基于ARM的聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)的研究

方華麗，雷 蕾

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)，473000)

0 引言

隨著農(nóng)地集約化管理的深入改革,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對(duì)大型農(nóng)機(jī)的需求將繼續(xù)加大。聯(lián)合收割機(jī)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要機(jī)械設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)種植區(qū)域的產(chǎn)量信息是聯(lián)合收割機(jī)的核心功能，也是來(lái)年精準(zhǔn)變量作業(yè)的主要依據(jù)。為此，以解決聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量為出發(fā)點(diǎn)，采用了一種壓力測(cè)產(chǎn)傳感器，設(shè)計(jì)了一套基于ARM的聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)，并開(kāi)展了田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 測(cè)產(chǎn)傳感器對(duì)比與選型

1.1 兩種測(cè)產(chǎn)傳感器對(duì)比

聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)傳感器主要有壓力傳感器和聲學(xué)傳感器兩種，本文研究對(duì)比的兩種傳感器都包含1塊用于測(cè)量谷粒流量的60mm×40mm的矩形沖擊板。壓力傳感器由聚氯乙烯制成的沖擊板和具有八角形環(huán)的應(yīng)變式力傳感器組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示。聲學(xué)傳感器由鋼板和壓電晶體耳機(jī)組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1(b)所示。

兩個(gè)傳感器的采樣頻率均為10kHz。其中，壓力傳感器設(shè)置了一個(gè)2kHz的低通濾波器，而聲學(xué)傳感器則沒(méi)有設(shè)置2kHz的低通濾波器。為了減少螺旋鉆產(chǎn)生的振動(dòng)噪音，特地將測(cè)產(chǎn)傳感器獨(dú)立安裝在糧箱上的橫梁上，為了選擇合適的傳感器，同時(shí)安裝了壓力和聲學(xué)兩個(gè)測(cè)產(chǎn)傳感器，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)選擇效果較好的傳感器，安裝效果圖如圖2所示。

(a) 壓力傳感器結(jié)構(gòu)

(b) 聲學(xué)傳感器圖1 兩種傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of two kinds of sensor structures

圖2 傳感器安裝位置Fig.2 Sensor installation position

當(dāng)谷粒攪拌器以低速(7～10Hz)旋轉(zhuǎn)時(shí)，谷物的動(dòng)量不足，無(wú)法通過(guò)傳感器產(chǎn)生明顯的重量信號(hào)，因此在螺旋鉆的上端添加一個(gè)機(jī)翼，以便其可沿徑向散射顆粒(見(jiàn)圖3)；另外，采用磁性拾取裝置檢測(cè)谷粒刨機(jī)的時(shí)間和轉(zhuǎn)速，方便測(cè)量谷粒的質(zhì)量信息。

圖3 谷物螺旋發(fā)射谷粒示意圖Fig.3 The grain sketch diagram of grain spiral emission

通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用對(duì)比，發(fā)現(xiàn)壓力傳感器的測(cè)量精度較聲學(xué)傳感器要高，因此選用壓力傳感器作為聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備。

1.2 測(cè)產(chǎn)傳感器應(yīng)用原理

聯(lián)合收割機(jī)在正常作業(yè)過(guò)程中，作物從收割臺(tái)進(jìn)入，由輸送裝置喂入至脫粒裝置處，經(jīng)過(guò)脫粒、谷穗分離后集中到儲(chǔ)藏倉(cāng)，然后由傳送帶將糧食送到運(yùn)輸車上。測(cè)產(chǎn)傳感器應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4所示。作物產(chǎn)量由測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)收獲的作物質(zhì)量、面積及谷物含水率計(jì)算得到。產(chǎn)量計(jì)算表達(dá)式如下：

Y(xi,yi)=KM/WS

(1)

其中，Y為聯(lián)合收割機(jī)瞬時(shí)產(chǎn)量值(kg/m2)；(xi,yi)為瞬時(shí)產(chǎn)量測(cè)量時(shí)收割機(jī)的坐標(biāo)；M為壓力傳感器測(cè)得谷粒的流量值(kg/s)；W為割臺(tái)寬度(m)；S為聯(lián)合收割機(jī)前行速度(km/h)；K為產(chǎn)量計(jì)算的單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

圖4 測(cè)產(chǎn)傳感器應(yīng)用結(jié)構(gòu)框架圖Fig.4 The structure frame diagram of sensor application

2 產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)整體框架

聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)、測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)和智能手機(jī)終端查詢子系統(tǒng)等3個(gè)部分，是基于GPS、GPRS、傳感器和ARM微處理器組成的集成系統(tǒng)。聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)整體框架如圖5所示。

圖5 聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)整體框架圖Fig.5 The overall frame chart of the production system of a combined harvester

