郝 倩，張亞楠

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

目前，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化率明顯落后于歐美等發(fā)達(dá)國家，且我國農(nóng)機(jī)行業(yè)大多數(shù)中高端產(chǎn)品仍以進(jìn)口為主。未來,隨著農(nóng)墾改革的持續(xù)推進(jìn),促使農(nóng)地集約化管理,大型農(nóng)機(jī)的需求將不斷增加。此外，我國聯(lián)合收割機(jī)在向大型、高效、多功能與智能控制發(fā)展過程中，存在喂入量提升、多種作物適應(yīng)性、作業(yè)質(zhì)量自動調(diào)控及智能測產(chǎn)等智能化技術(shù)缺失，制約了我國農(nóng)機(jī)化綜合生產(chǎn)水平進(jìn)一步提高。為此，以解決聯(lián)合收割機(jī)智能測產(chǎn)為出發(fā)點，設(shè)計了一套基于Linux和Exynos4412的聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)。

1 聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)工作原理

1.1 沖量式流量傳感器

收割機(jī)測產(chǎn)手段采用的流量傳感器主要有沖量、容積及光電式3種。其中，以沖量式結(jié)構(gòu)最為簡單、成本最為低廉，因此本文采用該方法。沖量式流量傳感器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

該傳感器由懸梁、外殼和沖量板三部分構(gòu)成，在實際應(yīng)用中被安裝在收割機(jī)的儲藏倉上方。作物經(jīng)過脫粒、谷穗分離后被拋出沖擊到流量傳感器的沖量板上，沖量板帶動懸梁發(fā)生形變，引起懸梁內(nèi)部電阻變化，從而輸出與沖擊作物重量相對應(yīng)的電壓u。其原理如下：

由沖量守恒定理得

F(t)Δt=Δm(t)Δv

(1)

(2)

其中，F(xiàn)(t)為作物的對沖量板的沖擊力；Δt為作物對沖量板的作用時間；Δm(t)為t時刻作用時間段的作物質(zhì)量之和；q(t)為t時刻作物對沖量板的沖量之和。

對于沖量式流量測重傳感器，假設(shè)聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)行速度恒定，則單位時間內(nèi)作物質(zhì)量與流量傳感器沖量的計算公式為

mi=kui

(3)

其中，k為沖量系數(shù)；ui為流量傳感器瞬時電壓。

圖1 沖量式流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 測產(chǎn)系統(tǒng)工作原理

聯(lián)合收割機(jī)在正常作業(yè)過程中，作物從收割臺進(jìn)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(yùn)輸車上。其中，作物產(chǎn)量由測產(chǎn)系統(tǒng)通過收獲的作物質(zhì)量、面積、谷物含水率計算得到。在計算過程中，由于收割機(jī)每一單位時間的數(shù)據(jù)不連續(xù)且變化較大，因此每隔單位周期T進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集。第i塊單位區(qū)域作物單產(chǎn)量為

(4)

其中，fi為第i塊單位區(qū)域作物單產(chǎn)量(kg/hm2)；mi為第i塊區(qū)域作物總產(chǎn)量(kg)；vi為該區(qū)域收割機(jī)的運(yùn)行速度(m/s)；wi為收割機(jī)的割窗寬度(m)。

由于在作物收割時水分占據(jù)質(zhì)量比較大，因此在測產(chǎn)過程中需要去除作物的含水量，以合格作物含水率進(jìn)行計算。另外，對作物的收獲損失也要進(jìn)行考慮，則第i塊區(qū)域作物單產(chǎn)量(無含水量)為

(5)

其中，fid為第i塊單位區(qū)域作物的干重單產(chǎn)量；hα為收割時作物的含水量；hγ為收割時作物的含水量；η為作物收獲損失率。

在聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)作業(yè)過程中，各單位產(chǎn)量可以存在差異，因此計算某一區(qū)域產(chǎn)量時結(jié)合多個單位區(qū)域數(shù)據(jù)會得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。假設(shè)第k個區(qū)域內(nèi)有n個單位區(qū)域采樣點，結(jié)合式(3)和式(5)可得該區(qū)域的干重單產(chǎn)量fk為

