智能花生收获机实时测产系统的研究

胡修慧，赵丽清，龚丽农，邵连维

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



智能花生收获机实时测产系统的研究

胡修慧，赵丽清，龚丽农，邵连维

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：设计了由重量传感器、水分传感器、自动包装装置、CAN转换器、GPS系统，以及控制终端等组成的智能花生收获机实时测产系统。该系统采用称重法测量花生质量，利用接触式电容水分仪测得花生含水量、自动包装装置进行包装，通过设计的测产软件显示花生流量数据，结合GPS系统定位信息生成产量图。该系统获取产量数据及时准确，提高了花生测产的工作效率。

关键词：花生；收获机；测产系统；自动包装

0引言

花生是我国重要的油料作物和经济作物，在世界农业生产和贸易中占有重要地位。随着花生种植面积的增加，花生的收获及产量的测量是极其重要的。目前的测产方法主要为：人工抽样估产；根据某种模型预测作物产量，如通过建立生长条件模型或遥感模型预测产量等；使用装备产量传感器的收获机实现作物收获与产量实时监测，从而获取产量数据[1]。人工抽样估产准确性不高，效率较低；遥感信息技术适合宏观管理，对单产预测有局限性；利用产量传感器测产具有较好的实时性且效率较高。为此，设计一种应用于花生收获机上的实时测产系统，对花生的产量监测有着重要的意义。

1测产系统整体结构

花生收获机实时测产系统主要由单片机模块、重量传感器、水分传感器、角度传感器、自动包装装置、GPS系统、CAN转换器和控制终端组成，总体结构框图如图1所示。

测产系统工作时，由重量传感器、水分传感器实时测得花生的质量和水分信息，质量值达到设定的上限值，控制系统控制夹带结构运动，进行自动包装；角度传感器采集入土和出土的角度信息，GPS系统采集速度信息及收获产地的位置信息，所采集的质量、水分和速度等信号送入单片机，然后经过CAN转换器转换成CAN信号传送到控制终端，得到产量数据。

图1　智能花生收获机实时测产系统总体结构框图

2关键部件及工作原理

2.1称重及自动包装装置的设计

称重及自动包装装置位于花生收获机出料口的下方，其结构简图如图2所示。工作时，花生进入入料口到达称重台，质量传感器采集质量信息；信息采集完后，卸料口打开，花生落入放料斗；当采集的质量信息达到系统设定的上限值时，自动包装装置的夹带结构将物料袋封装好，经过传输带将包装好的花生传输出去。

国内外常采用的在线谷物流量传感器类型有冲量型、射线型、光电型和称重型等多种形式[2]。本设计采用称重式测量的方法，选用的重量传感器为电阻应变式称重传感器，主要包括电阻应变片、弹性体和检测电路3部分[3]。检测电路把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，输出信号经24位A/D转换芯片HX711[4]将质量的模拟信号转换为数字信号，然后送入单片机；再对数字信号进行滤波，并将测得的质量在控制终端显示出来。

1.入料口　2.重量传感器　3.称重斗　4.卸料口　5.放料斗

自动包装装置位于称重台卸料口的下方，包括夹带结构，夹带系统与控制终端相连。自动包装装置工作时，系统首先设定一个质量上限值，质量传感器采集的质量值达到所设定的值时，控制终端将数据反馈回去；接收到信息的夹带结构开始运动，进行包装。

2.2水分测量装置的设计

谷物收获机上测量水分的装置大多基于电容法原理设计，其水分信号检测电路框图如图3所示。

图3　水分信号检测电路框图

在常温下，干燥粮食的介电常数为2～4，而水的介电常数约为80。当电容式水分传感器以粮食作为极间介质时，可以通过测量电容值的变化来测定粮食的相对介电常数值[5]，由此得出被测粮食的含水率。

本设计采用平板式结构，选用的是德国麦希欧接触式在线水分仪。水分仪探头安装在料仓壁上，在倾斜的料仓排出口处的料仓壁上挖1个76mm的孔径和3个6mm的螺孔来安装和固定探头，其结构示意图如图4所示。花生进入放料斗，落下的过程中经过水分仪，水分测量系统采集的水分信号，通过中央处理和过程分析得出测量的水分值。

