胡修慧，趙麗清，龔麗農(nóng)，邵連維

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島　266109)

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智能花生收獲機(jī)實(shí)時(shí)測產(chǎn)系統(tǒng)的研究

胡修慧，趙麗清，龔麗農(nóng)，邵連維

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

摘要：設(shè)計(jì)了由重量傳感器、水分傳感器、自動(dòng)包裝裝置、CAN轉(zhuǎn)換器、GPS系統(tǒng)，以及控制終端等組成的智能花生收獲機(jī)實(shí)時(shí)測產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用稱重法測量花生質(zhì)量，利用接觸式電容水分儀測得花生含水量、自動(dòng)包裝裝置進(jìn)行包裝，通過設(shè)計(jì)的測產(chǎn)軟件顯示花生流量數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS系統(tǒng)定位信息生成產(chǎn)量圖。該系統(tǒng)獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確，提高了花生測產(chǎn)的工作效率。

關(guān)鍵詞：花生；收獲機(jī)；測產(chǎn)系統(tǒng)；自動(dòng)包裝

0引言

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易中占有重要地位。隨著花生種植面積的增加，花生的收獲及產(chǎn)量的測量是極其重要的。目前的測產(chǎn)方法主要為：人工抽樣估產(chǎn)；根據(jù)某種模型預(yù)測作物產(chǎn)量，如通過建立生長條件模型或遙感模型預(yù)測產(chǎn)量等；使用裝備產(chǎn)量傳感器的收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)作物收獲與產(chǎn)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)[1]。人工抽樣估產(chǎn)準(zhǔn)確性不高，效率較低；遙感信息技術(shù)適合宏觀管理，對單產(chǎn)預(yù)測有局限性；利用產(chǎn)量傳感器測產(chǎn)具有較好的實(shí)時(shí)性且效率較高。為此，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于花生收獲機(jī)上的實(shí)時(shí)測產(chǎn)系統(tǒng)，對花生的產(chǎn)量監(jiān)測有著重要的意義。

1測產(chǎn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

花生收獲機(jī)實(shí)時(shí)測產(chǎn)系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、重量傳感器、水分傳感器、角度傳感器、自動(dòng)包裝裝置、GPS系統(tǒng)、CAN轉(zhuǎn)換器和控制終端組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

測產(chǎn)系統(tǒng)工作時(shí)，由重量傳感器、水分傳感器實(shí)時(shí)測得花生的質(zhì)量和水分信息，質(zhì)量值達(dá)到設(shè)定的上限值，控制系統(tǒng)控制夾帶結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)包裝；角度傳感器采集入土和出土的角度信息，GPS系統(tǒng)采集速度信息及收獲產(chǎn)地的位置信息，所采集的質(zhì)量、水分和速度等信號(hào)送入單片機(jī)，然后經(jīng)過CAN轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成CAN信號(hào)傳送到控制終端，得到產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

圖1　智能花生收獲機(jī)實(shí)時(shí)測產(chǎn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2關(guān)鍵部件及工作原理

2.1稱重及自動(dòng)包裝裝置的設(shè)計(jì)

稱重及自動(dòng)包裝裝置位于花生收獲機(jī)出料口的下方，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。工作時(shí)，花生進(jìn)入入料口到達(dá)稱重臺(tái)，質(zhì)量傳感器采集質(zhì)量信息；信息采集完后，卸料口打開，花生落入放料斗；當(dāng)采集的質(zhì)量信息達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的上限值時(shí)，自動(dòng)包裝裝置的夾帶結(jié)構(gòu)將物料袋封裝好，經(jīng)過傳輸帶將包裝好的花生傳輸出去。

國內(nèi)外常采用的在線谷物流量傳感器類型有沖量型、射線型、光電型和稱重型等多種形式[2]。本設(shè)計(jì)采用稱重式測量的方法，選用的重量傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器，主要包括電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路3部分[3]。檢測電路把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，輸出信?hào)經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711[4]將質(zhì)量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)；再對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，并將測得的質(zhì)量在控制終端顯示出來。

