播種監(jiān)視器終端UI及控制軟件設(shè)計(jì)

單愛(ài)軍　劉春旭　許劍平

摘要：用戶界面（User Interface，簡(jiǎn)稱(chēng) UI，亦稱(chēng)使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行信息交換的媒介。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，與播種監(jiān)視器配套使用的終端由于其使用環(huán)境和用戶群體的特殊性，對(duì)其UI設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為此，以沃爾農(nóng)裝科技有限公司生產(chǎn)的2BJQ系列高速精量播種機(jī)配套的BJQ-18播種監(jiān)視器為例，對(duì)其終端UI設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體說(shuō)明，同時(shí)對(duì)相應(yīng)控制軟件的設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：播種監(jiān)視終端;UI;播種機(jī);控制軟件

精量播種機(jī)尤其是大型氣吸式高速精量播種機(jī)，由于具有作業(yè)質(zhì)量好、作業(yè)效率高、性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到用戶的普遍歡迎。但由于其作業(yè)幅寬大，作業(yè)行數(shù)多，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)因機(jī)械傳動(dòng)故障或其它原因?qū)е碌摹叭狈N”現(xiàn)象，必須配備播種監(jiān)視器進(jìn)行輔助作業(yè)。

播種機(jī)在田間作業(yè)時(shí)經(jīng)常受到日光直射、震動(dòng)顛簸、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等諸多不利因素的影響，因此播種監(jiān)視器終端在進(jìn)行UI設(shè)計(jì)時(shí)要采取相應(yīng)的措施解決上述問(wèn)題。同時(shí)，由于拖拉機(jī)駕駛員的技術(shù)水平普遍不高，使得UI設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度也會(huì)受到一定的限制。本文結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)播種監(jiān)視器終端UI的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并對(duì)終端控制軟件的邏輯框架及主要的功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1終端UI設(shè)計(jì)

1.1VGUS組態(tài)屏

終端使用的液晶屏選用了武漢中顯科技有限公司生產(chǎn)的VGUS（Viewtech Graphical User Software）組態(tài)屏，它采用變量驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，所有顯示的字符、圖標(biāo)等都定義為一個(gè)變量，并分配變量存儲(chǔ)地址、定義顯示格式，然后生成配置文件并下載保存到串口屏里。在需要刷新顯示時(shí)，用戶僅需將變量?jī)?nèi)容和變量存儲(chǔ)地址通過(guò)串口對(duì)應(yīng)發(fā)送給串口屏，串口屏?xí)詣?dòng)按照定義好的顯示格式顯示。終端液晶屏選用的型號(hào)為 SDWe070T09T/C/N，該型號(hào)為高亮度型產(chǎn)品，可適用于野外工作環(huán)境，其主要性能參數(shù)如表所示。

1.2開(kāi)發(fā)工具

配套的開(kāi)發(fā)軟件為該公司提供的VGUS4.3開(kāi)發(fā)工具。VGUS開(kāi)發(fā)工具是武漢中顯科技有限公司設(shè)計(jì)的一款組態(tài)型、用戶圖形界面設(shè)計(jì)軟件，用戶只需要通過(guò)“準(zhǔn)備工程素材”“設(shè)計(jì)工程界面”以及“下載配置文件”三個(gè)步驟，就可以完成復(fù)雜的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，擺脫了傳統(tǒng)終端UI設(shè)計(jì)繁瑣復(fù)雜的過(guò)程。

表終端液晶屏主要性能參數(shù)

參數(shù)數(shù)據(jù)尺寸/in7分辨率800×480顯示色彩64K真彩色背光類(lèi)型LED壽命/h20000亮度/cd·m-21000（軟件可調(diào)）可視角度L：70°R：70°U：50°D：70°工作溫度/℃-20～70存儲(chǔ)溫度/℃-30～802終端UI設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題