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)工作時(shí)，ARM微處理器采集傳感器組的谷物流量、收割機(jī)前行速度、割臺(tái)高度和收割機(jī)前行速度等參數(shù)信息，然后微處理器進(jìn)行單位面積的干重產(chǎn)量計(jì)算，最后將產(chǎn)量實(shí)時(shí)顯示在顯示終端上和存儲(chǔ)至SD卡；此外，測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)還會(huì)通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理系統(tǒng)的通信，實(shí)時(shí)將產(chǎn)量信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理系統(tǒng)。

聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)各部分功能如圖6所示。

圖6 聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)各部分功能Fig.6 The functions of combine harvester grain output measurement system

3 谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)的硬件部分主要由S5PV210微處理器、存儲(chǔ)單元、外圍電路、CF卡、壓力傳感器、GPS、速度傳感器、WiFi無(wú)線模塊、復(fù)位電路、電源管理電路，以及液晶顯示屏組成。聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)的硬件框架如圖7所示。

圖7 聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)硬件框架圖Fig.7 The hardware frame diagram of grain yield measurement system for

combine harvester

1)壓力傳感器信號(hào)處理電路。產(chǎn)量計(jì)量的壓力傳感器電路是整個(gè)系統(tǒng)最為核心的部分，作物收割質(zhì)量由數(shù)據(jù)采集電路將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為峰值信號(hào)，而該峰值電壓是表征谷物撞擊信號(hào)的另一個(gè)重要指標(biāo)。由于谷粒碰撞和初始速度的隨機(jī)性，產(chǎn)生的信號(hào)峰值電壓可能是正的或負(fù)的。為了精確地獲取峰值電壓，設(shè)計(jì)了一個(gè)由精確檢測(cè)器和加法器組成的信號(hào)處理的放大器，其電路如圖8所示。壓力傳感器信號(hào)處理電路的原理為

(2)

圖8 壓力傳感器信號(hào)處理電路Fig.8 The signal processing circuit of pressure sensor

2)GPS單元功能設(shè)計(jì)。本文采用GPS差分定位實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)的位置坐標(biāo)定位功能，其工作原理為：安裝1臺(tái)GPS信號(hào)接收器在地面的已知點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，并與安裝在聯(lián)合收割機(jī)上的GPS接收器進(jìn)行同步測(cè)量。基準(zhǔn)站的GPS可以測(cè)出所有移動(dòng)衛(wèi)星的偽距ρi和采集星歷文件，然后根據(jù)采集的星歷文件計(jì)算衛(wèi)星的某一時(shí)刻的位置坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)。GPS運(yùn)行原理結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 GPS運(yùn)行原理結(jié)構(gòu)Fig.9 The principle structure of GPS operatio

根據(jù)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)(Xb,Yb,Zb)和衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)可以計(jì)算出基準(zhǔn)站的實(shí)際距離，即

(3)

其中，i為第i顆衛(wèi)星。

偽距修改值為

Δρi=Ri-ρi

(4)

偽距修改值的變化率為

(5)

安裝在聯(lián)合收割機(jī)上的GPS接收器根據(jù)偽距修改值△ρi和變化率△ρi′，對(duì)計(jì)算出的偽距ρimeas(t)繼續(xù)修正，得到修正表達(dá)式為

(6)

可以得到聯(lián)合收割機(jī)上的GPS坐標(biāo)為

(7)

其中，dτ和v為GPS接收器的時(shí)鐘差值與噪聲。

根據(jù)式(7)便可以算出聯(lián)合收割機(jī)上的GPS坐標(biāo)(X,Y,Z)。

3.2 谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)是聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)各傳感器采集頻率為0.1s，A/D轉(zhuǎn)換去采集8次取平均值的結(jié)果，谷物產(chǎn)量值記為Mi。測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)程序流程如圖10所示。

圖10 測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)主程序流程圖Fig.10 The flow chart of the main program of the production system

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)田間試驗(yàn)于2018年5月小麥?zhǔn)斋@季節(jié)在某小麥種植示范區(qū)進(jìn)行，小麥品種為冬麥230，小麥面積20hm2，天氣晴，溫度26～30℃；聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)寬度為220cm，喂入量為6kg/s。為了提高試驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性，共進(jìn)行5次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The field dynamic test results

從表1可以看出：聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)誤差范圍為3.93%～3.91%，控制在4%以內(nèi)，誤差波動(dòng)較小，準(zhǔn)確率較高，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合聯(lián)合收割機(jī)的實(shí)際測(cè)產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1)針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)需求，以作物測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用壓力測(cè)產(chǎn)傳感器，基于S5PV210嵌入式處理器，設(shè)計(jì)了一套聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了谷物產(chǎn)量的實(shí)時(shí)計(jì)量。

2)田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)誤差范圍為3.93%～3.91%，控制在4%以內(nèi)，誤差波動(dòng)較小，準(zhǔn)確率較高，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合聯(lián)合收割機(jī)的實(shí)際測(cè)產(chǎn)要求。