小麥產量實時測報系統(tǒng)

小%麥產量實時測報系統(tǒng)汪強;鄭光;馬新明;席磊【摘要】針對當前河南地區(qū)小麥產量估測信息滯后問題，集成傳感技術、GPS和無線通信技術，對接農機收獲裝備，構建基于多傳感器技術的小麥產量測報信息服務系統(tǒng),實現(xiàn)小麥收割與產量測報同步進行.系統(tǒng)的應用實驗于2015年6月在許昌市長葛縣800畝試驗田進行，實驗結果表明，系統(tǒng)的產量測報誤差小于5%,可以滿足小麥產量測報的實際需求.系統(tǒng)的推廣應用為河南及全國的小麥產量測報提供數(shù)據(jù)參考,為獲知農田信息的時空差異性提供數(shù)據(jù)支撐,為實施〃精細農作”提供決策依據(jù).【期刊名稱】《計算機系統(tǒng)應用》【年(卷)，期】2016(025)011【總頁數(shù)】5頁(P279-283)【關鍵詞】傳感器技術;GPRS通信;小麥;產量測報;測報系統(tǒng)【作者】汪強;鄭光;馬新明;席磊【作者單位】河南農業(yè)大學信息與管理科學學院，鄭州450002;河南農業(yè)大學信息與管理科學學院，鄭州450002;河南農業(yè)大學信息與管理科學學院，鄭州450002;河南農業(yè)大學農學院，鄭州450002;河南農業(yè)大學信息與管理科學學院，鄭州450002【正文語種】中文作物產量是精準農業(yè)中需要獲取的重要信息之一，它集中反映了農田地形結構、土壤特性、氣象因素、灌溉情況、肥料利用率和蟲草侵害等因素對產率的影響，實時獲取的產量信息和產量圖是〃精細農作”中不可缺少的信息[1].而在谷物聯(lián)合收割機上安裝產量計量系統(tǒng)是實現(xiàn)此環(huán)節(jié)的關鍵部分，谷物聯(lián)合收割機產量計量系統(tǒng)在田間作業(yè)過程中，利用GPS定位系統(tǒng)確定收割機的位置，根據(jù)收割機的速度、割幅和谷物籽粒的流量可測出各小區(qū)地塊的產量，繪出產量分布圖［2,3］.胡均萬等［4］設計了雙板沖量式谷物流量傳感器，利用電路差分的方法使測產誤差降到5%;陳樹人等［5］開展的沖擊式流量傳感器性能試驗，田間水稻測產精度誤差小于3.8%,但當谷物流量大于2kg/s時,測量誤差會增大;王志全等［6］采用軟件濾波、電路抗干擾設計等方法消除振動干擾,動態(tài)測量誤差可達到±5%以內;王薄等［7］開發(fā)了以ARM7為核心的單板沖擊式谷物產量監(jiān)測系統(tǒng),取得了較高精度的研究成果.此外,張小超、朱聰玲等［8-14］人也開展了測產傳感器以及振動對測產系統(tǒng)影響等方面的研究，并取得了一定的研究成果.國外AgLeader、MicroTrack、CASEIH等公司的聯(lián)合收獲機上已經安裝了配套的測產系統(tǒng),目前國內還沒有成熟的測產系統(tǒng)產品,一些高校及科研院所對國外產品進行了研究和改進，研發(fā)了一些低成本的測產系統(tǒng).據(jù)統(tǒng)計,目前美國大約有一半的玉米和大豆產區(qū)使用帶有測產系統(tǒng)的聯(lián)合收獲機進行收獲［15,16］,逐步實現(xiàn)了產業(yè)化.國外主流機型一般割幅較寬，地塊距離長可以保證測產系統(tǒng)在穩(wěn)定的狀態(tài)下工作.國內相關研究的進展主要包括設備引進、消化吸收進而實現(xiàn)自主創(chuàng)新.中國農業(yè)大學精細農業(yè)研究中心先后開展了基于Y射線式和沖擊式產量監(jiān)測技術的研究,并取得了一定的成果［17,18］.針對當前河南地區(qū)小麥產量估測信息滯后等問題,集成傳感技術、GPS和無線通信技術，對接農機收獲裝備，構建基于多傳感器技術的小麥產量測報信息服務系統(tǒng)，實現(xiàn)小麥收割與產量測報同步進行,有效提高小麥收獲效率及區(qū)域化小麥產量數(shù)據(jù)測報能力.