1.入料口　2.重量傳感器　3.稱重斗　4.卸料口　5.放料斗

自動(dòng)包裝裝置位于稱重臺(tái)卸料口的下方，包括夾帶結(jié)構(gòu)，夾帶系統(tǒng)與控制終端相連。自動(dòng)包裝裝置工作時(shí)，系統(tǒng)首先設(shè)定一個(gè)質(zhì)量上限值，質(zhì)量傳感器采集的質(zhì)量值達(dá)到所設(shè)定的值時(shí)，控制終端將數(shù)據(jù)反饋回去；接收到信息的夾帶結(jié)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行包裝。

2.2水分測量裝置的設(shè)計(jì)

谷物收獲機(jī)上測量水分的裝置大多基于電容法原理設(shè)計(jì)，其水分信號(hào)檢測電路框圖如圖3所示。

圖3　水分信號(hào)檢測電路框圖

在常溫下，干燥糧食的介電常數(shù)為2～4，而水的介電常數(shù)約為80。當(dāng)電容式水分傳感器以糧食作為極間介質(zhì)時(shí)，可以通過測量電容值的變化來測定糧食的相對介電常數(shù)值[5]，由此得出被測糧食的含水率。

本設(shè)計(jì)采用平板式結(jié)構(gòu)，選用的是德國麥希歐接觸式在線水分儀。水分儀探頭安裝在料倉壁上，在傾斜的料倉排出口處的料倉壁上挖1個(gè)76mm的孔徑和3個(gè)6mm的螺孔來安裝和固定探頭，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示?；ㄉM(jìn)入放料斗，落下的過程中經(jīng)過水分儀，水分測量系統(tǒng)采集的水分信號(hào)，通過中央處理和過程分析得出測量的水分值。

1.花生　2.料倉　3.水分傳感器

2.3CAN轉(zhuǎn)換器

系統(tǒng)工作時(shí)，各傳感器所采集的信號(hào)為RS232或RS485信號(hào)，不能直接送給上位機(jī)處理。為解決單片機(jī)到控制終端CAN總線的通訊問題，本設(shè)計(jì)采用CAN轉(zhuǎn)換器模塊將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN信號(hào)，將數(shù)據(jù)信息通過CAN總線準(zhǔn)確的傳送給上位機(jī)，其系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖5所示。CAN智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器是用于CAN-bus現(xiàn)場總線和RS-232/RS-485總線之間數(shù)據(jù)交換的智能型協(xié)議轉(zhuǎn)換器[6]。選用CAN總線作為花生收獲機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)重要的通信網(wǎng)絡(luò)，通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)且性價(jià)比高。

3測產(chǎn)軟件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

本測產(chǎn)軟件可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)分布3D圖查詢功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集包括對傳感器信號(hào)的采集和GPS信息的采集。軟件工作界面如圖6所示。

軟件可以查詢質(zhì)量、水分、經(jīng)度、緯度和接收時(shí)間5個(gè)變量，前4個(gè)變量之前都有一個(gè)啟用選項(xiàng)，并且后面可以調(diào)整查詢范圍，查詢某一范圍的測產(chǎn)情況。當(dāng)質(zhì)量和水分同時(shí)啟用時(shí)，則可以選擇質(zhì)量和水分是交集關(guān)系還是或的關(guān)系；點(diǎn)擊保存選項(xiàng)，可以將查詢到的數(shù)據(jù)保存為excel格式。質(zhì)量選項(xiàng)處有一個(gè)下拉三角符號(hào)，點(diǎn)擊之后便可切換到水分選項(xiàng)，這樣便可分別查詢生成的質(zhì)量或水分的3D圖形。點(diǎn)擊3D查看，便可以看到所選擇地區(qū)的產(chǎn)量俯視3D圖形和立體的圖形。啟用3D查看時(shí)，還可以設(shè)置不用數(shù)據(jù)段數(shù)，對3D圖形進(jìn)行分段染色，對不同范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行染色，方便直觀了解產(chǎn)量分布情況。

