智能花生收獲機實時測產系統的研究

胡修慧，趙麗清，龔麗農，邵連維

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島　266109)

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智能花生收獲機實時測產系統的研究

胡修慧，趙麗清，龔麗農，邵連維

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島266109)

摘要：設計了由重量傳感器、水分傳感器、自動包裝裝置、CAN轉換器、GPS系統，以及控制終端等組成的智能花生收獲機實時測產系統。該系統采用稱重法測量花生質量，利用接觸式電容水分儀測得花生含水量、自動包裝裝置進行包裝，通過設計的測產軟件顯示花生流量數據，結合GPS系統定位信息生成產量圖。該系統獲取產量數據及時準確，提高了花生測產的工作效率。

關鍵詞：花生；收獲機；測產系統；自動包裝

0引言

花生是我國重要的油料作物和經濟作物，在世界農業生產和貿易中占有重要地位。隨著花生種植面積的增加，花生的收獲及產量的測量是極其重要的。目前的測產方法主要為：人工抽樣估產；根據某種模型預測作物產量，如通過建立生長條件模型或遙感模型預測產量等；使用裝備產量傳感器的收獲機實現作物收獲與產量實時監測，從而獲取產量數據[1]。人工抽樣估產準確性不高，效率較低；遙感信息技術適合宏觀管理，對單產預測有局限性；利用產量傳感器測產具有較好的實時性且效率較高。為此，設計一種應用于花生收獲機上的實時測產系統，對花生的產量監測有著重要的意義。

1測產系統整體結構

花生收獲機實時測產系統主要由單片機模塊、重量傳感器、水分傳感器、角度傳感器、自動包裝裝置、GPS系統、CAN轉換器和控制終端組成，總體結構框圖如圖1所示。

測產系統工作時，由重量傳感器、水分傳感器實時測得花生的質量和水分信息，質量值達到設定的上限值，控制系統控制夾帶結構運動，進行自動包裝；角度傳感器采集入土和出土的角度信息，GPS系統采集速度信息及收獲產地的位置信息，所采集的質量、水分和速度等信號送入單片機，然后經過CAN轉換器轉換成CAN信號傳送到控制終端，得到產量數據。

圖1　智能花生收獲機實時測產系統總體結構框圖

2關鍵部件及工作原理

2.1稱重及自動包裝裝置的設計

稱重及自動包裝裝置位于花生收獲機出料口的下方，其結構簡圖如圖2所示。工作時，花生進入入料口到達稱重臺，質量傳感器采集質量信息；信息采集完后，卸料口打開，花生落入放料斗；當采集的質量信息達到系統設定的上限值時，自動包裝裝置的夾帶結構將物料袋封裝好，經過傳輸帶將包裝好的花生傳輸出去。

國內外常采用的在線谷物流量傳感器類型有沖量型、射線型、光電型和稱重型等多種形式[2]。本設計采用稱重式測量的方法，選用的重量傳感器為電阻應變式稱重傳感器，主要包括電阻應變片、彈性體和檢測電路3部分[3]。檢測電路把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出，輸出信號經24位A/D轉換芯片HX711[4]將質量的模擬信號轉換為數字信號，然后送入單片機；再對數字信號進行濾波，并將測得的質量在控制終端顯示出來。

1.入料口　2.重量傳感器　3.稱重斗　4.卸料口　5.放料斗

自動包裝裝置位于稱重臺卸料口的下方，包括夾帶結構，夾帶系統與控制終端相連。自動包裝裝置工作時，系統首先設定一個質量上限值，質量傳感器采集的質量值達到所設定的值時，控制終端將數據反饋回去；接收到信息的夾帶結構開始運動，進行包裝。

2.2水分測量裝置的設計

谷物收獲機上測量水分的裝置大多基于電容法原理設計，其水分信號檢測電路框圖如圖3所示。

圖3　水分信號檢測電路框圖

在常溫下，干燥糧食的介電常數為2～4，而水的介電常數約為80。當電容式水分傳感器以糧食作為極間介質時，可以通過測量電容值的變化來測定糧食的相對介電常數值[5]，由此得出被測糧食的含水率。

本設計采用平板式結構，選用的是德國麥希歐接觸式在線水分儀。水分儀探頭安裝在料倉壁上，在傾斜的料倉排出口處的料倉壁上挖1個76mm的孔徑和3個6mm的螺孔來安裝和固定探頭，其結構示意圖如圖4所示。花生進入放料斗，落下的過程中經過水分儀，水分測量系統采集的水分信號，通過中央處理和過程分析得出測量的水分值。

