馬 鑫 ,王 鶴,白曉平

(1.遼寧福鞍重工股份有限公司，遼寧 鞍山 114016；2.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051；3.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016)

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聯(lián)合收割機產(chǎn)量檢測系統(tǒng)智能終端設(shè)計

馬 鑫1,王 鶴2,白曉平3

(1.遼寧福鞍重工股份有限公司，遼寧 鞍山 114016；2.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051；3.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016)

產(chǎn)量檢測系統(tǒng)智能終端是獲取田間產(chǎn)量信息的核心裝置。為提高我國農(nóng)機裝備的技術(shù)水平和競爭能力，全面提升我國農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力，設(shè)計開發(fā)了基于CAN總線分布式的產(chǎn)量檢測系統(tǒng)智能終端。智能終端包括車載顯示器和智能節(jié)點兩部分：車載顯示器通過CAN總線接受智能節(jié)點的數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)崟r顯示并保存產(chǎn)量信息；智能節(jié)點的作用是讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到CAN總線上。田間試驗表明：智能檢測終端運行良好，滿足田間測產(chǎn)的要求。

智能終端;產(chǎn)量檢測;CAN總線；聯(lián)合收割機

0 引言

農(nóng)田信息獲取是精準農(nóng)業(yè)實踐過程的首要環(huán)節(jié)，特別是田間產(chǎn)量信息的獲取尤為重要，因為以產(chǎn)量信息為基礎(chǔ)建立產(chǎn)量分布圖可為農(nóng)田信息管理與決策提供可靠依據(jù)。要實現(xiàn)田間信息的采集，建立產(chǎn)量分布圖，就要在收割機上安裝測產(chǎn)系統(tǒng)。

目前，歐美等國家的精準農(nóng)業(yè)技術(shù)已經(jīng)成熟，測產(chǎn)系統(tǒng)及其技術(shù)在田間得到了廣泛的應(yīng)用，如美國的PF系統(tǒng)、AFS系統(tǒng)、Greenstar系統(tǒng)及英國Fieldstar 系統(tǒng)等[1]可實現(xiàn)農(nóng)機自動導(dǎo)航、作物產(chǎn)量檢測等功能。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部的調(diào)查顯示：2001年，37%的玉米產(chǎn)地在聯(lián)合收割機上安裝了測產(chǎn)系統(tǒng)；2002 年，29%的大豆產(chǎn)地在聯(lián)合收割機上安裝了測產(chǎn)系統(tǒng)；到2009年，大約有35%的冬小麥產(chǎn)地在聯(lián)合收割機上安裝了測產(chǎn)系統(tǒng)[2]。而且，收割機上配備測產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)量正在迅速增加，據(jù)估計，目前大約有50%的玉米和大豆產(chǎn)區(qū)在聯(lián)合收割機安裝了測產(chǎn)系統(tǒng)[1,3]。在德國，基于GPS的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用比變量作業(yè)技術(shù)應(yīng)用更加廣泛[4]，但只有6.7%～11%的農(nóng)民采用了測產(chǎn)系統(tǒng)，實際應(yīng)用并不多。其推廣應(yīng)用率較低的原因是測產(chǎn)系統(tǒng)的價格昂貴且復(fù)雜性。在澳大利亞，大約有30%的大中型農(nóng)場配備了測產(chǎn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在谷物、土豆、花生等作物的收割上[5]。

從目前來看,我國的測產(chǎn)系統(tǒng)雖然沒有商品化產(chǎn)品，但在精準農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的帶動下，在谷物測產(chǎn)系統(tǒng)方面的研究從最初的引進轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾餮邪l(fā)。1999年，東北墾區(qū)邁出了精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的第一步，引進了由CASE和John Deere公司聯(lián)合生產(chǎn)配有測產(chǎn)系統(tǒng)的谷物聯(lián)合收割機。2000年，一臺帶有AFS系統(tǒng)的CASE IH2366谷物聯(lián)合收割機被北京小湯山國家精準農(nóng)業(yè)示范基地引進，該收割機配備有谷物流量傳感器和DGPS定位系統(tǒng)，可以利用AFS系統(tǒng)能生成產(chǎn)量分布圖。2002年，該示范基地通過研究國外聯(lián)合收割機測產(chǎn)系統(tǒng)，自主開發(fā)了一套適合我國聯(lián)合收割機的測產(chǎn)系統(tǒng)，在河北保定進行了田間試驗[6]。此時，國內(nèi)對測產(chǎn)系統(tǒng)的研究從消化吸收轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾餮邪l(fā)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計開發(fā)了基于P8XC592微控制器的測產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有谷物流量傳感器、速度傳感器、割臺高度傳感器、谷物含水率傳感器和升運器轉(zhuǎn)速傳感器；同時，系統(tǒng)的顯示終端采用觸摸液晶屏，并利用CF卡記錄與存儲產(chǎn)量數(shù)據(jù)。為了利用采集的數(shù)據(jù)繪制產(chǎn)量分布圖，研制了產(chǎn)量分布圖生成系統(tǒng) Y-Mapper[7]。上海交通大學(xué)在測產(chǎn)技術(shù)上做了大量的研究和實驗，設(shè)計開發(fā)了谷物流量傳感器和顯示終端[8]，把傳感器顯示終端安裝在佳聯(lián)1075型聯(lián)合收割機上進行了試驗，田間試驗結(jié)果顯示所研制的測產(chǎn)系統(tǒng)能夠滿足測產(chǎn)的要求。此外，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)在谷物測產(chǎn)系統(tǒng)的裝置開發(fā)上也做了大量的研究工作。