圖5　CAN232MB系統(tǒng)構(gòu)成原理

圖6　測產(chǎn)軟件工作界面

為調(diào)試軟件的性能，進(jìn)行了簡單模擬試驗(yàn)。下位機(jī)用到的處理芯片是mega-2560，自帶4個(gè)獨(dú)立串口。為了系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)的需要，模擬了一個(gè)水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過89C52發(fā)出相同波特率的串口信號(hào)，質(zhì)量傳感器采集質(zhì)量信號(hào)，通過CAN轉(zhuǎn)換器將水分、質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN信號(hào)，經(jīng)過CAN總線傳送給上位機(jī)，最終顯示質(zhì)量、水分、緯度、經(jīng)度和接收時(shí)間5個(gè)變量。數(shù)據(jù)顯示如圖6所示，俯視圖如圖7所示，3D圖如圖8所示。

通過進(jìn)行模擬試驗(yàn)，經(jīng)過測試，質(zhì)量和水分信號(hào)可以通過CAN總線準(zhǔn)確地傳送給上位機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該軟件解決了CAN總線通訊的關(guān)鍵問題，便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)查詢，3D查看功能可以直觀查看不同收獲地區(qū)的花生產(chǎn)量狀況，為產(chǎn)量分析提供了依據(jù)。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)的智能花生收獲機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了花生收獲過程中質(zhì)量和水分的實(shí)時(shí)測量與顯示；首次將自動(dòng)包裝裝置應(yīng)用到花生收獲機(jī)上，對收獲的一定量的花生進(jìn)行包裝，簡化了花生收獲的后續(xù)工作。該裝置也可以應(yīng)用到其他谷物產(chǎn)量的測量上。該系統(tǒng)采用接觸式電容式水分儀進(jìn)行水分測量，簡單經(jīng)濟(jì)、可靠性高且易維護(hù)，便于進(jìn)行花生產(chǎn)量的折干計(jì)算；上位機(jī)軟件的應(yīng)用和產(chǎn)量圖的生成使得產(chǎn)量相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、分析及保存更方便、清晰直觀。

圖7　產(chǎn)量圖俯視圖

圖8　產(chǎn)量圖3D圖

參考文獻(xiàn)：

[1]齊江濤,張書慧,牛序堂.穗狀玉米測產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011(1):181-185.

[2]仇華錚,陳樹人,張林林.谷物產(chǎn)量智能測產(chǎn)監(jiān)測器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(2):130-133.

[3]李長占,祁廣云,黃操軍.基于稱重法的收割機(jī)谷物測產(chǎn)方法的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(3):42-45.

[4]趙麗清,尚書旗,王延耀,等.基于小區(qū)育種的收獲機(jī)智能測產(chǎn)系統(tǒng)(英文)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012(S2):172-178.

[5]Zoerb G C, Moore G A, Burrow R P. Continuous measurement of grain moisture content during harvest[J].Transactions of the ASAE (USA), 1993，36(1)：5-9.

[6]白龍,王才東,劉潔.基于CAN總線的聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(6):116-119.

[7]Selcuk Arslan, Thomas S Colvin. Grain yield mapping: yield sensing, yield reconstruction, and errors[J].Precision Agriculture, 2002(3): 135-154.

[8]陳樹人,張漫,汪懋華.谷物聯(lián)合收獲機(jī)智能測產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005(1):97-99.

Research on Real-time Yield Monitor System of Intelligent Peanut Harvester

Hu Xiuhui, Zhao Liqing, Gong Linong, Shao Lianwei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：A real-time yield monitor system of intelligent peanut harvester is designed. It is consisted of weight sensor, moisture sensor and other sensing device, automatic packing device, CAN converter, GPS system and the control terminal. This system adopts weighing method to measure the peanut weight, uses contacted-capacitive moisture meter to measure moisture content, packs peanut by automatic packing device. The designed yield monitor software shows the peanut yield data, and draws yield map with the help of GPS positioning information. The system can obtain yield data timely and accurately, improve the work efficiency of the peanut yield monitor.

Key words：peanut; harvester; yield monitor system; automatic packing

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0142-04

中圖分類號(hào)：S225.7+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：胡修慧(1991-)，女，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)493760262@qq.com。通訊作者：趙麗清(1972-)，女，呼和浩特人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhlq017214@163.com。

基金項(xiàng)目：山東省自主創(chuàng)新專項(xiàng) (2013CXC90205)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203028.8)

收稿日期：2014-12-22