2.1陽(yáng)光直射對(duì)于可視性的影響

試驗(yàn)證明，盡管選用的液晶屏亮度高達(dá)1000 cd/m2，但是在陽(yáng)光直射的情況下依然無(wú)法有效地辨識(shí)較為細(xì)小的文字內(nèi)容。為解決這一問(wèn)題，采用了如下幾種技術(shù)手段：

（1）盡量采用較大尺寸的圖形變量的顯示方式，避免使用小點(diǎn)陣的字符顯示方式，可以有效地提高辨識(shí)度和操作便捷性。

（2）采用以黑色或深藍(lán)色為底色，白色或明黃色等為圖標(biāo)顏色，形成強(qiáng)烈的反差對(duì)比，使顯示內(nèi)容清晰可辨、易讀易懂。

（3）采用人工語(yǔ)音合成技術(shù)，在必要的時(shí)候進(jìn)行作業(yè)參數(shù)或工況的語(yǔ)音自動(dòng)播報(bào)，增加信息獲取方式，減少對(duì)液晶屏參數(shù)讀取的依賴(lài)。

（4）采用遮光罩，結(jié)合萬(wàn)向調(diào)節(jié)支架，通過(guò)人工調(diào)節(jié)的方式，改變顯示終端的朝向，避免陽(yáng)光直射的干擾。

（5）采用光線傳感器結(jié)合軟件自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能，對(duì)于顯示亮度進(jìn)行智能控制，既能適應(yīng)白天陽(yáng)光充足的應(yīng)用場(chǎng)合，也能滿足夜間作業(yè)的低照度要求。

2.2震動(dòng)顛簸對(duì)于操作的影響

田間作業(yè)時(shí)，由于地況地貌的不同變化及地表雜物的影響，經(jīng)常出現(xiàn)持續(xù)性、幅度較大的顛簸現(xiàn)象，從而對(duì)機(jī)手的按鍵操作產(chǎn)生不利影響。為此，設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下幾種措施：

（1）采用電阻式觸摸屏。相對(duì)于電容式觸摸屏而言，電阻式觸摸屏是通過(guò)壓力傳感的方式工作的，具有更高的防止誤觸性能，更加適用于顛簸作業(yè)環(huán)境。同時(shí)，支持戴手套操作，為機(jī)手提供了更大的便利性。

（2）在終端UI設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用大尺寸的觸摸按鍵區(qū)域設(shè)計(jì)，上下或左右相鄰的功能按鍵應(yīng)留有足夠尺寸的安全區(qū)域，可以最大限度地防止“誤觸”現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）增加CCD攝像頭及定向麥克風(fēng)等外設(shè)，通過(guò)手勢(shì)識(shí)別及語(yǔ)音識(shí)別等多維交互方式，在作業(yè)時(shí)盡量避免直接按壓的輸入方式，提高操作的便捷性和易用性。

2.3機(jī)手技術(shù)水平普遍較低的影響

目前，農(nóng)村勞動(dòng)力大量外流的現(xiàn)象非常普遍，受此影響，在農(nóng)忙季節(jié)機(jī)手屬于炙手可熱的稀缺資源，用戶沒(méi)有過(guò)多的選擇余地。但是，農(nóng)村人口受教育程度相對(duì)較低，因此在終端UI設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）UI的復(fù)雜程度不能過(guò)高，將常用的功能集中在主界面中，不常用的輔助功能或參數(shù)設(shè)置功能集成在設(shè)置子界面中。設(shè)置子界面如圖1所示。

（2）增加“一鍵恢復(fù)”功能。當(dāng)用戶由于錯(cuò)誤設(shè)置或其它原因?qū)е略O(shè)置參數(shù)混亂時(shí)，可以很方便地恢復(fù)出廠設(shè)置，避免錯(cuò)誤的參數(shù)設(shè)置對(duì)播種監(jiān)視器的正常工作造成不利影響。

