基于北斗GPS 谷物联合收割机测产计价系统设计

2023-05-12童智倩杨百胜王梓义李佩盈陈树人

农业装备技术 2023年2期

童智倩，张弛，杨百胜，王梓义，李佩盈，陈树人

（1.江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212013；2.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013；3.江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏镇江 212013）

0 引言

随着农业生产专业化的发展，农村出现了大批的农机队及农业机械化服务站等，为农户提供代耕、代收服务。其中，跨区作业占据国内最大的农机作业服务市场，据统计，2020 年全国约有1 640 万台农业机械和320 万名农机手投入“三夏”生产服务，各地共组织调度65 万台联合收割机参与夏收，其中，跨区作业联合收割机达到27.6 万台，8 kg 以上大喂入量机型占比达到70%，同比提高10 个百分点[1]。但在跨区作业收费时，因不同地区的经济、消费水平有差异，田间作业时农户不能及时了解田间收获的产量状况，与农机主经常在农机收费方面产生纠纷，影响作业效率。因此联合收割机跨区作业收费标准问题随之产生。

“精细农业”是一种基于现代化技术的田间管理手段。获取农田作物产量分布信息是实施精准农业的主要起点[2-3]。谷物产量可以直接反映农田信息对谷物产量的影响，农户可据此对农作物的种植方案进行调整，达到节本增效等目的，并且谷物产量可作为农机作业费用的重要依据[4]。

1992 年，Ag Leader 公司首次将谷物产量监测器成功推向市场[5]。迄今，国外谷物测产技术成熟[6-8]。国内也一直在进行谷物测产方面的研究，虽然没有商品化谷物流量传感器，但也累积了大量成果[9]。上海交通大学、中国农业大学和江苏大学等机构一直致力于相关技术的研究，研制出了冲量式、γ 线式和称重式等用于谷物测产的装置或系统[10-13]。目前计价系统研究进展少，大多是根据割幅、转速等测得面积计价，原理单一，测量误差一般在10%左右，但安装麻烦，难以推广应用[14-15]。

针对这些情况，本文设计一种基于北斗GPS 卫星系统谷物联合收割机测产计价系统，结合“精准农业”理念，以产量为计价依据，可满足当今精细农业发展和跨区作业的需要，提高谷物联合收割机产品的智能性与竞争力。

1 系统硬件设计

系统主要由谷物流量传感器、定位模块和测产计价显示器3 部分组成，见图1。谷物流量传感器用于获取收割的谷物流量信息；定位模块用于获取收割机的位置信息；测产计价显示器包括单片机控制电路、触摸屏及上位机，用于显示产量、经纬度、单价和收费价格等信息，控制电路以stm32 单片机作为控制核心，基于模块化思想展开设计，主要有模数转换电路，触摸屏串口电路，定位模块电路等组成。

图1 测产计价系统整体示意图

1.1 谷物流量传感器设计

谷物流量传感器是谷物测产系统的核心部件，为系统提供处理所必需的原始谷物流量信息。目前，国内外谷物流量传感器的发展主流仍是冲量式和光电式[9]，其中冲量式谷物流量传感器结构简单、成本低廉，被大多数联合收割机厂家采用，因此设计双板差分冲量式谷物流量传感器。该传感器能有效降低机械振动的影响，从而使测产结果更为精确。

此传感器有2 块检测板，前置检测板为冲击板，通过感受谷物的冲击力以测量谷物的流量，同时受到机器振动的影响；后置检测板为检振板，只会受到机器振动的影响。2 块检测板特性一致，检振板检测的振动信号与冲击板的振动信号是一对共模信号，可用差分的方法消除振动信号，提高信噪比[16]。

1.2 模数转换电路的设计

由于传感器输出0～0.5 mV 信号,并且单片机采集到的信号是共模信号, 因此选用较好性能的芯片HX711，与其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，降低了整机成本,提高了整机的性能和可靠性。当有外接电阻时,其A通道提供了128 倍的信号增益，输出A/D转换值，以多位数据的串口传输形式，输送给单片机。

该系统采用双通道数据采集电路采集传感器信号，传感器向HX711 芯片传递压力信号（模拟信号）后，HX711 芯片将接收到的压力信号转换成数字信号，并转换成相关信息通过触摸屏实时显示。

