GPS在聯合收割機智能測產儀器上的應用原理分析

摘要：精準農業是通過地理信息系統、全球衛星定位系統、遙感技術等技術的應用，按照具體條件，精細準確地調（略）的各項管理措施，最大限度地優化使用各項農業投入，以獲取最高產量和最大經濟效益，同時保（略）境、保護土地等農業自然資源。精準農業包括精準種子工程、精準播種、精準施肥、精準灌溉、作物動態調控及精準收獲等技術系統。所以精準農業是一個復雜的綜合性系統，作為多系統交叉的大型系統工程是數據驅動的，在數據驅動中數據挖掘技術尤為關鍵。本文探討了聯合收割機智能測產儀器的應用原理及系統設計。

關鍵詞：GPS 測產儀 原理 分析

1 GPS測產原理

1.1 硬件 產量傳感器安置在聯合收割機谷倉頂部，接收來自于刮板的谷物沖量，如圖1所示。經過其內置的全橋平衡電路，采用應變感應方式，完成谷物沖量到電流信號的變換（這樣可實現溫度變化的自動補償和提高傳感器的響應特性）。為整個系統供電方便，全部傳感器電源均為直流24V。24V直流電源由車載電源經升壓穩壓器得到。這里產量傳感器的電源為直流24V，信號輸出為0～10mA，該原始信號經精密電阻可得到0～5V的TTL電壓（精密電阻阻值，由實際收割對象的不同——力學性質不同而選擇，以便得到最大的讀入精度）。該TTL電壓信號，由Philips 80C552單片機A/D口讀入，經該控制單元進行處理、顯示、保存（保存在主控制單元上的Compact Flash卡中，即CF卡中）。在該系統中，刮板沖擊頻率是15Hz，每一刮板沖擊對應電流波形采樣點為200個，即該系統能保證采樣頻率為15×200=3kHz，在實驗中一般取2.25kHz。為降低成本，采用國產產量傳感器，實驗證明，精度滿足使用要求。

濕度傳感器安置在聯合收割機谷倉頂部，在產量傳感器的下面。測量范圍：0～100％RH；測量精度：±2％RH；信號輸出：0～10mA；輸入電源：12～24V。其信號標定由實驗數據確定。由于濕度數值在本系統中的變化緩慢，故其測量的次數較少（每10m測1次），測量精度要求不高。這樣做的好處是，降低了主控制單元單片機的處理負擔和CF卡的存儲負擔，并能進一步地提高系統的采樣頻率，提高系統精度。經實驗看，該濕度傳感器能滿足系統要求，且價格極低（僅是國外類似濕度傳感器的1/40）。

因為該系統中的收割面積等于速度×時間×割幅，所以速度傳感器對實驗結果非常重要。使用接近開關記數，以達到計量收割面積的目的（速度×時間×割幅）。但受收割機輪子打滑的影響，精度較低且受地形影響精度不穩；但成本很低。在收割機的驅動主軸上安裝了電容式接近開關，利用主軸相對于輪轂的轉動讀取脈沖次數，并且利用主軸和輪子相對減速比，計算出每一脈沖所對應收割機前進的距離。同時為防止由于輪子打滑等原因而引起的位移誤差，在軟件算法上，用GPS解算出收割機的相對位移，而加以校正（每100m校正一次）。這樣使用安裝接近開關輔以GPS解算校正的方法，實現了國外常用的多普勒雷達的測量精度，并且價格僅是后者的1/50。

割臺傳感器使用限位開關，用以指示收割機是否工作。當割臺抬起時，系統不工作。在GPS25LP基礎上開發了全球定位系統，水平精度可達10m以內。

1.2 軟件 在軟件算法上，為了保證系統的定位精度，借鑒卡爾曼濾波（Kalman Filter）原理進行最優估計。在處理產量傳感器信號時，由于在實際情況下收割機會引起機械振動，而導致測量誤差的增大，嚴重時該噪聲會完全淹沒谷物沖擊傳感器產生的輸出信號。這樣對這兩種信號進行譜分析，得到其信號源的數字特征，通過在硬件和軟件上的濾波，增強自適應能力，以獲得更好的數據精度。

2 系統結構設計

該基于GPS的聯合收割機智能測產系統，包括主控制單元（Philips 80C552單片機，及液晶屏）、CF卡，改進型GPS及相關傳感器。

智能測產系統結構框圖，如圖2所示。產量傳感器和濕度傳感器分別取得谷物重量和濕度的信號，速度傳感器反映了當前收割機的速度，可根據此算出畝產量。GPS 指示出每一測試點的經緯度。割臺信號控制系統的運行。這些信息通過Philips 80C552處理后，存入CF卡并在液晶屏上顯示。該系統組成具有成本低、可靠性高、軟件通用性好及適應市場能力強等優點。選用CF卡作為系統的海量存儲器。

CF卡，如圖3所示。由集成的ATA（AT attachment）控制器和閃速存儲器構成。它以512B為擦除單位。不需要在操作系統下裝入新的軟件，模擬磁盤功能在集成的ATA 控制器上完成。CompactFlash體積小、重量輕，而它抗沖擊能力相當強，可以承受2000g的沖擊；同時讀寫速率快，分別為8.0MB/s和4.0MB/s。CompactFlash具有良好的硬件兼容性，可以與PC卡ATA完全兼容，適用于ATA標準的任何計算機，只要將CompactFlash的PC卡適配器插入Ⅱ類或Ⅲ類槽中即可使用。它也具有良好的軟件兼容性，在MS-DOS、Windows95、WindowsNT等環境下，可以當作IDE硬盤直接被使用。

3 系統軟件程序框圖

系統主程序工作框圖，如圖4所示。單片機（Philips 80C552）上電后，系統進行初始化。

通過初始化，更新系統默認值——系統的采樣模式、傳感器/測距方式、割幅寬度。

因為電子盤使用標準的IDE接口，是以扇區為單位讀寫的，就是最小的讀寫單位是512B。而Philips 80C552的內部RAM只有256B，因此，必須接片外RAM來作為數據緩沖區。當片外RAM的數據達到512B的整數倍時，一次性的寫入電子盤。本設計中選用了靜態RAM CY62256，這樣當RAM CY62256寫滿32kB，產生標志位，置Flag為“1”，進入電子盤存盤中斷服務程序。否則，系統單片機進行A/D轉換（產量傳感器和濕度傳感器）、I/O讀取（速度傳感器和割臺傳感器）、串口操作（讀取GPS經度/緯度）。