熊中剛 賀娟 曲祥君等

摘要：為實現(xiàn)對插秧機作業(yè)區(qū)域和作業(yè)邊界的自動識別以及作業(yè)面積的實時自動測量和其他相關(guān)數(shù)據(jù)采集，對插秧機作業(yè)面積自動測量系統(tǒng)電路進行了設(shè)計。系統(tǒng)主要由中央處理模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、無線數(shù)傳模塊、U盤數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊以及上位機遠程監(jiān)控模塊等7部分組成。中央處理模塊的主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，主要負責(zé)采集和處理GPS定位模塊以及傳感器檢測模塊對插秧機的定位軌跡信息、發(fā)動機其他工況參數(shù)信息，并通過對GPS定位信息的分析處理完成插秧機作業(yè)面積的自動計算；無線數(shù)傳模塊主要負責(zé)完成與上位機之間的通訊工作；上位機遠程監(jiān)控模塊負責(zé)通過GPRS組網(wǎng)技術(shù)與PC機相連，并能實現(xiàn)對插秧機遠程啟停動作。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對插秧機作業(yè)面積的自動測量，并能實現(xiàn)對插秧機作業(yè)面積的遠程監(jiān)測和啟停動作。

關(guān)鍵詞：插秧機；作業(yè)面積測量系統(tǒng)；電路設(shè)計

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）14-3517-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.048

Hardware Circuit Design of Rice Transplanter Automatic Measurement

System of Working Area

XIONG Zhong-gang，HE Juan， QU Xiang-jun，CHEN Lian-gui，YE Zhen-huan， AO Bang-qian

（College of Engineering， Zunyi Normal University， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract： Aiming to achieve operation area and boundary recognition， operation area real-time automatic measurement and data collection on rice transplanter， an automatic measurement system of working area used in rice transplanter had been designed.The system was composed of the central processing module， the sensors detecting module， the GPS positioning module， the wireless data transmission module， the U disk data storage module， the power supply module and the upper-computer controlling module.The central processing module， using MCU STC12C5A60S2， collected and processed data from GPS positioning module and sensor detecting module，and completed automatic calculation of transplanter working area by analyzing the GPS positioning information. The wireless data transmission module was used for communication with the upper-computer controlling module， which was connected to the host computer via GPRS network technology.And it can realize remote controlling start and stop action on rice transplanter. The result of the experiment showed that the automatic measurement of rice transplanter working area and start and stop action could be remote completed and remote drived by the system.

Key words：rice transplanter； operation area measurement system； hardware circuit design

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，插秧機、聯(lián)合收割機及旋耕機等農(nóng)業(yè)機械已逐步成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的工具。特別是聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的實行，農(nóng)戶購買大型農(nóng)業(yè)機械的可能性越來越小，農(nóng)業(yè)機械跨區(qū)作業(yè)將成為必然[1，2]。農(nóng)業(yè)機械跨區(qū)作業(yè)中，作業(yè)面積是一個很關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，時常會出現(xiàn)由于難以準(zhǔn)確測量作業(yè)面積而引起糾紛，是農(nóng)業(yè)機械進行跨區(qū)田間作業(yè)計算工時和收費的主要依據(jù)。同時田塊的大小直接決定了種子、化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的投入量[3-5]。傳統(tǒng)的農(nóng)田面積大多使用皮尺、憑借經(jīng)驗或采用產(chǎn)量計費的方式，簡單實用，但只適合于小面積的規(guī)則矩形田塊[6，7]。為解決傳統(tǒng)測量農(nóng)田作業(yè)面積存在的問題，增強測量方式的普遍適應(yīng)性，本研究設(shè)計了一套插秧機作業(yè)面積自動測量系統(tǒng)的硬件電路，能夠?qū)崿F(xiàn)任意形狀插秧機作業(yè)面積的自動測量工作，并應(yīng)用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境對插秧機遠程上位機監(jiān)控模塊進行了開發(fā)[8]，實現(xiàn)遠程參數(shù)的采集和控制機械的啟停動作。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)主要由中央處理模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、GPRS無線數(shù)傳模塊、U盤數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊以及上位機遠程監(jiān)控模塊等部分組成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器檢測模塊主要由發(fā)動機機油溫度檢測單元、發(fā)動機機油壓力檢測單元、燃油油位檢測單元、液壓油油溫檢測單元和發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測單元等組成，主要用于采集插秧機工作時對發(fā)動機工況相關(guān)數(shù)據(jù)；中央處理模塊以STC12C5A60S2為控制核心，主要對傳感器檢測模塊和GPS定位模塊采集來的信息進行分析處理后，通過GPRS無線數(shù)傳模塊將相關(guān)信息傳到上位機，并將有效信息存儲到U盤數(shù)據(jù)存儲模塊；遠程監(jiān)控管理者通過自主開發(fā)的上位機操作界面觀察插秧機的作業(yè)面積、運行參數(shù)和作業(yè)位置等實時信息，并針對緊急情況下的需求發(fā)送機械啟停命令。