通過實時獲取小麥產量分布信息,建立農田產量空間分布圖,為獲知農田信息的時空差異性提供數(shù)據(jù)支撐,為實施〃精細農作”提供決策依據(jù).系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、監(jiān)控終端三部分組成.通過小麥產量計量傳感器監(jiān)測產量,同時通過速度傳感器、割臺高度傳感器獲取其它所需數(shù)據(jù)，這些傳感器信號通過數(shù)據(jù)采集模塊以CAN總線通訊的方式傳送到數(shù)據(jù)處理模塊.數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行計算和處理，并由GPRS通過物聯(lián)網傳送到監(jiān)控終端,在監(jiān)控終端顯示出所給定的作業(yè)參數(shù)，為收割機使用者或分析人員提供參考.監(jiān)控終端通過小麥產量實時測報系統(tǒng)對小麥收割過程中的作業(yè)信息進行實時監(jiān)控和管理.系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示.1.1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集芯片及所需的傳感器，其中數(shù)據(jù)采集芯片包括:電源轉換電路、傳感器信號采集電路、時鐘復位電路和CAN總線通訊電路等，實現(xiàn)速度、產量、濕度等數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，及CAN總線通訊、中斷處理等功能.傳感器包括產量傳感器、速度傳感器、割臺高度傳感器等，實時采集初始數(shù)據(jù),并傳送至數(shù)據(jù)采集芯片待處理.數(shù)據(jù)采集芯片對實時采集的各傳感器電信號進行初步處理,并通過CAN總線通信方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊的產量測報系統(tǒng)軟件進行后期處理,并在監(jiān)視器中顯示最終的結果.數(shù)據(jù)采集芯片采用以Atmel公司生產的AT90CAN128為主控制芯片設計,利用芯片中的ADC接口實時接收各傳感器發(fā)來的電信號.產量傳感器選用杭州西勒稱重科技有限公司的量程為0~6kg的懸臂梁式壓力傳感器XL-1B,速度傳感器采用基于多普勒測速方法的霍爾傳感器.1.2數(shù)據(jù)處理與終端顯示數(shù)據(jù)處理模塊主要負責對數(shù)據(jù)采集模塊傳送過來的數(shù)據(jù)進行運算和處理，其硬件主要包括處理器、存儲器、監(jiān)視器及GPRS通信芯片.處理器通過產量測報系統(tǒng)軟件的所設計的算法對數(shù)據(jù)采集模塊傳送過來的數(shù)據(jù)進行處理和運算,并把結果存儲在存儲器中，同時把需要檢測的數(shù)據(jù)在監(jiān)視器中顯示.GPRS通過物聯(lián)網實現(xiàn)與遠程監(jiān)控終端鏈接,實現(xiàn)在遠端實時監(jiān)控和管理產量測報系統(tǒng)的各種操作.2.1軟件系統(tǒng)總體設計按照軟件工程的設計原則，對系統(tǒng)進行了整體的規(guī)劃與設計,選擇windows操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)的運行平臺,選擇VS2010作為系統(tǒng)開發(fā)工具,Access數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,C++語言作為系統(tǒng)開發(fā)語言，對系統(tǒng)軟件功能進行設計及實現(xiàn).