（3）充實(shí)“幫助信息”的內(nèi)容，除了文字、圖例等常規(guī)的說(shuō)明方式以外，輔之以圖片、視頻、音頻等多媒體資料，幫助用戶盡快掌握操作要領(lǐng)。幫助信息畫(huà)面如圖2所示。

（4）在UI界面的右下角顯示產(chǎn)品技術(shù)支持人員的微信二維碼，機(jī)手可以通過(guò)掃碼的方式與相關(guān)人員取得聯(lián)系，再通過(guò)電話或視頻聊天的方式解決所遇到的問(wèn)題。

3控制軟件

終端的硬件核心選用深圳宏晶公司的STC單片機(jī)，型號(hào)為STC12C5A60S2，因此其控制軟件的編寫(xiě)采用MCS-51匯編語(yǔ)言，編譯環(huán)境為“偉福6000”軟件模擬器，通過(guò)官方提供的STC-ISP V4.83編程軟件進(jìn)行燒錄編程操作，軟件調(diào)試采用RS-232串口輔助的方式。由于程序代碼量較大，故采用分段調(diào)試的方式，即約定好子程序的入口參數(shù)和出口參數(shù)，先將子程序單獨(dú)調(diào)試完成，再逐步增加主程序內(nèi)容和子程序調(diào)用，每一步都要進(jìn)行串口模擬驗(yàn)證，最終完成整個(gè)程序的調(diào)試。下面將控制程序的邏輯框架以及主要的功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1控制程序的邏輯框架

控制軟件需要同時(shí)處理多達(dá)18行種管的落種數(shù)據(jù)，為了提高檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，采用了引入T0定時(shí)中斷的方式，即每1/4096 s定時(shí)中斷1次。在中斷服務(wù)程序中，主要處理一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的進(jìn)程，如液晶屏串口數(shù)據(jù)通信、種管落種數(shù)據(jù)采集、行進(jìn)速度數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)計(jì)時(shí)、循環(huán)顯示及隱藏菜單進(jìn)入識(shí)別等。此外，供主程序調(diào)用的子程序主要列舉如下：

（1） 液晶屏初始化子程序;

（2） 液晶屏數(shù)據(jù)通信處理子程序;

（3） 參數(shù)設(shè)定值讀寫(xiě)子程序;

（4） 按鍵識(shí)別子程序;

（5） 顯示亮度調(diào)節(jié)子程序;

（6） 模擬量采樣子程序;

（7） 種管播種狀態(tài)判斷子程序;

（8） 作業(yè)計(jì)時(shí)子程序;

（9） 作業(yè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)子程序;

（10） 掉電數(shù)據(jù)保護(hù)處理子程序。

3.2液晶屏數(shù)據(jù)通信處理

VGUS屏遵從寄存器讀寫(xiě)指令（0X80、0X81）、變量存儲(chǔ)器讀寫(xiě)指令（0X82、0X83）及擴(kuò)展指令（0X85），通過(guò)發(fā)送約定格式的串口指令完成對(duì)VGUS屏的讀寫(xiě)操作。相對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送而言，數(shù)據(jù)接收由于其不可預(yù)期性，故對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求較高。因此，將數(shù)據(jù)接收功能并入中斷程序之中，以提高響應(yīng)速度，避免出現(xiàn)漏收數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。但是由于定時(shí)中斷頻次高達(dá)4096次/s，因此中斷服務(wù)程序的處理時(shí)間非常有限，在這里只處理與VGUS屏的數(shù)據(jù)通訊接收相關(guān)的操作，而將耗時(shí)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理部份放到主程序之中，相互之間通過(guò)設(shè)立特定標(biāo)志來(lái)完成操作功能識(shí)別。