2 下位機硬件電路設(shè)計

下位機硬件電路主要包括中央控制核心模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、GPRS無線通信模塊、發(fā)動機點火/熄火模塊、CAN總線模塊以及電源模塊。傳感器檢測模塊主要完成插秧機發(fā)動機工況數(shù)據(jù)采集，GPS定位模塊主要完成車體的運動軌跡定位工作，中央控制模塊負責(zé)進行信息處理與分析，并完成機械作業(yè)區(qū)域的識別和面積計算工作，同時兼顧實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的遠傳工作。

2.1 核心?？刂茐K電路設(shè)計

該系統(tǒng)主控電路如圖2所示，包括中央控制單元、GPRS無線數(shù)傳單元、GPS定位單元。該系統(tǒng)采用的是STC12C5A60S2單片機，是由宏晶科技（深圳）有限公司生產(chǎn)的一款增強型8051 CPU，1T單時鐘/機器周期，工作頻率是0～35 MHz，相當(dāng)于普通8051單片機的0～420 MHz，即比普通單片機處理速度快8～12倍；單片機上集成了1 280字節(jié)RAM，60 kb的FLASH程序存儲器空間，4個十六位定時器，2路十六位PCA和PWM，共有8路10位精度的ADC，轉(zhuǎn)換速度高達50萬次/s。系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機與各個硬件模塊連接，控制各自工作，傳感器模塊將檢測到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由CAN總線傳送到中央控制單元，與此同時，與GPS定位模塊采用RS485進行通信，讀取相關(guān)定位信息，然后經(jīng)過相應(yīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和處理后，完成相關(guān)區(qū)域識別和面積計算工作，并將定位信息、作業(yè)面積和傳感器檢測信息經(jīng)由GPRS無線通信模塊遠程傳輸?shù)缴衔粰C，同時通過單片機U盤數(shù)據(jù)存儲模塊完成有效信息的存儲和讀取工作。

2.2 傳感器檢測模塊電路設(shè)計

傳感器檢測模塊主要用來采集插秧機工作時發(fā)動機的相關(guān)工況參數(shù)。傳感器檢測模塊采集的數(shù)據(jù)主要包括發(fā)動機機油溫度、發(fā)動機機油壓力、燃油油位、液壓油油溫和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。中央主控芯片STC12C5A60S2通過下發(fā)采集命令采集各個傳感器通過CAN總線上傳的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計中分別選用的是ZS-6-01-10L霍爾傳感器、半導(dǎo)體集成的兩端式機油溫度傳感器AD590、應(yīng)變式機油壓力傳感器BP800。

