方華麗，雷 蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽，473000)

0 引言

隨著農(nóng)地集約化管理的深入改革,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對大型農(nóng)機的需求將繼續(xù)加大。聯(lián)合收割機是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要機械設備，實時獲取農(nóng)業(yè)種植區(qū)域的產(chǎn)量信息是聯(lián)合收割機的核心功能，也是來年精準變量作業(yè)的主要依據(jù)。為此，以解決聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量為出發(fā)點，采用了一種壓力測產(chǎn)傳感器，設計了一套基于ARM的聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)，并開展了田間動態(tài)試驗，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 測產(chǎn)傳感器對比與選型

1.1 兩種測產(chǎn)傳感器對比

聯(lián)合收割機測產(chǎn)傳感器主要有壓力傳感器和聲學傳感器兩種，本文研究對比的兩種傳感器都包含1塊用于測量谷粒流量的60mm×40mm的矩形沖擊板。壓力傳感器由聚氯乙烯制成的沖擊板和具有八角形環(huán)的應變式力傳感器組成，結構示意如圖1(a)所示。聲學傳感器由鋼板和壓電晶體耳機組成，結構示意如圖1(b)所示。

兩個傳感器的采樣頻率均為10kHz。其中，壓力傳感器設置了一個2kHz的低通濾波器，而聲學傳感器則沒有設置2kHz的低通濾波器。為了減少螺旋鉆產(chǎn)生的振動噪音，特地將測產(chǎn)傳感器獨立安裝在糧箱上的橫梁上，為了選擇合適的傳感器，同時安裝了壓力和聲學兩個測產(chǎn)傳感器，通過對比試驗選擇效果較好的傳感器，安裝效果圖如圖2所示。

(a) 壓力傳感器結構

(b) 聲學傳感器圖1 兩種傳感器結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of two kinds of sensor structures

圖2 傳感器安裝位置Fig.2 Sensor installation position

當谷粒攪拌器以低速(7～10Hz)旋轉(zhuǎn)時，谷物的動量不足，無法通過傳感器產(chǎn)生明顯的重量信號，因此在螺旋鉆的上端添加一個機翼，以便其可沿徑向散射顆粒(見圖3)；另外，采用磁性拾取裝置檢測谷粒刨機的時間和轉(zhuǎn)速，方便測量谷粒的質(zhì)量信息。

圖3 谷物螺旋發(fā)射谷粒示意圖Fig.3 The grain sketch diagram of grain spiral emission

通過實際的應用對比，發(fā)現(xiàn)壓力傳感器的測量精度較聲學傳感器要高，因此選用壓力傳感器作為聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)的測量設備。

1.2 測產(chǎn)傳感器應用原理

聯(lián)合收割機在正常作業(yè)過程中，作物從收割臺進入，由輸送裝置喂入至脫粒裝置處，經(jīng)過脫粒、谷穗分離后集中到儲藏倉，然后由傳送帶將糧食送到運輸車上。測產(chǎn)傳感器應用結構如圖4所示。作物產(chǎn)量由測產(chǎn)系統(tǒng)通過收獲的作物質(zhì)量、面積及谷物含水率計算得到。產(chǎn)量計算表達式如下：

Y(xi,yi)=KM/WS

(1)

其中，Y為聯(lián)合收割機瞬時產(chǎn)量值(kg/m2)；(xi,yi)為瞬時產(chǎn)量測量時收割機的坐標；M為壓力傳感器測得谷粒的流量值(kg/s)；W為割臺寬度(m)；S為聯(lián)合收割機前行速度(km/h)；K為產(chǎn)量計算的單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

圖4 測產(chǎn)傳感器應用結構框架圖Fig.4 The structure frame diagram of sensor application

2 產(chǎn)量計量系統(tǒng)整體框架

聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)主要包括遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)、測產(chǎn)子系統(tǒng)和智能手機終端查詢子系統(tǒng)等3個部分，是基于GPS、GPRS、傳感器和ARM微處理器組成的集成系統(tǒng)。聯(lián)合收割機測產(chǎn)系統(tǒng)整體框架如圖5所示。

圖5 聯(lián)合收割機測產(chǎn)系統(tǒng)整體框架圖Fig.5 The overall frame chart of the production system of a combined harvester

當聯(lián)合收割機測產(chǎn)系統(tǒng)工作時，ARM微處理器采集傳感器組的谷物流量、收割機前行速度、割臺高度和收割機前行速度等參數(shù)信息，然后微處理器進行單位面積的干重產(chǎn)量計算，最后將產(chǎn)量實時顯示在顯示終端上和存儲至SD卡；此外，測產(chǎn)子系統(tǒng)還會通過GPRS無線傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)與遠程監(jiān)控和管理系統(tǒng)的通信，實時將產(chǎn)量信息發(fā)送到遠程監(jiān)控和管理系統(tǒng)。

聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)各部分功能如圖6所示。

圖6 聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)各部分功能Fig.6 The functions of combine harvester grain output measurement system

3 谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)的軟硬件設計

3.1 谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)硬件設計

聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)的硬件部分主要由S5PV210微處理器、存儲單元、外圍電路、CF卡、壓力傳感器、GPS、速度傳感器、WiFi無線模塊、復位電路、電源管理電路，以及液晶顯示屏組成。聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)的硬件框架如圖7所示。

圖7 聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)硬件框架圖Fig.7 The hardware frame diagram of grain yield measurement system for

combine harvester

1)壓力傳感器信號處理電路。產(chǎn)量計量的壓力傳感器電路是整個系統(tǒng)最為核心的部分，作物收割質(zhì)量由數(shù)據(jù)采集電路將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)化為峰值信號，而該峰值電壓是表征谷物撞擊信號的另一個重要指標。由于谷粒碰撞和初始速度的隨機性，產(chǎn)生的信號峰值電壓可能是正的或負的。為了精確地獲取峰值電壓，設計了一個由精確檢測器和加法器組成的信號處理的放大器，其電路如圖8所示。壓力傳感器信號處理電路的原理為

(2)

圖8 壓力傳感器信號處理電路Fig.8 The signal processing circuit of pressure sensor

2)GPS單元功能設計。本文采用GPS差分定位實現(xiàn)聯(lián)合收割機的位置坐標定位功能，其工作原理為：安裝1臺GPS信號接收器在地面的已知點作為基準站，并與安裝在聯(lián)合收割機上的GPS接收器進行同步測量?；鶞收镜腉PS可以測出所有移動衛(wèi)星的偽距ρi和采集星歷文件，然后根據(jù)采集的星歷文件計算衛(wèi)星的某一時刻的位置坐標(Xi,Yi,Zi)。GPS運行原理結構如圖9所示。

圖9 GPS運行原理結構Fig.9 The principle structure of GPS operatio

根據(jù)基準站的坐標(Xb,Yb,Zb)和衛(wèi)星的瞬時坐標(Xi,Yi,Zi)可以計算出基準站的實際距離，即

(3)

其中，i為第i顆衛(wèi)星。

偽距修改值為

Δρi=Ri-ρi

(4)

偽距修改值的變化率為

(5)

安裝在聯(lián)合收割機上的GPS接收器根據(jù)偽距修改值△ρi和變化率△ρi′，對計算出的偽距ρimeas(t)繼續(xù)修正，得到修正表達式為

(6)

可以得到聯(lián)合收割機上的GPS坐標為

(7)

其中，dτ和v為GPS接收器的時鐘差值與噪聲。

根據(jù)式(7)便可以算出聯(lián)合收割機上的GPS坐標(X,Y,Z)。

3.2 谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)軟件設計

測產(chǎn)子系統(tǒng)是聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)軟件設計的核心，本系統(tǒng)設計各傳感器采集頻率為0.1s，A/D轉(zhuǎn)換去采集8次取平均值的結果，谷物產(chǎn)量值記為Mi。測產(chǎn)子系統(tǒng)程序流程如圖10所示。

圖10 測產(chǎn)系統(tǒng)主程序流程圖Fig.10 The flow chart of the main program of the production system

4 試驗與結果分析

聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)田間試驗于2018年5月小麥收獲季節(jié)在某小麥種植示范區(qū)進行，小麥品種為冬麥230，小麥面積20hm2，天氣晴，溫度26～30℃；聯(lián)合收割機割臺寬度為220cm，喂入量為6kg/s。為了提高試驗的可靠性和準確性，共進行5次測試，測試結果如表1所示。

表1 田間動態(tài)試驗結果Table 1 The field dynamic test results

從表1可以看出：聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)誤差范圍為3.93%～3.91%，控制在4%以內(nèi)，誤差波動較小，準確率較高，能夠達到設計要求，符合聯(lián)合收割機的實際測產(chǎn)要求。

5 結論

1)針對聯(lián)合收割機測產(chǎn)需求，以作物測產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，利用壓力測產(chǎn)傳感器，基于S5PV210嵌入式處理器，設計了一套聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)，實現(xiàn)了谷物產(chǎn)量的實時計量。

2)田間動態(tài)試驗結果表明：聯(lián)合收割機谷物產(chǎn)量計量系統(tǒng)誤差范圍為3.93%～3.91%，控制在4%以內(nèi)，誤差波動較小，準確率較高，能夠達到設計要求，符合聯(lián)合收割機的實際測產(chǎn)要求。