3.3種管播種狀態(tài)判斷

由于種植作物的種類(lèi)不同以及農(nóng)藝要求的地域差異，同一臺(tái)機(jī)器可能要適應(yīng)不同的作業(yè)行數(shù)、株距及播速要求。如何快速而準(zhǔn)確地完成對(duì)種管工作狀態(tài)的判斷是一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。如果要求用戶根據(jù)不同的情況進(jìn)行相應(yīng)的判定參數(shù)設(shè)置，不僅繁瑣還容易出錯(cuò)，必定無(wú)法得到用戶的認(rèn)可。為此，引入了“平均值判斷法”解決了這個(gè)問(wèn)題。其基本原理是在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，出現(xiàn)故障屬于偶發(fā)現(xiàn)象，發(fā)生故障的排種單元畢竟是少數(shù)，其它大多數(shù)排種單元還是處于正常工作狀態(tài)的，因此以所有排種單元作業(yè)參數(shù)的平均值為基準(zhǔn)，當(dāng)某一排種單元的作業(yè)參數(shù)與之偏差超過(guò)一定閾值時(shí)，即可判定該排種單元處于故障狀態(tài)。采用這一方法極大地提高了設(shè)備的適用性及使用的便捷性，在實(shí)際應(yīng)用中取得了非常好的效果。

3.4掉電數(shù)據(jù)保護(hù)處理

在實(shí)際作業(yè)中，用戶要針對(duì)不同的地況及作物的農(nóng)藝要求，對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的基本設(shè)定。為避免重復(fù)輸入，就需要具備參數(shù)掉電保護(hù)功能，同時(shí)，有一些重要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如行進(jìn)距離、已播面積、已播粒數(shù)等）也需要具備掉電保護(hù)功能。為了實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護(hù)的快速響應(yīng)，確保數(shù)據(jù)安全，在設(shè)計(jì)上引用了STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)置的低電壓檢測(cè)中斷功能，在硬件上將電瓶電壓連接至單片機(jī)的P1.1管腳。當(dāng)電瓶電壓降至98 V以下時(shí)，立刻進(jìn)入低電壓檢測(cè)中斷服務(wù)程序，主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)操作：

（1）延時(shí)1 ms，再次讀取低電壓檢測(cè)狀態(tài)，防止電壓抖動(dòng)引起誤判。

（2）確認(rèn)屬于異常掉電后，關(guān)閉液晶屏的供電電源，節(jié)約更多的電量，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)保護(hù)的操作時(shí)間。

（3）進(jìn)行重要數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作。

（4）檢測(cè)當(dāng)前電壓是否恢復(fù)正常，如果恢復(fù)正常，則打開(kāi)液晶屏電源，重新啟動(dòng)系統(tǒng);如果供電仍未恢復(fù)正常，則繼續(xù)上述過(guò)程，直到殘存電力耗盡為止。

4結(jié)論

播種監(jiān)視器在與機(jī)具配套使用的作業(yè)過(guò)程中，由于作業(yè)地域的多變性、作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性及操作人員技術(shù)水平的局限性，在終端UI設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)上述不利因素加以充分考慮，采取切實(shí)有效的技術(shù)措施加以解決。

BJQ-18播種監(jiān)視器通過(guò)數(shù)年來(lái)的不斷改進(jìn)和完善，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐作業(yè)考核和用戶評(píng)價(jià)，目前已經(jīng)達(dá)到批量生產(chǎn)的技術(shù)水準(zhǔn)，能夠取得這樣的階段性成果，與上述問(wèn)題的解決是密不可分的。如果將相關(guān)技術(shù)路線稍加變通，就可以應(yīng)用到播種機(jī)排肥檢測(cè)、蔬菜移栽機(jī)作業(yè)性能檢測(cè)等更多場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟鵬祥.基于單片機(jī)與DGUS顯示的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（2）：171-175.

[2]劉春旭.紅外反射式播種機(jī)電子監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（6）：117-120.

[3]劉春旭.氣力除塵式播種機(jī)電子監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011（6）：67-69.

[4]劉春旭.智能播種監(jiān)視系統(tǒng)的研制及產(chǎn)品化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012（8）：69-72.