基于智能技術的聯合收割機多功能智能終端的設計

詹新生，孫承庭

0 引言

隨著GPS技術、人工智能、計算機控制技術及人機協同技術的突飛猛進，汽車導航、語音播報系統已經成功應用在高端汽車中，未來也將應用于中低端汽車中。車載智能終端集車聯網、物聯網、智能技術、GPS、GSM、GPRS、傳感器技術、Linux系統、ARM等技術于一體，對提高聯合收割機的管理具有較大幫助。本文以Exynos 4412處理器為核心，結合車聯網、物聯網、傳感器技術和嵌入式控制等高新技術，設計了車載終端，并實現了聯合收割機的定位、導航、語音播報、呼叫維護、呼叫加油,以及計算谷物產量等功能。

1 聯合收割機多功能智能終端整體方案

1.1 多功能車載智能終端功能說明

1)定位功能：GPS通過接收衛星信號，可以準確地定出其所在的位置，位置誤差小于10m；利用GPS，在地圖上實時顯示車輛當前位置。

2)地圖導航功能：可以根據設定的起點和終點，自動根據實時路況為司機規劃路線；倘若司機不小心偏離路線，可以根據當前行駛路線規劃一條新的最佳路線，或為終端客戶以當前位置為起點會話，以最終目的地為終點，重新規劃新的最佳路線。

3)語音導航功能：輸入目標地點后，車輛只要遇到前方路口或者轉彎，車載GPS語音系統提示用戶轉向等語音提示。

4)智能導航功能：在短時間失去GPS信號時，可根據車內的加速度傳感器、結合行車速度計算出行車情況。

5)娛樂功能：播放U盤、SD卡中的MP3和MP4文件。

6)增加興趣點功能：可以自主的在地圖上添加最新更新的路線或建筑物。

7)由傳感器測得一定時間內谷物流量和機器地速等模擬信號，通過計算公式換算出實際收割谷物質量和谷物產量。

1.2 整體方案設計

本文控制系統的核心處理器采用SAMSUNG公司的Exynos 4412處理器，該芯片采用高性能集成外設設計，其主頻高達1.4G，處理能力超強，另外還配備豐富的片上資源。本文根據聯合收割機車載智能終端特殊需求以及Exynos 4412處理器的特點，設計了聯合收割機車載智能終端系統方案。該系統主要功能框架圖如圖1所示。

Exynos 4412處理器采用ARM9建構體系，因此該系統平臺搭建在ARM9和Linux系統平臺之上，并基于該平臺設計了集GPS定位模塊、GSM/GPRS信息收發模塊、語音播報系統、三軸重力加速度傳感器于一體的智能終端控制系統。

1.3 測產子系統的設計

智能終端測產子系統是利用信號采集與處理、智能控制技術和傳感器技術構建的集成系統。該系統主要包括控制單元、CAN總線，以及谷物流量、地速、割臺高度和升運器轉速等傳感器。測產子系統框架如圖2所示。

圖1 智能終端功能框架圖Fig.1 The functional framework diagram of intelligent terminal

圖2 測產子系統框架圖Fig.2 The framework diagram of test yield subsystem

測產子系統工作原理：當聯合收割機正常進行田間作業時，由多傳感器測得每一時間內谷物流量、機器地速、割臺高度和升降機轉速等模擬信號，然后通過CAN總線方式將數據傳送給控制單元，由控制單元將模擬信號轉換為數字信號，并通過計算公式換算出實際收割谷物質量和谷物產量，最后通過車載終端顯示屏進行數據的輸出。

收割谷物質量Y是指谷物在作業過程中，總共收割到的谷物產量，其表達式為

(1)

其中，y為實際測得谷物質量(kg)；α為聯合收割機的損失率；m為傳感器測得的谷物流量(kg/s)；v為地速(m/s)；△t為單位時間(s)；w為收割臺實際寬度(m)。

所以，產量Y的計算公式可以寫成

(2)

在實際計算中，損失率α、收割臺實際寬度w和單位時間△t是已知的，而谷物流量m和地速v分別由流量傳感器和地速傳感器測得。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊的設計

智能終端控制系統采用Exynos 4412處理器作為主控單元，對電源性能要求比較高，因此采用3.3V和1.8V雙電源供電。該電源從外部穩壓電源引入5V電壓，然后分別由CAT6219-180TD-GT3和AMS1084CM-3.3穩壓模塊進行降壓，輸出電壓為3.3V和1.8V。智能終端控制系統電源模塊原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 The schematic diagram of power module

2.2 CAN總線設計

MCP2515是一種內置CAN總線協議的控制器，只要外接總線驅動芯片和適當的抗干擾電路就可以很方便地建立一個CAN總線智能測控節點，其高性能、高可靠性及獨特的設計和適宜的價格而廣泛應用于工業現場控制、智能樓宇、醫療器械、交通工具，以及傳感器等領域。CAN總線電路原理圖如圖4所示。

2.3 三軸重力傳感器電路設計

三軸重力傳感器MPU6050的寄存器，與溫度、陀螺儀和外部感應數據等3個傳感器的寄存器相同，都由用戶內部不可見和外部用戶只讀等兩個寄存器構成。內部寄存器中數據在采樣時及時得到更新，僅在串行通信接口不忙碌時，才將內部寄存器中的值復制到用戶可讀的寄存器中去，避免了直接對感應測量值的突發訪問。在使用過程中，一般是通過MPU6050采集到的原始數據，經過CPU處理后可以得到俯仰角和翻滾角，要把電子羅盤的數據整合進來才可以得到航向角Yaw，即可以得到三軸變化的數據信息。其應用原理圖如圖5所示。