綜上所述，對于測產(chǎn)技術(shù)的研究和實踐，國內(nèi)主要以引進、消化吸收國外技術(shù)為主，且研究大部分存在測產(chǎn)系統(tǒng)功能單一、通用性不強、可擴展性差和通信接口不規(guī)范等缺點。為解決上述問題，本文設(shè)計了一種基于CAN總線分布式的產(chǎn)量檢測系統(tǒng)智能終端，并對智能終端的性能進行了田間試驗。

1 智能終端總體功能設(shè)計

智能終端不僅要實現(xiàn)監(jiān)測產(chǎn)量數(shù)據(jù)，還需對產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行處理，計算出收割機當前位置的產(chǎn)量，并在線繪制出產(chǎn)量圖。為滿足田間測產(chǎn)的要求，所設(shè)計的智能終端總體功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

智能終端的各部分功能如下：

1) 數(shù)據(jù)采集。主要對谷物流量信號、速度信號、升運器轉(zhuǎn)速信號、谷物含水率信號、割臺高度信號及GPS信號進行采集。

2) 參數(shù)配置。包括地塊名、車次名、谷物種類、流量延時、標定系數(shù)和割幅寬度等設(shè)置，以及GPRS設(shè)備的配置。

3) 數(shù)據(jù)處理。利用去噪方法能夠?qū)Ω鱾€傳感器信號進行真實信號提取，以及對實時的GPS信號進行解析，同時把大地坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標。

4) 產(chǎn)量計算。根據(jù)各種傳感器的采集數(shù)據(jù)進行產(chǎn)量計算，產(chǎn)量的形式有：總產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量和區(qū)域產(chǎn)量，多種產(chǎn)量形式的選擇可以滿足個人及農(nóng)場作物規(guī)模化管理的需求。

5) 通信功能。對下層傳感器實現(xiàn)各個智能節(jié)點的初始化，處理CAN報文的發(fā)送和接收、數(shù)據(jù)溢出、CAN出錯及判斷數(shù)據(jù)丟失等情況；對上層服務(wù)器的GPRS發(fā)送的語句格式進行相關(guān)定義，周期性地向遠程服務(wù)器端發(fā)送田間測產(chǎn)數(shù)據(jù)。

6) 實時繪圖。包括收割機作業(yè)時運動軌跡及軌跡上產(chǎn)量數(shù)據(jù)。產(chǎn)量數(shù)據(jù)是以散點或等值線來表達，收割機的作業(yè)位置及產(chǎn)量的分布情況通過繪圖功能可以直觀觀察到。

2 智能終端設(shè)計

由于田間作業(yè)的環(huán)境非常復(fù)雜，所以智能終端的設(shè)計應(yīng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、顯示直觀及操作簡便的特點。本文所設(shè)計的智能終端包括兩部分：車載顯示器和智能節(jié)點。

2.1 車載顯示器設(shè)計

2.1.1 車載顯示器硬件設(shè)計

車載顯示器的硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)CPU采用STM32F103RET6，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，主頻72MHz，具有512kB Flash及64kB SRAM。通過CAN收發(fā)器處理電路與智能節(jié)點進行通訊，采集傳感器的數(shù)據(jù)；通過USART與串口屏進行通訊，串口屏具有數(shù)據(jù)顯示和配置功能；通過移動通訊模塊外接GPRS天線與監(jiān)測中心通信，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測中心；通過I2C總線與EEPROM進行交互，完成配置參數(shù)的裝載和保存功能。

圖2 硬件組成結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 車載顯示器軟件設(shè)計

車載顯示器的芯片采用STM32F103RET6，軟件層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，共包含3個層次，從下到上依次為：①固STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0，為意法半導(dǎo)體公司官方提供的應(yīng)用程序接口庫；②硬件層，在固件庫的基礎(chǔ)上封裝的硬件相關(guān)的操作方法，包括cmd_queue、delay、ds18b20、hmi_driver、i2c、led等；③應(yīng)用層，包括yield、picture、can、common、io、main、mobile、screen和store等。

