聯合收割機產量檢測系統智能終端設計

馬 鑫 ,王 鶴,白曉平

(1.遼寧福鞍重工股份有限公司，遼寧 鞍山 114016；2.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051；3.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016)

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聯合收割機產量檢測系統智能終端設計

馬 鑫1,王 鶴2,白曉平3

(1.遼寧福鞍重工股份有限公司，遼寧 鞍山 114016；2.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051；3.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016)

產量檢測系統智能終端是獲取田間產量信息的核心裝置。為提高我國農機裝備的技術水平和競爭能力，全面提升我國農機裝備產業的自主創新能力，設計開發了基于CAN總線分布式的產量檢測系統智能終端。智能終端包括車載顯示器和智能節點兩部分：車載顯示器通過CAN總線接受智能節點的數據，而且能夠實時顯示并保存產量信息；智能節點的作用是讀取各傳感器的數據，并發送到CAN總線上。田間試驗表明：智能檢測終端運行良好，滿足田間測產的要求。

智能終端;產量檢測;CAN總線；聯合收割機

0 引言

農田信息獲取是精準農業實踐過程的首要環節，特別是田間產量信息的獲取尤為重要，因為以產量信息為基礎建立產量分布圖可為農田信息管理與決策提供可靠依據。要實現田間信息的采集，建立產量分布圖，就要在收割機上安裝測產系統。

目前，歐美等國家的精準農業技術已經成熟，測產系統及其技術在田間得到了廣泛的應用，如美國的PF系統、AFS系統、Greenstar系統及英國Fieldstar 系統等[1]可實現農機自動導航、作物產量檢測等功能。根據美國農業部的調查顯示：2001年，37%的玉米產地在聯合收割機上安裝了測產系統；2002 年，29%的大豆產地在聯合收割機上安裝了測產系統；到2009年，大約有35%的冬小麥產地在聯合收割機上安裝了測產系統[2]。而且，收割機上配備測產系統的數量正在迅速增加，據估計，目前大約有50%的玉米和大豆產區在聯合收割機安裝了測產系統[1,3]。在德國，基于GPS的農田信息采集系統的應用比變量作業技術應用更加廣泛[4]，但只有6.7%～11%的農民采用了測產系統，實際應用并不多。其推廣應用率較低的原因是測產系統的價格昂貴且復雜性。在澳大利亞，大約有30%的大中型農場配備了測產系統，這些系統廣泛地應用在谷物、土豆、花生等作物的收割上[5]。

從目前來看,我國的測產系統雖然沒有商品化產品，但在精準農業迅速發展的帶動下，在谷物測產系統方面的研究從最初的引進轉變為自主研發。1999年，東北墾區邁出了精準農業技術的第一步，引進了由CASE和John Deere公司聯合生產配有測產系統的谷物聯合收割機。2000年，一臺帶有AFS系統的CASE IH2366谷物聯合收割機被北京小湯山國家精準農業示范基地引進，該收割機配備有谷物流量傳感器和DGPS定位系統，可以利用AFS系統能生成產量分布圖。2002年，該示范基地通過研究國外聯合收割機測產系統，自主開發了一套適合我國聯合收割機的測產系統，在河北保定進行了田間試驗[6]。此時，國內對測產系統的研究從消化吸收轉變為自主研發。中國農業大學設計開發了基于P8XC592微控制器的測產系統，該系統帶有谷物流量傳感器、速度傳感器、割臺高度傳感器、谷物含水率傳感器和升運器轉速傳感器；同時，系統的顯示終端采用觸摸液晶屏，并利用CF卡記錄與存儲產量數據。為了利用采集的數據繪制產量分布圖，研制了產量分布圖生成系統 Y-Mapper[7]。上海交通大學在測產技術上做了大量的研究和實驗，設計開發了谷物流量傳感器和顯示終端[8]，把傳感器顯示終端安裝在佳聯1075型聯合收割機上進行了試驗，田間試驗結果顯示所研制的測產系統能夠滿足測產的要求。此外，華南農業大學、江蘇大學在谷物測產系統的裝置開發上也做了大量的研究工作。