根據(jù)產量測報的系統(tǒng)功能需求,軟件需要實現(xiàn)以下功能:數(shù)據(jù)存儲、實時顯示、參數(shù)標定、收割信息管理、傳感器狀態(tài)檢測等功能系統(tǒng)總體功能結構如2所示.2.2系統(tǒng)控制程序設計系統(tǒng)控制程序主要用于完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的初始化、CAN數(shù)據(jù)解析、GPRS數(shù)據(jù)實時發(fā)送及系統(tǒng)的操作控制工作.系統(tǒng)開啟后首先激活系統(tǒng)啟動程序，系統(tǒng)啟動程序會初始化Access數(shù)據(jù)庫的COM組件，同時嘗試連接Access數(shù)據(jù)庫;然后會通過CAN設備文件中的函數(shù)尋找CAN設備路徑，如果找到CAN設備則直接打開，打開后會啟動設備的接收線程;然后系統(tǒng)會根據(jù)設定好的參數(shù)對GPRS設備進行撥號連接，連接成功后讀取IP地址向目標服務器實時發(fā)送產量數(shù)據(jù).系統(tǒng)啟動后，進入系統(tǒng)主界面,在主界面中實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能操作.2.3實時數(shù)據(jù)顯示設計實時數(shù)據(jù)顯示功能主要實現(xiàn)收割機的收割速度、已收割面積、地塊名稱、及產量等重要信息在監(jiān)視器中實時顯示出來,為作業(yè)人員實時提供可靠的各種收割信息.在實時數(shù)據(jù)顯示程序中，計時器每隔一秒刷新一次系統(tǒng)時間，同時將原始產量數(shù)據(jù)寫入根目錄下的TXT文件中，另一計時器每隔500毫秒更新一次系統(tǒng)控件數(shù)據(jù).操作員可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)存入ACCESS數(shù)據(jù)庫中.2.4收割信息管理功能設計收割信息主要包括收割區(qū)域名稱、收割總面積、收割總產量、收割時間等重要的歷史數(shù)據(jù)信息.系統(tǒng)在收割過程中會將收割信息存入數(shù)據(jù)庫,以便在用戶需要的時候進行查看和使用,用戶也可根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行刪除.當用戶進行數(shù)據(jù)操作時，系統(tǒng)會對操作見面中的控件進行初始化,同時嘗試連接數(shù)據(jù)庫，連接成功后會讀取數(shù)據(jù)表中的收割記錄中的各字段信息,然后加載在操作界面中的數(shù)據(jù)控件中.用戶也可根據(jù)需要刪除不需要的歷史收割信息數(shù)據(jù)記錄.在完成了產量測報系統(tǒng)硬件和軟件設計的基礎上,對系統(tǒng)進行實地應用的各項實驗.開展了傳感器性能驗證實驗、產量測報系統(tǒng)標定實驗、產量測報系統(tǒng)精度驗證等試驗,并對測報精度和誤差進行了分析.結果表明，產量測報系統(tǒng)誤差小于5%,可以滿足產量測報的實際需要.應用實驗于2015年6月在許昌市長葛縣800畝試驗田進行.在福田雷沃谷神GE25型聯(lián)合收割機平臺上安裝產量測報系統(tǒng).系統(tǒng)從聯(lián)合收割機上的一個車載蓄電池獲得12V電壓,并通過一個12V轉5V的DC-DC模塊，將12V轉換成5V電壓為系統(tǒng)上的芯片及各模塊正常工作提供電源.系統(tǒng)安裝如圖3一圖7所示.在實驗中，共收割小麥1.43畝，并分別在實際收割0.51畝、0.81畝、1.12畝、1.43畝時，對測報面積、測報產量、實測產量等數(shù)據(jù)進行了記錄.