為得到更加準(zhǔn)確的插秧機發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號A0，首先使電路中信號A0經(jīng)過限流電阻R9和電容C1組成的低通濾波電路后，經(jīng)由LM339比較電路整形出需要的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖，R11上拉電阻有效保證了高電平時的電壓，整形電路輸出的矩形脈沖經(jīng)由光耦作用將其輸入通道前端的現(xiàn)場的干擾信號和單片機隔離開，同時將信號轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的高低電平后送入I/O口，即圖中的AD1端的網(wǎng)絡(luò)接點（圖3）。AD590溫度傳感器先將溫度變化轉(zhuǎn)換成電流變化，之后轉(zhuǎn)換成單片機容易處理的0～5 V電壓信號，具體電路如圖4所示。

機油壓力的檢測采用應(yīng)變式壓力傳感器BP800，通常是輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，其電流信號范圍為4～20 mA[9]。這種標(biāo)準(zhǔn)的接口，一般可以采取精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后直接送入中央處理單元的A/D轉(zhuǎn)換端口，I/V轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

2.3 CAN總線模塊電路設(shè)計

插秧機車載終端根據(jù)需求，需要具有與車載各發(fā)動機工況檢測傳感器進行可靠通信的功能，故通過擴展CAN總線接口實現(xiàn)該功能要求，從而達到雙方數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。其接口的硬件電路主要由CAN總線控制器SJA1000T和CAN總線收發(fā)器PCA82C250組成，考慮到插秧機作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變，為進一步增強總線的抗干擾能力，并沒有直接將CAN總線控制器的TX0和RX0與CAN收發(fā)器的TXD1和RXD1相連，而是通過在其中間增加一個高速光耦合器6N137，轉(zhuǎn)換速率高達10 Mbit/s，具體硬件電路如圖6所示。

2.4 GPS定位模塊電路設(shè)計

GPS定位模塊即GPS接收機，通過它來實現(xiàn)插秧機的定位功能，其電路設(shè)計如圖7所示。該系統(tǒng)設(shè)計中選用的是瑞士Ublox公司生產(chǎn)的NEO-6M-0-001的GPS接收機。該模塊能支持AssistNow Online和AssistNow Offline等A-GPS服務(wù)，供電電壓范圍為2.7～3.6 V，當(dāng)電壓3.0 V時功耗小于120 mW，具有1個USB V2.0，全速12 Mbit/s，1個UART接口、1個DDC接口、1個SPI接口，跟蹤靈敏度為-147 dBm。如圖7中所示的引腳23是GPS定位模塊的電源輸入腳，與主控板中產(chǎn)生3.3 V電壓接口連接，引腳22接了一個備用電池，在系統(tǒng)啟動定位工作時，會立即給電池充電；為了增強GPS定位信號，外接了配套天線，當(dāng)GPS接收到數(shù)據(jù)后通過解碼經(jīng)由引腳20 TXD_GPS_TTL通過RS485通信送到STC12C5A60S 2的串口上。

2.5 發(fā)動機點火/熄火模塊電路設(shè)計

當(dāng)檢測到發(fā)動機機油溫度和機油壓力對比正常預(yù)設(shè)值出現(xiàn)較大異常時，為及時保護發(fā)動機，可以對發(fā)動機進行熄火控制。本研究中插秧機采用的是電啟動風(fēng)冷4沖程2氣缸OHV汽油發(fā)動機，發(fā)動機的啟停電路如圖8所示。

該模塊的整個電路主要包括STC單片機處理器、達林頓管陣列芯片ULN2003、74LS05集電極開路輸出的非門陣列、兩個繼電器、MAX485和MAX232通信芯片。采用RS485通信方式與下位機中央控制器進行連接，當(dāng)在緊急情況下接收到來自上位機的點火/熄火命令后則完成相應(yīng)動作。電路為提高單片機的驅(qū)動能力，采用非門電路以高電平的方式配合驅(qū)動ULN2003達林頓管陣列，這樣ULN2003的驅(qū)動能力可以達到500 mA，從而可以大大提高單片機的驅(qū)動能力[4-7]。