圖3 軟件層次結(jié)構(gòu)圖

按照智能終端總體功能的需求將軟件劃分為以下模塊：產(chǎn)量模塊、繪圖模塊、CAN總線模塊、GPS模塊、移動通訊模塊、串口屏模塊及存儲模塊等。

1) 產(chǎn)量模塊：首先根據(jù)谷物流量、速度、割幅等綜合信息計算收割機運動軌跡上的產(chǎn)量，包括總產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量和區(qū)域產(chǎn)量，然后應(yīng)用過濾器對產(chǎn)量數(shù)據(jù)誤差進行過濾。

2) 繪圖模塊：首先把GPS數(shù)據(jù)即大地坐標轉(zhuǎn)換成平面坐標，再結(jié)合過濾后的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和平面坐標中的橫縱坐標值繪制產(chǎn)量分布圖。

3) CAN通信模塊：車載顯示器通過CAN總線與智能節(jié)點進行通信，采集各個傳感器的數(shù)據(jù)。在CAN總線模塊中主要實現(xiàn)CAN參數(shù)初始化、濾波器設(shè)置、接收數(shù)據(jù)及消息處理等功能，根據(jù)需求波特率設(shè)置為500kbps。

4) 串口屏模塊：車載顯示器通過USART1與串口屏進行交互。串口屏采用7寸1 024×600分辨率TFT彩屏。模塊具有初始化、接收數(shù)據(jù)及解析數(shù)據(jù)及發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。

5) 移動通信模塊：車載顯示器通過USART2與移動通訊模塊交互，外接GPRS天線，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測中心，模塊具有初始化和發(fā)送數(shù)據(jù)功能。

6) 存儲模塊：車載顯示器通過I2C總線與EEPROM進行交互，芯片采用AT24C32。模塊具有初始化、保存參數(shù)、讀取參數(shù)和解析參數(shù)功能。

2.2 智能節(jié)點設(shè)計

由于測產(chǎn)系統(tǒng)中的傳感器較多，硬件接口不一致，所以設(shè)計了一種通用的智能節(jié)點電路，用于完成以上信號的預(yù)處理和與CAN總線的互連。智能節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。智能節(jié)點采用ARM公司32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機作為處理器。STM32內(nèi)部集成有完整的CAN控制器模塊，支持 CAN 2.0A/B協(xié)議，是傳感器與外部的通信接口。智能節(jié)點具有模擬電壓信號測量模塊，該模塊采用運算放大器TLV2464構(gòu)成電壓跟隨電路，顯著增大了輸入端口的阻抗，提高了測量精度，且對單片機的ADC輸入端口起到了保護作用；智能節(jié)點還具有數(shù)字信號測量模塊，能夠測量帶有數(shù)字通信功能的傳感器。

圖4 智能節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

3 車載應(yīng)用驗證

為了驗證智能終端的實際性能，將智能終端安裝在聯(lián)合收割機上進行了實際車載試驗，其在聯(lián)合收割機上的集成如圖5所示。

圖5 測產(chǎn)系統(tǒng)在收割機上集成應(yīng)用

3.1 檢測傳感器選型

3.1.1 谷物流量傳感器

常用的谷物流量傳感器有4種類型：沖量式流量傳感器、射線式流量傳感器、光電式容積流量傳感器及刮板輪式容積流量傳感器。本文采用的是沖量式谷物質(zhì)量流量傳感器，測量誤差在3%～6%范圍內(nèi)。

3.1.2 GPS接收機

GPS接收機是接收GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號，并確定待測點空間位置的一種儀器。根據(jù)GPS接收機的不同用途，GPS接收機可分為導(dǎo)航型接收機和測地型接收機。目前GPS接收機的產(chǎn)品類型多樣，常用的GPS接收機主要有Trimble公司的SPS系列GPS模塊化接收機、NovAtel公司生產(chǎn)的OEM系列GPS接收機及北斗星通的C200系列接收機。綜合考慮GPS接收機的性能、接口、兼容性和成本等因素，最終選擇北斗星通的C201-AT-600接收機。該接收機的具有2個串行通信接口，更新頻率能夠達到20Hz，在差分模式下定位精度為60cm。

3.1.3 含水率傳感器

水份含量在精準農(nóng)業(yè)測產(chǎn)中，不僅影響產(chǎn)量的高低，還影響了谷物質(zhì)量水平，如按國家規(guī)定，針對不同谷物種類、不同地區(qū)，響應(yīng)水份含量只有小于某一數(shù)值，才能達到國家糧食儲藏標準。本研究選用的谷物含水率傳感器的型號為HM1500，用以快速測量谷物含水率。主要技術(shù)指標如下：