綜上所述，對于測產技術的研究和實踐，國內主要以引進、消化吸收國外技術為主，且研究大部分存在測產系統功能單一、通用性不強、可擴展性差和通信接口不規范等缺點。為解決上述問題，本文設計了一種基于CAN總線分布式的產量檢測系統智能終端，并對智能終端的性能進行了田間試驗。

1 智能終端總體功能設計

智能終端不僅要實現監測產量數據，還需對產量數據進行處理，計算出收割機當前位置的產量，并在線繪制出產量圖。為滿足田間測產的要求，所設計的智能終端總體功能結構如圖1 所示。

圖1 系統功能框圖

智能終端的各部分功能如下：

1) 數據采集。主要對谷物流量信號、速度信號、升運器轉速信號、谷物含水率信號、割臺高度信號及GPS信號進行采集。

2) 參數配置。包括地塊名、車次名、谷物種類、流量延時、標定系數和割幅寬度等設置，以及GPRS設備的配置。

3) 數據處理。利用去噪方法能夠對各個傳感器信號進行真實信號提取，以及對實時的GPS信號進行解析，同時把大地坐標轉換為平面坐標。

4) 產量計算。根據各種傳感器的采集數據進行產量計算，產量的形式有：總產量、單位面積產量和區域產量，多種產量形式的選擇可以滿足個人及農場作物規模化管理的需求。

5) 通信功能。對下層傳感器實現各個智能節點的初始化，處理CAN報文的發送和接收、數據溢出、CAN出錯及判斷數據丟失等情況；對上層服務器的GPRS發送的語句格式進行相關定義，周期性地向遠程服務器端發送田間測產數據。

6) 實時繪圖。包括收割機作業時運動軌跡及軌跡上產量數據。產量數據是以散點或等值線來表達，收割機的作業位置及產量的分布情況通過繪圖功能可以直觀觀察到。

2 智能終端設計

由于田間作業的環境非常復雜，所以智能終端的設計應具備結構緊湊、顯示直觀及操作簡便的特點。本文所設計的智能終端包括兩部分：車載顯示器和智能節點。

2.1 車載顯示器設計

2.1.1 車載顯示器硬件設計

車載顯示器的硬件組成結構圖如圖2所示。系統CPU采用STM32F103RET6，該芯片采用Cortex-M3內核，主頻72MHz，具有512kB Flash及64kB SRAM。通過CAN收發器處理電路與智能節點進行通訊，采集傳感器的數據；通過USART與串口屏進行通訊，串口屏具有數據顯示和配置功能；通過移動通訊模塊外接GPRS天線與監測中心通信，將采集數據發送給監測中心；通過I2C總線與EEPROM進行交互，完成配置參數的裝載和保存功能。

圖2 硬件組成結構圖

2.1.2 車載顯示器軟件設計

車載顯示器的芯片采用STM32F103RET6，軟件層次結構圖如圖3所示，共包含3個層次，從下到上依次為：①固STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0，為意法半導體公司官方提供的應用程序接口庫；②硬件層，在固件庫的基礎上封裝的硬件相關的操作方法，包括cmd_queue、delay、ds18b20、hmi_driver、i2c、led等；③應用層，包括yield、picture、can、common、io、main、mobile、screen和store等。