1.花生　2.料仓　3.水分传感器

2.3CAN转换器

系统工作时，各传感器所采集的信号为RS232或RS485信号，不能直接送给上位机处理。为解决单片机到控制终端CAN总线的通讯问题，本设计采用CAN转换器模块将采集的信号转换成CAN信号，将数据信息通过CAN总线准确的传送给上位机，其系统构成原理如图5所示。CAN智能协议转换器是用于CAN-bus现场总线和RS-232/RS-485总线之间数据交换的智能型协议转换器[6]。选用CAN总线作为花生收获机测产系统重要的通信网络，通信速率高、容易实现且性价比高。

3测产软件设计及试验

本测产软件可实现实时数据采集、数据处理、数据显示、数据存储及数据分布3D图查询功能。实时数据采集包括对传感器信号的采集和GPS信息的采集。软件工作界面如图6所示。

软件可以查询质量、水分、经度、纬度和接收时间5个变量，前4个变量之前都有一个启用选项，并且后面可以调整查询范围，查询某一范围的测产情况。当质量和水分同时启用时，则可以选择质量和水分是交集关系还是或的关系；点击保存选项，可以将查询到的数据保存为excel格式。质量选项处有一个下拉三角符号，点击之后便可切换到水分选项，这样便可分别查询生成的质量或水分的3D图形。点击3D查看，便可以看到所选择地区的产量俯视3D图形和立体的图形。启用3D查看时，还可以设置不用数据段数，对3D图形进行分段染色，对不同范围的数据进行染色，方便直观了解产量分布情况。

图5　CAN232MB系统构成原理

图6　测产软件工作界面

为调试软件的性能，进行了简单模拟试验。下位机用到的处理芯片是mega-2560，自带4个独立串口。为了系统传送数据的需要，模拟了一个水分数据，通过89C52发出相同波特率的串口信号，质量传感器采集质量信号，通过CAN转换器将水分、质量信号转换成CAN信号，经过CAN总线传送给上位机，最终显示质量、水分、纬度、经度和接收时间5个变量。数据显示如图6所示，俯视图如图7所示，3D图如图8所示。

通过进行模拟试验，经过测试，质量和水分信号可以通过CAN总线准确地传送给上位机，运行稳定可靠。该软件解决了CAN总线通讯的关键问题，便于数据的存储查询，3D查看功能可以直观查看不同收获地区的花生产量状况，为产量分析提供了依据。

4结论

设计的智能花生收获机测产系统实现了花生收获过程中质量和水分的实时测量与显示；首次将自动包装装置应用到花生收获机上，对收获的一定量的花生进行包装，简化了花生收获的后续工作。该装置也可以应用到其他谷物产量的测量上。该系统采用接触式电容式水分仪进行水分测量，简单经济、可靠性高且易维护，便于进行花生产量的折干计算；上位机软件的应用和产量图的生成使得产量相关数据的查询、分析及保存更方便、清晰直观。

图7　产量图俯视图

图8　产量图3D图

参考文献：

[1]齐江涛,张书慧,牛序堂.穗状玉米测产系统设计与试验[J].农业机械学报,2011(1):181-185.

[2]仇华铮,陈树人,张林林.谷物产量智能测产监测器的设计与试验[J].农机化研究,2013,35(2):130-133.

[3]李长占,祁广云,黄操军.基于称重法的收割机谷物测产方法的研究[J].农机化研究,2014,36(3):42-45.

[4]赵丽清,尚书旗,王延耀,等.基于小区育种的收获机智能测产系统(英文)[J].农业工程学报,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]白龙,王才东,刘洁.基于CAN总线的联合收割机测产网络系统设计[J].农机化研究,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]陈树人,张漫,汪懋华.谷物联合收获机智能测产系统设计和应用[J].农业机械学报, 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

文章编号：1003-188X(2016)01-0142-04

中图分类号：S225.7+3

文献标识码：A

作者简介：胡修慧(1991-)，女，山东泰安人，硕士研究生，(E-mail)493760262@qq.com。通讯作者：赵丽清(1972-)，女，呼和浩特人，副教授，硕士生导师，(E-mail)zhlq017214@163.com。

基金项目：山东省自主创新专项 (2013CXC90205)；公益性行业(农业)科研专项(201203028.8)

收稿日期：2014-12-22