1.花生　2.料倉　3.水分傳感器

2.3CAN轉換器

系統工作時，各傳感器所采集的信號為RS232或RS485信號，不能直接送給上位機處理。為解決單片機到控制終端CAN總線的通訊問題，本設計采用CAN轉換器模塊將采集的信號轉換成CAN信號，將數據信息通過CAN總線準確的傳送給上位機，其系統構成原理如圖5所示。CAN智能協議轉換器是用于CAN-bus現場總線和RS-232/RS-485總線之間數據交換的智能型協議轉換器[6]。選用CAN總線作為花生收獲機測產系統重要的通信網絡，通信速率高、容易實現且性價比高。

3測產軟件設計及試驗

本測產軟件可實現實時數據采集、數據處理、數據顯示、數據存儲及數據分布3D圖查詢功能。實時數據采集包括對傳感器信號的采集和GPS信息的采集。軟件工作界面如圖6所示。

軟件可以查詢質量、水分、經度、緯度和接收時間5個變量，前4個變量之前都有一個啟用選項，并且后面可以調整查詢范圍，查詢某一范圍的測產情況。當質量和水分同時啟用時，則可以選擇質量和水分是交集關系還是或的關系；點擊保存選項，可以將查詢到的數據保存為excel格式。質量選項處有一個下拉三角符號，點擊之后便可切換到水分選項，這樣便可分別查詢生成的質量或水分的3D圖形。點擊3D查看，便可以看到所選擇地區的產量俯視3D圖形和立體的圖形。啟用3D查看時，還可以設置不用數據段數，對3D圖形進行分段染色，對不同范圍的數據進行染色，方便直觀了解產量分布情況。

圖5　CAN232MB系統構成原理

圖6　測產軟件工作界面

為調試軟件的性能，進行了簡單模擬試驗。下位機用到的處理芯片是mega-2560，自帶4個獨立串口。為了系統傳送數據的需要，模擬了一個水分數據，通過89C52發出相同波特率的串口信號，質量傳感器采集質量信號，通過CAN轉換器將水分、質量信號轉換成CAN信號，經過CAN總線傳送給上位機，最終顯示質量、水分、緯度、經度和接收時間5個變量。數據顯示如圖6所示，俯視圖如圖7所示，3D圖如圖8所示。

通過進行模擬試驗，經過測試，質量和水分信號可以通過CAN總線準確地傳送給上位機，運行穩定可靠。該軟件解決了CAN總線通訊的關鍵問題，便于數據的存儲查詢，3D查看功能可以直觀查看不同收獲地區的花生產量狀況，為產量分析提供了依據。

4結論

設計的智能花生收獲機測產系統實現了花生收獲過程中質量和水分的實時測量與顯示；首次將自動包裝裝置應用到花生收獲機上，對收獲的一定量的花生進行包裝，簡化了花生收獲的后續工作。該裝置也可以應用到其他谷物產量的測量上。該系統采用接觸式電容式水分儀進行水分測量，簡單經濟、可靠性高且易維護，便于進行花生產量的折干計算；上位機軟件的應用和產量圖的生成使得產量相關數據的查詢、分析及保存更方便、清晰直觀。

圖7　產量圖俯視圖

圖8　產量圖3D圖

參考文獻：

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[3]李長占,祁廣云,黃操軍.基于稱重法的收割機谷物測產方法的研究[J].農機化研究,2014,36(3):42-45.

[4]趙麗清,尚書旗,王延耀,等.基于小區育種的收獲機智能測產系統(英文)[J].農業工程學報,2012(S2):172-178.

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[6]白龍,王才東,劉潔.基于CAN總線的聯合收割機測產網絡系統設計[J].農機化研究,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]陳樹人,張漫,汪懋華.谷物聯合收獲機智能測產系統設計和應用[J].農業機械學報, 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

文章編號：1003-188X(2016)01-0142-04

中圖分類號：S225.7+3

文獻標識碼：A

作者簡介：胡修慧(1991-)，女，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)493760262@qq.com。通訊作者：趙麗清(1972-)，女，呼和浩特人，副教授，碩士生導師，(E-mail)zhlq017214@163.com。

基金項目：山東省自主創新專項 (2013CXC90205)；公益性行業(農業)科研專項(201203028.8)

收稿日期：2014-12-22