(6)

2 聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)組成框架

聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)是結(jié)合傳感器和微處理器技術(shù)優(yōu)勢的一種智能型測量系統(tǒng)，包括Exynos4412、SD存儲卡，以及沖量式流量、含水率、地速、割臺高度等傳感器，其組成框架如圖2所示。

圖2 聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)組成框架圖

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)工作時，傳感器組會測出單位時間T的谷物流量、作物含水率、收割機(jī)前行速度及割臺高度等，同時將速度經(jīng)過處理后發(fā)送給微處理器進(jìn)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。

3 測產(chǎn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 采摘機(jī)械手系統(tǒng)硬件平臺

1)Exynos4412嵌入式硬件平臺的搭建。Exynos4412嵌入式平臺的搭建主要包括CPU的選型、Linux操作系統(tǒng)的確定，以及SDRAM(512MB)、NandFlash(1G)、NorFlash(16MB)、網(wǎng)口(10M)、串口、SD卡和嵌入式外圍設(shè)備的參數(shù)選定。該平臺由Exynos4412、顯示屏、數(shù)據(jù)存儲、通信和電機(jī)啟動驅(qū)動模塊組成。Exynos4412嵌入式平臺框架如圖3所示。

圖3 Exynos4412嵌入式平臺框架圖

由圖3可知：該平臺主要包括三大模塊：①CPU及SDRAM、NAND Flash存儲模塊；②電源、時鐘和復(fù)位電路；③顯示屏和電機(jī)驅(qū)動模塊。

2)測產(chǎn)系統(tǒng)流量傳感器電路設(shè)計。測產(chǎn)系統(tǒng)流量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)化為電壓信號，這部分由沖量式流量傳感器實現(xiàn)。沖量式流量傳感器產(chǎn)生的電壓比較微弱(mV級別)，因此通常需要運(yùn)放電路放大處理后再接至Exynos4412的GPIO管腳。測產(chǎn)系統(tǒng)流量傳感器電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 測產(chǎn)系統(tǒng)流量傳感器電路圖

測產(chǎn)系統(tǒng)采用BLR高精度橋式?jīng)_壓式電路采集作物沖擊沖量板的質(zhì)量，該橋式電路精度高、穩(wěn)定性好。該模塊供電電壓為+12V，輸出的電壓信號在mV級別。一般來說，mV級別的信號放大需要極低的失調(diào)電壓，因此采用ADI公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器AD8554。該運(yùn)放失調(diào)電壓典型值為1uV，用于mV信號放大非常合適。

在收割機(jī)作業(yè)過程中，可能會因為地形和收割機(jī)自身的振動而使傳感器采集信號受到噪聲的影響。沖量產(chǎn)生的電壓信號相對于噪聲是一種低頻信號，在沖量信號經(jīng)過AD8554運(yùn)放放大處理后可以接一個低通濾波器對噪聲進(jìn)行去噪處理。本文采用一個OP07的低通濾波器對噪聲信號進(jìn)行處理。

3.2 采摘機(jī)械手系統(tǒng)軟件平臺

1)Exynos4412嵌入式軟件平臺的移植。Exynos4412軟件平臺的移植是通過交叉開發(fā)工具在宿主機(jī)上，向硬件平臺移植Linux系統(tǒng)。Exynos4412軟件平臺的移植流程如圖5所示。

圖5 Exynos4412軟件平臺的移植流程

Step1：創(chuàng)建交叉開發(fā)環(huán)境。該部分主要是在宿主機(jī)上，搭建編輯器、交叉編譯器、交叉鏈接器及交叉調(diào)試器等工具鏈。