2.6 GPRS無線通信模塊

該系統(tǒng)主要通過GPRS無線通信模塊，接入GPRS無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，將日期、機械作業(yè)時間、作業(yè)位置、作業(yè)面積以及產(chǎn)量等信息傳送到上位PC機完成數(shù)據(jù)通信。本研究選擇SIMCOM公司生產(chǎn)的 SIM300作為無線遠程數(shù)據(jù)通信模塊，該無線通信模塊支持GSM和GPRS雙模式通信，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，能夠在PCS1900、DCS1800和EGSM900 3個不同頻段下工作。具體工作狀態(tài)指示燈和通信硬件電路如圖9所示。

SIM300要接入GPRS網(wǎng)絡(luò)進行工作，就必須使用到SIM卡，與其操作相關(guān)的信號被直接引出到SIM300的SIM卡接口上，其中SIM_DATA作為與SIM卡的串行數(shù)據(jù)線，用于數(shù)據(jù)的輸入輸出，SIM_CLK為SIM卡提供操作時鐘，SIM_RST引腳則用來輸出SIM卡的復(fù)位信號，整個SIM卡部分的電路如圖10所示。

2.7 電源模塊

電源在整個電路設(shè)計中扮演著一個重要角色，使用穩(wěn)定電源能使電路性能更加穩(wěn)定可靠，整個系統(tǒng)采用5 V供電，對于該重要部分設(shè)計必須考慮到硬件系統(tǒng)對電源具有穩(wěn)壓和紋波小等要求，當(dāng)然在有效保證電路電壓穩(wěn)定輸入的前提下，低功耗也是現(xiàn)今設(shè)計非常關(guān)注的一個熱點話題。因而針對系統(tǒng)要求，系統(tǒng)得到5 V電源部分采用的是ZA3020芯片實現(xiàn)的。為了使電路中5 V輸出電源的紋波較小，因而在經(jīng)過ZA3020轉(zhuǎn)換后的電壓輸出端采用了一個22 μF和0.1 μF的電容，另外芯片的電源輸入端也放置了一個10 μF和0.1 μF的濾波電容，從而有效減小輸入端受到的干擾，使信號穩(wěn)定可靠的輸入。具體系統(tǒng)輸入電源電壓處理電路如圖11所示。

GPS定位模塊的工作電壓是3.3 V，為有效保證車載電源斷電后仍能正常工作，該設(shè)計中增加了一個備用充電電池，該備用電池充電所需電壓是3.3 V，所以先將車體上12 V電源電壓通過輸入電壓處理電路轉(zhuǎn)換為5 V，然后通過REG1117-3.3降壓芯片的處理，得到3.3 V電壓，具體硬件電路如圖12所示。

然而該系統(tǒng)設(shè)計中GPRS無線通信模塊工作所需要的電壓是4.2 V，選用的壓降芯片是MIC29302BU，其可以通過使能引腳端和反饋電阻進行輸出電壓的控制，本設(shè)計中通過將使能端置高，設(shè)置反饋端R16和R17兩個電阻比值來確定輸出電壓，具體硬件電路如圖13所示。

當(dāng)芯片1腳使能端置高，芯片導(dǎo)通開始工作，經(jīng)由公式可以計算出輸出端電壓約等于4.2 V，該電壓值即供給GPRS無線通信模塊工作。

3 上位機遠程監(jiān)控模塊電路設(shè)計

上位機遠程監(jiān)控模塊的控制單元是上位機和下位機連接的橋梁，此處上位機是采用Visual Basic 6.0開發(fā)的PC機監(jiān)控平臺，另外主要應(yīng)用單片機連接外設(shè)了U盤數(shù)據(jù)存儲模塊，主要通過GPRS無線組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和相應(yīng)的控制命令，并通過AT指令發(fā)送相關(guān)控制和數(shù)據(jù)采集命令。相應(yīng)的U盤數(shù)據(jù)存儲模塊電路設(shè)計原理圖如圖14所示。

