變化緩慢,故其測量的次數(shù)較少(每10m測1 次) ,測量精度要求不高。這樣做的好處是,降低了主控制單元單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)和CF 卡的存儲(chǔ)負(fù)擔(dān),并能進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的采樣頻率,提高系統(tǒng)精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)看,該濕度傳感器能滿足系

5、統(tǒng)要求,且價(jià)格極低(僅是國外類似濕度傳感器的1/ 40) 。因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的收割面積等于速度×時(shí)間×割幅,所以速度傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常重要。使用接近開關(guān)記數(shù),以達(dá)到計(jì)量收割面積的目的(速度×時(shí)間×割幅) 。但受收割機(jī)輪子打滑的影響,精度較低且受地形影響精度不穩(wěn);但成本很低。在收割機(jī)的驅(qū)動(dòng)主軸上安裝了電容式接近開關(guān),利用主軸相對(duì)于輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)讀取脈沖次數(shù),并且利用主軸和輪子相對(duì)減速比,計(jì)算出每一脈沖所對(duì)應(yīng)收割機(jī)前進(jìn)的距離。同時(shí)為防止由于輪子打滑等原因而引起的位移誤差,在軟件算法上,用GPS 解算出收割機(jī)的相對(duì)位移,而加以校正(每100m 校正一次) 。這樣使用

6、安裝接近開關(guān)輔以GPS 解算校正的方法,實(shí)現(xiàn)了國外常用的多普勒雷達(dá)的測量精度,并且價(jià)格僅是后者的1/ 50。割臺(tái)傳感器使用限位開關(guān),用以指示收割機(jī)是否工作。當(dāng)割臺(tái)抬起時(shí),系統(tǒng)不工作。在GPS25LP 基礎(chǔ)上開發(fā)了全球定位系統(tǒng),水平精度可達(dá)10m 以內(nèi)。2. 1. 2 軟件在軟件算法上,為了保證系統(tǒng)的定位精度,借鑒卡爾曼濾波( Kalman Filter) 原理進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。在處理產(chǎn)量傳感器信號(hào)時(shí),由于在實(shí)際情況下收割機(jī)會(huì)引起機(jī)械振動(dòng),而導(dǎo)致測量誤差的增大,嚴(yán)重時(shí)該噪聲會(huì)完全淹沒谷物沖擊傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)2 。這樣對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行譜分析,得到其信號(hào)源的數(shù)字特征,通過在硬件和軟件上的濾波,增強(qiáng)自

7、適應(yīng)能力,以獲得更好的數(shù)據(jù)精度。2. 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該基于GPS 的聯(lián)合收割機(jī)智能測產(chǎn)系統(tǒng),是在約翰·迪爾(John Deere) 1075 型聯(lián)合收割機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。包括主控制單元( Philips 80C552 單片機(jī),及液晶屏) 、CF 卡,改進(jìn)型GPS 及相關(guān)傳感器。智能測產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,如圖2 所示。產(chǎn)量傳感器和濕度傳感器分別取得谷物重量和濕度的信號(hào),速度傳感器反映了當(dāng)前收割機(jī)的速度,可根據(jù)此算出畝產(chǎn)量。GPS 指示出每一測試點(diǎn)的經(jīng)緯度。割臺(tái)信號(hào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。這些信息通過Philips80C552 處理后,存入CF 卡并在液晶屏上顯示。該系統(tǒng)組成具有成本低、可靠性高、軟

8、件通用性好及適應(yīng)市場能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。選用CF 卡作為系統(tǒng)的海量存儲(chǔ)器。CF 卡,如圖3 所示。由集成的ATA (AT attach2ment) 控制器和閃速存儲(chǔ)器構(gòu)成。它以512B 為擦除單位。不需要在操作系統(tǒng)下裝入新的軟件,模擬磁盤功能在集成的ATA 控制器上完成。CompactFlash體積小、重量輕,而它抗沖擊能力相當(dāng)強(qiáng),可以承受2000g 的沖擊;同時(shí)讀寫速率快,分別為810MB/ s 和4. 0MB/ s。CompactFlash 具有良好的硬件兼容性,可以與PC 卡ATA 完全兼容,適用于ATA 標(biāo)準(zhǔn)的任何計(jì)算機(jī),只要將CompactFlash 的PC 卡適配器插入類或類槽中即可使用