Step2：移植Bootloader。盡管各種Bootloader之間細(xì)節(jié)差異較大，但具體流程卻大相徑庭，主要包括BL1和BL2兩部分。BL1采用匯編語言編寫，首先是進(jìn)行基本的硬件初始化，加載BL2到RAM，并跳轉(zhuǎn)到BL2處開始執(zhí)行BL2的代碼；BL2采用C語言編寫，首先是對時鐘信號、串口的初始化，然后對系統(tǒng)內(nèi)存映射進(jìn)行檢測，接著加載內(nèi)核鏡像和fs根文件系統(tǒng)，最后設(shè)置Linux的啟動參數(shù)。

Step3：移植Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核代碼分為Stage1和Stage2兩個階段。Stage1階段主要是檢查Linux內(nèi)核是否支持該CPU和開發(fā)板；Stage2階段則是進(jìn)行MMU初始化，清除bss段，設(shè)置SP堆棧，初始化系統(tǒng)各個軟件子系統(tǒng)，掛載fs根文件系統(tǒng)，并運(yùn)行init進(jìn)程。

Step4：制作根文件Ramdisk.img。本文采用Busybox-1.22.1工具制作根文件系統(tǒng)，主要包括Busybox源碼的編譯、配置、安裝、庫的添加、inittab文件的添加、fstab文件的添加及rcS文件的創(chuàng)建等。

Step5：驅(qū)動程序的移植。主要是對電機(jī)驅(qū)動、網(wǎng)卡驅(qū)動、USB及UART串口驅(qū)動進(jìn)行移植。

Step6：開發(fā)應(yīng)用程序。編寫聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)子系統(tǒng)程序等。

2)測產(chǎn)系統(tǒng)主程序設(shè)計。聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)軟件包括主程序、測產(chǎn)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸、顯示、終端、串口通訊及初始化模塊等。測產(chǎn)系統(tǒng)主程序框圖如圖6所示。

圖6 測產(chǎn)系統(tǒng)主程序流程圖

主程序核心代碼如下所示：

int main(void)

{

uint8_t ret = 0;//判斷硬件控制是否成功，1為成功

int8_t send_pack_count = 0;

uint8_t send_pack_buf[8] = {0};

SystemInit();

GPIOInit();

// Enables clock for GPIO

HardwareInit();// 相關(guān)硬件初始化

LPC_IOCON->PIO0_1 &= ～0x07;

LPC_IOCON->PIO0_1 |= 0x01;/* CLK OUT */

SysTick_Config(48000);

SPI_IOConfig(0);//SPI0 initialization(LED屏相關(guān)配置)

SPI_Init(0, 8, 2);

OLED_Init_I();

//Led屏初始化

UARTInit(115200);

NVIC_SetPriority(UART_IRQn, 2);

SPI_IOConfig(1);//SPI1 initialization

SPI_Init(1, 8, 2);

SPI752_Init(1, 115200);//Set SPI752_Init

WDTInit();/* 看門狗初始化 */

delay_ms(200);

weight _signal();

}

4 試驗與結(jié)果分析

應(yīng)用本文設(shè)計的聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)，于水稻收獲時節(jié)在某水稻種植示范區(qū)進(jìn)行了水稻收割測產(chǎn)試驗，以驗證系統(tǒng)測產(chǎn)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。試驗條件如表1所示。為了提高試驗的可靠性和準(zhǔn)確性，本文一共進(jìn)行了8次測試，測試結(jié)果如表2所示。

表1 試驗條件

表2 測試結(jié)果

由表2可以看出：聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)相對誤差在8%內(nèi)，準(zhǔn)確率較高，能夠達(dá)到設(shè)計要求。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能測產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需求，以作物測產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計了基于Linux和Exynos4412的聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件由Exynos4412處理器結(jié)合沖量式流量傳感器、流量傳感器電路設(shè)計和顯示界面組成；軟件以C語言編寫開發(fā)，包括linux底層系統(tǒng)的移植、系統(tǒng)主程序及測產(chǎn)子系統(tǒng)等。試驗結(jié)果表明：聯(lián)合收割機(jī)測產(chǎn)系統(tǒng)相對誤差在8個百分點以內(nèi)，準(zhǔn)確率較高，能夠達(dá)到設(shè)計要求。