圖4 CAN總線電路原理圖Fig.4 The schematic diagram of CAN bus circuit

圖5 MPU6050的應用原理圖Fig.5 The application principle diagram of MPU6050

2.4 語音播報系統電路的設計

語音播報系統電路的原理是由PWM時序占空比不同來代表不同的數據信息，然后驅動buzzer，而buzzer則根據PWM頻率的不同發出不同的音調，實現語音播報的功能。通過該模塊系統，實現聯合收割機車載GPS自動導航的語音提示和故障報警，語音播報系統電路的原理圖如圖6所示。

圖6 語音播報系統電路原理圖Fig.6 The schematic diagram of voice broadcasting system

3 系統軟件設計

本文中的聯合收割機車載智能終端系統軟件采用面向對象和模塊化設計思想，重點考慮智能終端定位系統的準確性、可靠性，以及語音播報的人性化設計。在研發階段，開發環境采用Keil Uvision4平臺，可為Exynos 4412處理器提供強有力的開發環境。其集成了大量設備的驅動源代碼，在軟件設計過程中，僅僅需要簡單調用就可以實現模塊化設計，為開發和管理Exynos 4412嵌入式工程項目提供了極大便利。該系統軟件包括了Main主程序、GPS定位模塊、GSM/GPRS信息收發模塊、語音播報系統、三軸重力加速度傳感器及電子地圖等子程序。主程序通過使用各子程序函數入口，實現車載智能終端的正常運轉。車載智能終端控制系統軟件主流程圖如圖7所示。

圖7 多功能智能終端控制系統主軟件流程圖Fig.7 The main software flow chart of the multi-function

intelligent terminal control system

三軸重力傳感器軟件設計是子程序中設計比較復雜的， MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了3個16 位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量，為了精確跟蹤車輛行駛速度快慢的變化，傳感器的測量范圍都是用戶可控的。該模塊代碼如下：

int main(void)

{

REG_WRITE(GPX1PUD,REG_READ(GPX1PUD) & (～(0x3 << 2)));

REG_WRITE(GPX1CON,REG_READ(GPX1CON) & ～(0xf << 4) | (0xf << 4));

REG_WRITE(EXT_INT41_CON,REG_READ(EXT_INT41_CON) & ～(0x7 << 4) | (0x2 << 4));

REG_WRITE(EXT_INT41_MASK,REG_READ(EXT_INT41_MASK) & (～(0x1 << 1)));

REG_WRITE(ICDDCR,1);

REG_WRITE(ICDISER1_CPU0,REG_READ(ICDISER1_CPU0) & (～(0x1 << 25)) | (1<<25));

REG_WRITE(ICDIPTR14_CPU0,REG_READ(ICDIPTR14_CPU0) & (～(0xff << 8)) | (1<<8));

REG_WRITE(ICCICR_CPU0,1);

REG_WRITE(ICCPMR_CPU0,0xff);

REG_WRITE(GPX2CON,REG_READ(GPX2CON) & (～(0xf << 28)) | (0x1 << 28));

REG_WRITE(GPX2DAT,REG_READ(GPX2DAT) & (～(0x1 << 7)));

i2c5_init();

mydelay_ms(100);

uart2_init();

mydelay_ms(100);

MPU6050_Init();

mydelay_ms(100);

return 0;

}

4 試驗結果與分析

為了測試多功能智能終端測產子系統性能的穩定性和可靠性，以及其是否能夠滿足聯合收割機在實際收割作業中的工作要求，進行了試驗。其中，工作要求主要包括收割機行駛中的地速、谷物流量信息采集的精確度，以及根據二者計算得出的產量等。2017年4月26日在某小麥種植示范區進行了一次實際的田間試驗，并在作業過程中，觀察地速和谷物流量的精確值。多功能智能終端測產子系統主界面如圖8所示。

圖8 智能終端測產子系統主界面圖Fig.8 The main interface diagram of intelligent terminal test yield subsystem

在作業中，記錄測產子系統測得的收割總質量、作業區域總面積和平均產量，并將收割的谷物裝進包裝袋，最后由人工測得收割到谷物的總質量，并根據作業區域面積計算出平均產量。為了更加準確地計算收割質量，提高試驗的說服力，該步驟重復進行3次。田間試驗的測試數據如表1所示。

表1 田間試驗的測試數據Table 1 The test data of field experiment

由表1數據可以看出：在田間試驗中，系統測得產量和收割谷物實際產量相差較小，數據一致性較高，誤差基本在3個百分點上下，能夠滿足聯合收割機測產的要求。試驗結果表明：通過4組試驗數據對比，可以判斷測產子系統測得的產量達到了較高的精度。該多功能智能終端系統不僅可以提供較好的人機交互界面，還能完成定位、導航、語音播報、呼叫維護、呼叫加油以及計算谷物產量等多種功能，為“智慧農機”的實現提供了非常便利的條件。

5 結論

以聯合收割機多功能車載智能終端系統理論為基礎，結合收割機作業特點和智能控制系統的特性，確定該系統的總體設計方案，并對三軸重力傳感器電路設計、CAN總線設計、電源模塊設計及語音播報系統等重要電路進行了簡要介紹。在相應的平臺上，對各子系統進行了模塊化編程，最后實現了對聯合收割機進行監控和調度管理，以及終端的谷物測產、呼叫維護、呼叫加油、定位、地圖導航、語音導航及智能導航等功能，為“智慧農機”的實現提供了非常便利的條件。