圖3 軟件層次結構圖

按照智能終端總體功能的需求將軟件劃分為以下模塊：產量模塊、繪圖模塊、CAN總線模塊、GPS模塊、移動通訊模塊、串口屏模塊及存儲模塊等。

1) 產量模塊：首先根據谷物流量、速度、割幅等綜合信息計算收割機運動軌跡上的產量，包括總產量、單位面積產量和區域產量，然后應用過濾器對產量數據誤差進行過濾。

2) 繪圖模塊：首先把GPS數據即大地坐標轉換成平面坐標，再結合過濾后的產量數據和平面坐標中的橫縱坐標值繪制產量分布圖。

3) CAN通信模塊：車載顯示器通過CAN總線與智能節點進行通信，采集各個傳感器的數據。在CAN總線模塊中主要實現CAN參數初始化、濾波器設置、接收數據及消息處理等功能，根據需求波特率設置為500kbps。

4) 串口屏模塊：車載顯示器通過USART1與串口屏進行交互。串口屏采用7寸1 024×600分辨率TFT彩屏。模塊具有初始化、接收數據及解析數據及發送數據等功能。

5) 移動通信模塊：車載顯示器通過USART2與移動通訊模塊交互，外接GPRS天線，將采集數據發送給監測中心，模塊具有初始化和發送數據功能。

6) 存儲模塊：車載顯示器通過I2C總線與EEPROM進行交互，芯片采用AT24C32。模塊具有初始化、保存參數、讀取參數和解析參數功能。

2.2 智能節點設計

由于測產系統中的傳感器較多，硬件接口不一致，所以設計了一種通用的智能節點電路，用于完成以上信號的預處理和與CAN總線的互連。智能節點的硬件結構如圖4所示。智能節點采用ARM公司32位Cortex-M3內核的STM32單片機作為處理器。STM32內部集成有完整的CAN控制器模塊，支持 CAN 2.0A/B協議，是傳感器與外部的通信接口。智能節點具有模擬電壓信號測量模塊，該模塊采用運算放大器TLV2464構成電壓跟隨電路，顯著增大了輸入端口的阻抗，提高了測量精度，且對單片機的ADC輸入端口起到了保護作用；智能節點還具有數字信號測量模塊，能夠測量帶有數字通信功能的傳感器。

圖4 智能節點的硬件結構

3 車載應用驗證

為了驗證智能終端的實際性能，將智能終端安裝在聯合收割機上進行了實際車載試驗，其在聯合收割機上的集成如圖5所示。

圖5 測產系統在收割機上集成應用

3.1 檢測傳感器選型

3.1.1 谷物流量傳感器

常用的谷物流量傳感器有4種類型：沖量式流量傳感器、射線式流量傳感器、光電式容積流量傳感器及刮板輪式容積流量傳感器。本文采用的是沖量式谷物質量流量傳感器，測量誤差在3%～6%范圍內。

3.1.2 GPS接收機

GPS接收機是接收GPS導航系統衛星信號，并確定待測點空間位置的一種儀器。根據GPS接收機的不同用途，GPS接收機可分為導航型接收機和測地型接收機。目前GPS接收機的產品類型多樣，常用的GPS接收機主要有Trimble公司的SPS系列GPS模塊化接收機、NovAtel公司生產的OEM系列GPS接收機及北斗星通的C200系列接收機。綜合考慮GPS接收機的性能、接口、兼容性和成本等因素，最終選擇北斗星通的C201-AT-600接收機。該接收機的具有2個串行通信接口，更新頻率能夠達到20Hz，在差分模式下定位精度為60cm。

3.1.3 含水率傳感器

水份含量在精準農業測產中，不僅影響產量的高低，還影響了谷物質量水平，如按國家規定，針對不同谷物種類、不同地區，響應水份含量只有小于某一數值，才能達到國家糧食儲藏標準。本研究選用的谷物含水率傳感器的型號為HM1500，用以快速測量谷物含水率。主要技術指標如下：