信息的存儲是面積測量系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括對日期、機械作業(yè)時間、作業(yè)位置、作業(yè)面積以及產(chǎn)量等信息進行記錄存儲。有效存儲這一系列信息可作為化肥、種子、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料投入量的依據(jù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的參考依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)運行時，由于需要的有效數(shù)據(jù)量比較大，故為方便定位作業(yè)區(qū)域及邊界等大量定位數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)采用了單片機U盤數(shù)據(jù)存儲模塊電路。模塊采用CH375單片機U盤讀寫芯片完成U盤到單片機的銜接，通過大容量RAM完成大容量數(shù)據(jù)緩存和傳輸，減少設(shè)備數(shù)據(jù)讀寫總時間，延長U盤壽命。

存儲電路中采用5 V電壓工作，為了內(nèi)部電源節(jié)點進行有效退耦，改善USB傳輸過程中的電磁干擾，故在V3引腳外接0.01 μF電容，將CH375的TXD引腳直接接地可使CH375實行并口方式工作。設(shè)計中在RSTI引腳與VCC之間跨接了一個0.47 μF的電容，是為了在電源上電時，系統(tǒng)電路能夠完成可靠復(fù)位并且有效減少外部產(chǎn)生的干擾。在U盤插入過程中，為了避免CMOS電路CH375出現(xiàn)大電流閂鎖效應(yīng)而損壞芯片，故在USB插座的電源上并聯(lián)了儲能電容C31緩解瞬時壓降。

4 小結(jié)

整個系統(tǒng)設(shè)計為了具備強干擾性和可移植性，均采用模塊化設(shè)計。為對系統(tǒng)設(shè)計的可行性和穩(wěn)定性進行驗證，進行了相關(guān)硬件測試工作，同時完成了基于Visual Basic 6.0開發(fā)的上位機遠程監(jiān)控軟件，并結(jié)合硬件和軟件設(shè)計進行了實地試驗。插秧機在水泥地上模擬田間的作業(yè)軌跡，驗證前面系統(tǒng)設(shè)計的可行性。試驗結(jié)果表明，通過將系統(tǒng)顯示的自動測量面積值與人工實際測量面積值進行對比分析，系統(tǒng)能夠很好地完成作業(yè)區(qū)域自動識別和面積測量工作，并能遠程實時采集插秧機發(fā)動機相關(guān)工況參數(shù)和控制發(fā)動機的啟停。

參考文獻：

[1] 熊中剛，蔣 蘋，胡文武，等.基于STC單片機的智能遠程水塔集群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（14）：3415-3419.

[2] 成躍樂，宋德平，霍仲芳.農(nóng)機作業(yè)面積測量儀的研制[J].山東農(nóng)機，2003（2）：9-10.

[3] ZHANG N Q，WANG M H，WANG N. Precision agriculture-a worldwide overview[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2002，36（2/3）：113-132.

[4] ZHAO C J，HUANG W Q，CHEN L P，et al.A harvest area measurement system based on ultrasonic sensors and DGPS for yield map correction[J]. Precision Agriculture，2010，11（2）：163-180.

[5] RAYMOND J G M F，ROELF L V，JOOST B. Spatial dimensions of precision agriculture：A spatial econometric analysis of millet yield on Sahelian coversands[J]. Agricultural Economics，2002， 27（3）：425-443.

[6] 孫宇瑞，汪懋華，馬道坤，等.沖量法谷物流量測量系統(tǒng)的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2001，32（4）：48-50.

[7] 胡均萬，羅錫文，阮 歡，等.雙板差分沖量式谷物流量傳感器設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40（4）：69-72.

[8] 熊中剛，賀 娟，羅素蓮.高速插秧機自動導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2014，36（8）：82-86.

[9] 楊效軍.工程車輛運行參數(shù)無線遙測系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].濟南：山東理工大學(xué).2006.

[10] 李 彬，劉 榮，李江全.基于GPS/GPRS的大型農(nóng)機具遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：349-352.