STM32 的ADC 是12 位逐次逼近型的模拟数字转换器，它有18 个通道，可测量16 个外部和2个内部信号源。本方案使用STM32 内部集成的12位ADC,以40 kHz 采样频率采集谷物流量传感器的信号，ADC 采样电压范围为0～3.3 V，并以115 200 波特率经RS232 串口发送到计算机进行数据后处理。

1.3 触摸屏的选用

采用TJC4832T135_011 串口触摸屏对信息进行实时显示与操作，此USART HMI 将底层功能封装在HMI 设备中，通过串口与stm32 进行通信交互，stm32 只需通过串口与HMI 设备发送/ 接收指令，HMI 设备即可作出相应响应，满足数据显示的需求，同时也可以对程序进程进行简单地操作，且3.5 寸屏幕不需要额外附加电源，避免电源电路复杂化，见图2。

图2 TJC4832T135_011 串口触摸屏

触摸屏的作用如下：

（1）信息显示，主要显示的信息有测产信息、地理位置信息、费用信息等。

（2）通过对HMI 中控件的操作，可以对测产进程进行包括开始、暂停、停止等操作，控制stm32 与上位机之间的信息传递，在离线操作时，可充当临时上位机的作用。

1.4 定位模块的选用

采用基于ATGM336H-5N 的高性能BDS/GNSS定位导航模块,见图3。该模块可实现联合定位、导航与授时，具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势，能够很好地满足本系统的需求，并帮助实现一种基于北斗/GPS 卫星系统的测产计价方法。

图3 北斗/GPS 模块

一种基于北斗/GPS 卫星系统的测产计价方法如下：

（1）粮食单价确定，通过该模块测取测产区域的坐标，在地图上显示农作物所在区域，进而确定测产区域的粮食单价信息。

（2）位置产量记录，记录每个采样区域的单位面积产量与区域中心坐标。具体步骤如下所示：

①记录坐标：对测产区域内的农作物产量进行测量，以1 s 为一个采样周期，通过GPS 模块记录采样前后两点的经纬度坐标，进而计算出两点之间的位移。

②测算面积：通过两点之间的位移乘以收割机割台宽度得到该采样区域面积。

③测算产量：通过将采样时间内收集的粮食产量除以采样区域面积，获取该区域中农作物的单位面积产量，并记录产量信息与该区域中心坐标。

（3）区域面积界定，根据测产的需要，通过GPS模块测取测产区域的位置信息，并在地图上将测产区域标记出来，进而界定所需要评估区域的边界，通过边界的坐标信息，从而统计出边界内的区域面积。

（4）整体区域测算：根据各单位粮食质量、待测区域面积以及粮食单价，估计出该区域的粮食总产值，并将其标定在地图上该区域所在位置。

2 系统软件设计

系统程序主要包括主程序、测产子程序、计量子程序、显示子程序等，主程序部分主要完成系统初始化和各子程序的调用等，程序流程见图4。

图4 系统主程序

2.1 测产子程序

在接收到开始测产的指令后，MCU 从GPS 模块中读入位置信息，传入上位机后确认作物单价并传回MCU，此时进入测产进程，MCU 将作物产量，作物单价，作物产值传入串口屏进行显示，MCU 将重复测产进程直到接收到结束测产指令，此次测产结束后，CPU 会将此次测产信息进行保存。

2.2 计量子程序

在接收到开始计量的指令后，此时进入测面积进程。MCU 从GPS 模块中每隔1 s 读入位置信息，从而计算出测产面积，接收到结束信号后，记录此次测产中心点位置与测产面积，配合测产子程序中的作物产值可计算出单位面积产值，保存并传入上位机。程序流程见图5。

图5 计量程序运行流程

2.3 显示子程序

MCU 与触摸屏通过串口连接，在进行测产子程序与计量子程序期间，MCU 通过串口读取触摸屏的页面信息，当触摸屏处于测产计价页面时，MCU 将作物产量、作物单价、作物产值传入触摸屏，当触摸屏处于计量页面时，MCU 将测产中心点位置与测产面积传入触摸屏，当触摸屏处于地图界面时，可显示实时位置。同时，测产界面具有开始、暂停、停止按钮，可对程序进程进行操作。主页见图6。