測量范圍/%RH：0～100

測量精度/%RH：≤±3

信號輸出/ V：1～4

輸入電源/ V：4.75～5.25

使用環境/℃：-40～+60

3.1.4 升運器轉速傳感器

升運器轉速傳感器是為了補償升運器轉速變化的影響，提高谷物流量測量的準確度。這里采用的是SZGB-6型光電轉速傳感器，具有測量距離遠及不受環境光干擾的優點，內藏調制光發射和接收光電轉換單元，能將被測物反射回來的光信號轉變成電脈沖信號。傳感器輸出電平適應性強，能與各種轉速數字顯示儀配套使用及計算機接口電路直接聯接，能無接觸測量轉速、線速等。主要技術指標：

測量方式：光電反射式

測速范圍/r·min-1：1～30 000

檢測距離/mm：最大150

輸出信號幅值/V：1～5

0～0.5以下

工作環境溫度/℃：0～40

相對濕度/%RH：85

反射條件:10 mm×10mm定向反射紙

3.1.5 割臺高度傳感器

割臺高度傳感器選用的是型號為KTM75的位移傳感器，用以指示收割機測產系統是否工作。當割臺抬起時，系統不工作。具體參數為：

線性精度/%：0.05

重復線性精度/mm：0.01

測量長度/mm：0～75

輸出類型：0～給定輸入工作電壓

工作溫度/℃：-30～125

3.1.6 速度傳感器

速度傳感器用于輔助計算收割機在單位時間內前進路程，根據割幅得到收割面積所以速度傳感器對測產系統也十分重要。速度傳感器采用的型號為RVS3雷達測速傳感器，其應用多普勒原理進行測速。具體技術參數為：

速度范圍/km·h-1：0.53～107.8

輸出頻率/ Hz：27.45

響應輸出速度/ ms：≤200

速度誤差：≤±3%(0.53～3.2 km/h)

≤±1%(3.2～70.8 km/h)

3.2 田間試驗

在黑龍江省勝利農場安裝了本文所設計的智能終端和相關傳感器的聯合收割機，進行了田間測產實驗，如圖6所示。收割機在田間進行多次直線收割，行走速度約為1m/s。重點針對智能終端的產量檢測、參數設置、數據處理及通信功能等進行了實際測試。試驗表明:該農機導航控制系統終端不僅能夠提供比較友好的人機交互界面，而且為后續系統的開發及功能測試提供了非常便利的條件。

圖6 收割機田間實驗

4 結論

為了縮小我國農機裝備技術水平與發達國家的差距，設計了一種基于CAN總線分布式的產量檢測系統智能終端。智能終端由車載監視器和智能節點組成。車載監視器是智能節點來采集不同類型傳感器的數據，能夠支持產量檢測系統的模塊化設計，可根據不同農機類型、不同作業需求進行動態配置，提高裝測產系統可靠性、可檢測性和可維護性。最后，利用所開發的智能終端進行了田間測產試驗，取得了理想的效果。

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Abstract： Intelligent terminal for yield monitoring system is the core device to obtain yield information. In order to improve technology of agricultural machinery,an intelligent terminal is developed based on CAN bus.Intelligent terminal consist of vehicle monitor and intelligent node.Vehicle monitor receive the data from CAN bus.While intelligent node collect signal from sensors and send the data to CAN bus. The field experiment shows that the intelligent terminal works well and meets the requirement of the field test.

ID:1003-188X(2017)07-0062-EA

Design of Intelligent Terminal for Yield Monitoring System of Combine Harvester

Ma Xin1, Wang He2, Bai Xiaoping3

(1.Liaoning Fu-An Heavy Industry Co., Ltd, Anshan 114016, China; 2. University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China; 3.Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Science, Shenyang 110016, China)

intelligent terminal; yield monitoring; CAN bus;combine harvester

2016-05-18

遼寧省科技攻關計劃項目(Y5L7160701)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA040403)

馬 鑫(1980-),女，遼寧鞍山人，工程師，(E-mail)mx_lnfa@163.com。

王 鶴(1983-)，男，遼寧鞍山人，講師，(E-mail)21570453@163.com。

S24；TP273

A

1003-188X(2017)07-0062-04