9、。它也具有良好的軟件兼容性,在MS - DOS、Windows95、WindowsNT 等環(huán)境下,可以當(dāng)作IDE 硬盤直接被使用。2. 3 系統(tǒng)軟件程序框圖系統(tǒng)主程序工作框圖, 如圖4 所示。單片機(jī)(Philips 80C552) 上電后,系統(tǒng)進(jìn)行初始化。通過初始化,更新系統(tǒng)默認(rèn)值系統(tǒng)的采樣模式、傳感器/ 測距方式、割幅寬度。因?yàn)殡娮颖P使用標(biāo)準(zhǔn)的IDE 接口,是以扇區(qū)為單位讀寫的, 就是最小的讀寫單位是512B。而Philips 80C552 的內(nèi)部RAM 只有256B ,因此,必須接片外RAM來作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)片外RAM的數(shù)據(jù)達(dá)到512B 的整數(shù)倍時(shí),一次性的寫入電子盤。本設(shè)計(jì)中選用了靜態(tài)

10、RAM CY62256 , 這樣當(dāng)RAMCY62256 寫滿32kB ,產(chǎn)生標(biāo)志位,置Flag 為“1”,進(jìn)入電子盤存盤中斷服務(wù)程序。否則,系統(tǒng)單片機(jī)進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換(產(chǎn)量傳感器和濕度傳感器) 、I/ O 讀取(速度傳感器和割臺(tái)傳感器) 、串口操作(讀取GPS 經(jīng)度/ 緯度) 。進(jìn)行電子盤寫操作后,同時(shí)把系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)或狀態(tài)顯示在LCD(經(jīng)/ 緯度、產(chǎn)量、系統(tǒng)狀態(tài)等) 。同時(shí)置Flag 為“0”。本系統(tǒng)電子盤寫操作和LCD 顯示公用一個(gè)標(biāo)志位Flag。2. 4 校正測產(chǎn)系統(tǒng)存在真實(shí)產(chǎn)量和數(shù)值產(chǎn)量的區(qū)別,兩者之間有常數(shù)K( K隨收割對(duì)象等外部條件的不同而改變) 。K =Weight (真實(shí)產(chǎn)量)

11、 / M (數(shù)值產(chǎn)量)而瞬間產(chǎn)量Y = KM/ ( W ×V)式中M 谷物流量W 割幅V 瞬時(shí)速度3 數(shù)學(xué)模型對(duì)于產(chǎn)量傳感器變換過來的信號(hào),要建立數(shù)學(xué)模型,以便轉(zhuǎn)成與實(shí)際產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的數(shù)值產(chǎn)量。對(duì)產(chǎn)量傳感器變換過來的信號(hào)進(jìn)行分析,如圖5 所示。設(shè):T = t = ( t2 - t1) = ( t3 - t2) = =( ti +1 - ti) = Const則: qi = mivi = mi式中vi A D 轉(zhuǎn)換速度4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論4. 1 沖擊信號(hào)特性產(chǎn)量傳感器變換過來的電流信號(hào),如圖1 所示。實(shí)際的沖擊電流信號(hào),如圖6 所示?？梢娎碚撋虾蛯?shí)際上的沖擊信號(hào)是相近的,經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出,理論數(shù)據(jù)和實(shí)際產(chǎn)量的相對(duì)精度小于±8 % ,從而實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)精度要求。一段產(chǎn)量信號(hào)高速采樣的仿真圖,如圖7 所示。這時(shí)微處理器只處理產(chǎn)量信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了高速采樣(采樣頻率可達(dá)3kHz) ,表明該系統(tǒng)具有良好的信號(hào)相應(yīng)特性。4. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),形成產(chǎn)量圖,為整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施者、決策者提供精確依據(jù),以提升整個(gè)農(nóng)業(yè)水平。本次實(shí)驗(yàn)于今年6 月份,在上海農(nóng)工商集團(tuán)五四農(nóng)場,收割小麥(約13. 33hm2) 而完成的。圖8 是其中的一塊試驗(yàn)地的收割軌跡。圖