在實際收割0.51畝時，對系統(tǒng)進行了標定,標定系數(shù)=實際小麥產量/顯示產量,此次標定系數(shù)為1.17,其后的測報數(shù)據(jù)按照此標定系數(shù)進行測報，其結果如表1所示,我們可以看出測報數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)誤差均在5%以下，說明測報的準確率較高.根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)，對測報產量和實測產量進行對比分析，其結果如圖8所示.由圖9可以看出,實測產量和測報產量之間的線性關系良好,而且斜率為0.952,截距為7.49,相關系數(shù)為1,說明測報的準確率較高，誤差較小.同時,在田間收割的過程中，利用GPS定位系統(tǒng)確定收割機的位置,根據(jù)收割機的速度、割幅和小麥籽粒的流量計算出各小區(qū)地塊的產量，根據(jù)所測得的面積及產量在系統(tǒng)中生成了各小區(qū)地塊的畝產分布圖，如圖9所示.作物產量是精準農業(yè)中需要獲取的重要信息之一.國外的谷物產量測報系統(tǒng)應用較為廣泛，一般采用在聯(lián)合收獲機上安裝配套的測產系統(tǒng).目前國內一些高校及科研院所對國外產品進行了研究和改進,研發(fā)了一些低成本的測產系統(tǒng),但還沒有成熟的測產系統(tǒng)產品在國內廣泛應用.針對當前河南地區(qū)小麥產量估測信息滯后等問題,集成傳感技術、GPS和無線通信技術，對接農機收獲裝備，構建基于多傳感器技術的小麥產量測報信息服務系統(tǒng)，實現(xiàn)小麥收割與產量測報同步進行.2015年6月,在許昌市長葛縣800畝試驗田對系統(tǒng)進行應用實驗，其測報誤差均低于5%,達到了推廣應用的要求.系統(tǒng)實現(xiàn)了在收割過程中對產量測報、面積測報、畝產分布等數(shù)據(jù)的實時測報功能,為河南及全國的小麥產量的測報提供了數(shù)據(jù)參考，為獲知農田信息的時空差異性提供數(shù)據(jù)支撐,為實施〃精細農作”提供決策依據(jù).1郝磊斌.壓電式谷物質量流量傳感器仿真及試驗研究［學位論文］.鎮(zhèn)江:江蘇大學,2010.2汪懋華.〃精細農作”的主要支持技術五.農業(yè)機械,1999,(7):22-24.3鄧華.精準農業(yè)產量圖分析方法研究與系統(tǒng)設計［學位論文］.南京:南京信息工程大學,2005.4胡均萬，羅錫文，阮歡，等雙板差分沖量式谷物流量傳感器設計.農業(yè)機械學報,2009,40(4):69-72.5陳樹人，楊洪博,李耀明，等雙板差分沖量式谷物流量傳感器性能試驗.農業(yè)機械學報,2010,41(8):171-174.6王志全，楊方，歐陽斌林，等.聯(lián)合收割機實時測產系統(tǒng)的抗振動干擾設計.東北農業(yè)大學學報,2011,42(2):38-42.7王薄，李民贊,張成龍，等.沖擊式谷物流量傳感器設計與性能試驗.農業(yè)機械學報,2009,40(增刊1):52-56.8張小超，胡小安,張愛國，等.基于稱重法的聯(lián)合收獲機測產方法.農業(yè)工程學報,2010,26(3):125-129.9張小超，胡小安,張銀橋，等.聯(lián)合收獲機糧食產量分布信息獲取技術.農業(yè)機械學報,2009,40(增刊1):173-176.10姜國微邱白晶，解金鍵，等.谷物質量流量測量裝置的設計與試驗.農機化研究2012(3):155-158.11朱聰玲，程志勝,王洪源，等.聯(lián)合收獲機割臺振動問題研究.農業(yè)機械學報,2004,35(4):59-61,65.12高建民，李揚波,郝磊斌，等.壓電式谷物質量流量傳感器設計及試驗.江蘇大學學報,2011,32(2):129-133.13譚玉芳.聯(lián)合收割機測產系統(tǒng)振動信號的抑制研究［學位論文］.哈爾濱:東北農業(yè)大學,2010.14孫志強.精準農業(yè)智能測產系統(tǒng)關鍵技術及