測量范圍/%RH：0～100

測量精度/%RH：≤±3

信號輸出/ V：1～4

輸入電源/ V：4.75～5.25

使用環(huán)境/℃：-40～+60

3.1.4 升運器轉(zhuǎn)速傳感器

升運器轉(zhuǎn)速傳感器是為了補償升運器轉(zhuǎn)速變化的影響，提高谷物流量測量的準確度。這里采用的是SZGB-6型光電轉(zhuǎn)速傳感器，具有測量距離遠及不受環(huán)境光干擾的優(yōu)點，內(nèi)藏調(diào)制光發(fā)射和接收光電轉(zhuǎn)換單元，能將被測物反射回來的光信號轉(zhuǎn)變成電脈沖信號。傳感器輸出電平適應(yīng)性強，能與各種轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀配套使用及計算機接口電路直接聯(lián)接，能無接觸測量轉(zhuǎn)速、線速等。主要技術(shù)指標：

測量方式：光電反射式

測速范圍/r·min-1：1～30 000

檢測距離/mm：最大150

輸出信號幅值/V：1～5

0～0.5以下

工作環(huán)境溫度/℃：0～40

相對濕度/%RH：85

反射條件:10 mm×10mm定向反射紙

3.1.5 割臺高度傳感器

割臺高度傳感器選用的是型號為KTM75的位移傳感器，用以指示收割機測產(chǎn)系統(tǒng)是否工作。當割臺抬起時，系統(tǒng)不工作。具體參數(shù)為：

線性精度/%：0.05

重復(fù)線性精度/mm：0.01

測量長度/mm：0～75

輸出類型：0～給定輸入工作電壓

工作溫度/℃：-30～125

3.1.6 速度傳感器

速度傳感器用于輔助計算收割機在單位時間內(nèi)前進路程，根據(jù)割幅得到收割面積所以速度傳感器對測產(chǎn)系統(tǒng)也十分重要。速度傳感器采用的型號為RVS3雷達測速傳感器，其應(yīng)用多普勒原理進行測速。具體技術(shù)參數(shù)為：

速度范圍/km·h-1：0.53～107.8

輸出頻率/ Hz：27.45

響應(yīng)輸出速度/ ms：≤200

速度誤差：≤±3%(0.53～3.2 km/h)

≤±1%(3.2～70.8 km/h)

3.2 田間試驗

在黑龍江省勝利農(nóng)場安裝了本文所設(shè)計的智能終端和相關(guān)傳感器的聯(lián)合收割機，進行了田間測產(chǎn)實驗，如圖6所示。收割機在田間進行多次直線收割，行走速度約為1m/s。重點針對智能終端的產(chǎn)量檢測、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理及通信功能等進行了實際測試。試驗表明:該農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端不僅能夠提供比較友好的人機交互界面，而且為后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)及功能測試提供了非常便利的條件。

圖6 收割機田間實驗

4 結(jié)論

為了縮小我國農(nóng)機裝備技術(shù)水平與發(fā)達國家的差距，設(shè)計了一種基于CAN總線分布式的產(chǎn)量檢測系統(tǒng)智能終端。智能終端由車載監(jiān)視器和智能節(jié)點組成。車載監(jiān)視器是智能節(jié)點來采集不同類型傳感器的數(shù)據(jù)，能夠支持產(chǎn)量檢測系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，可根據(jù)不同農(nóng)機類型、不同作業(yè)需求進行動態(tài)配置，提高裝測產(chǎn)系統(tǒng)可靠性、可檢測性和可維護性。最后，利用所開發(fā)的智能終端進行了田間測產(chǎn)試驗，取得了理想的效果。

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Abstract： Intelligent terminal for yield monitoring system is the core device to obtain yield information. In order to improve technology of agricultural machinery,an intelligent terminal is developed based on CAN bus.Intelligent terminal consist of vehicle monitor and intelligent node.Vehicle monitor receive the data from CAN bus.While intelligent node collect signal from sensors and send the data to CAN bus. The field experiment shows that the intelligent terminal works well and meets the requirement of the field test.

ID:1003-188X(2017)07-0062-EA

Design of Intelligent Terminal for Yield Monitoring System of Combine Harvester

Ma Xin1, Wang He2, Bai Xiaoping3

(1.Liaoning Fu-An Heavy Industry Co., Ltd, Anshan 114016, China; 2. University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China; 3.Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Science, Shenyang 110016, China)

intelligent terminal; yield monitoring; CAN bus;combine harvester

2016-05-18

遼寧省科技攻關(guān)計劃項目(Y5L7160701)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA040403)

馬 鑫(1980-),女，遼寧鞍山人，工程師，(E-mail)mx_lnfa@163.com。

王 鶴(1983-)，男，遼寧鞍山人，講師，(E-mail)21570453@163.com。

S24；TP273

A

1003-188X(2017)07-0062-04