基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置的制作方法

本发明属于农业机械智能监控
技术领域：
，具体涉及一种气吸式免耕玉米播种机智能监控装置。
背景技术：
：我国玉米总产量居世界第2位，玉米播种连续田间作业面积大，特别适合大马力玉米精播机械作业，并已成为实现增产增收的关键。目前，国内使用的玉米精播机大多数是机械式和气力式的，播种作业过程是全封闭的，一旦播种过程出现“断条”漏播、漏施现象，仅凭人的视听无法直接连续监测，尤其对播种、施肥作业使用的免耕玉米播种机来说，由于作业地表秸秆覆盖，环境条件比精播机工作时更加恶劣，会频繁发生一行或数行“断条”漏播、漏施现象。据有关部门的统计显示，我国年平均漏播率为1%，接近于日本的总耕种面积。随着电子信息技术和播种技术的发展，玉米播种技术在工作效率和智能化水平也有了新的发展空间。国内外许多专家学者依据单片机在各个领域控制监测装置的优势，不断将此技术应用到播种、施肥作业，再加上播种自动漏播补种系统的实现，解决了玉米精播机在播种、施肥作业时出现“断条”漏播、漏施及用户对施肥量不能控制的问题。同时，由于玉米精播机采用先进的监控技术，将大大减少种肥的使用量，提高种肥的利用率，也从一定程度上减少过量使用化肥而造成的环境污染。在最初设计玉米播种机监控装置时，考虑采用单片机实现监控功能强、成本低、体积小，下位机选用15片单片机实现12个种箱、12根种管、3个肥箱和12根肥管的监控，上位机用嵌入式工控机实现种肥计量、报警等显示功能，通过CAN总线完成上位机与下位机之间的通信。经田间使用发现，15片单片机供电接线多，再加上有线通信，布线复杂，安放位置不容易确定，供电接线多，尤其在系统测试时，系统工作是通过轮询的方式采集各监测点的信息，程序运行时间多处使用延时程序，延时时间决定各监测点的信息能否被采集到。比如，同样的报警程序在第15个监测点正常报警，而在第1个监测点会出现不报警的现象，可靠性差，反应速度慢、实时性不强，容易出现系统故障，从而影响实时监控的性能。另外，为了提高大型玉米播种机作业质量，依据实际田间播种作业所需，还应增加耕深、播深及玉米播种机械性能参数监控，单片机数量会成倍增加，轮询检测的时间更不易控制。技术实现要素：本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，研制了一种基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置。本发明采用的技术解决方案是：基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，其硬件系统结构分为上位机硬件和下位机硬件两部分：（1）上位机硬件安装在玉米播种机驾驶室内，上位机硬件部分由嵌入式工控机、GPS模块和两个无线通讯模块组成，上位机硬件是整个系统监控中心，负责提供系统用户界面，发送和接收各种信号，显示玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度；根据用户给定的值自动调整施肥量；实现播种量和施肥量计算和显示，实现种肥箱排空、种肥管空堵情况报警。（2）下位机硬件安装在玉米播种机侧面自制的封闭控制箱内，下位机硬件部分包括由IntelPXA270芯片和CPLD扩展电路构成的智能控制及处理模块、数据釆集模块、步进电机驱动模块、数据存储模块及无线通讯模块，智能控制及处理模块控制数据釆集模块釆集数据，并将数据存入数据存储模块，存储完毕后，智能控制及处理模块调用数据存储模块的数据进行计算及智能分析处理，并将智能分析处理结果输出至智能控制模块，并将处理后的数据通过无线通讯模块传送到上位机，下位机硬件负责完成玉米播种机模拟信号和数字信号采集，并依据监测的种箱排空、种管空堵情况自动实现漏播补种，并通过下位机软件的无线通讯模块将监控分析处理结果发送到上位机监控中心。本发明的技术效果是：该装置将传感器技术、无线通信技术和嵌入式技术应用到现代玉米播种、施肥作业过程中，采用PXA270+CPLD+IPC（先进RISC处理器+复杂可编程逻辑器件+嵌入式工控机）的体系结构及无线通讯传输方式，集数据采集、计量、报警、控制及通信功能于一体。此装置数据采集部分全部由一片CPLD处理器控制，保证各监测点数据采集的实时、高效；控制部分全部由一片PXA270处理器实现，保证控制过程的实时、准确，增加监控点容易，可扩展性强，出现故障检修方便；整个装置占用空间小，可安放在玉米播种机侧面自制的封闭控制箱内，避免田间潮湿、灰尘等环境因素影响；更主要的是本装置是基于嵌入式实时操作系统（WindowsCE）系统环境，采用C++语言编程，PXA270处理程序通过线程管理整个系统的软硬件资源，提高系统资源的使用效率，不会再出现轮询检测不报警的问题，运行稳定。另外，在实际应用过程中，为了解决玉米播种机开始作业时，由于种子和化肥到达检测位置需要一定时间，虽然很短，但会出现种肥管空报警，在上位机系统用户界面添加一个“启动报警”按钮。本研究提出了一种基于嵌入式计算机的实时监控玉米播种、施肥作业情况的装置，并结合北方寒地气吸式免耕玉米播种施肥的实际田间作业情况，开发一套安装方便、准确度高、反应速度快、实时性强，体积小，运行稳定、易维护、可扩展、抗污染的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置。附图说明图1系统下位机硬件结构方框图；图2系统上位机硬件结构方框图；图3系统软件功能结构图；图4监控系统界面；图5系统数据采集流程图；图6系统异常处理流程图。具体实施方式下面结合说明书附图对本发明实施例进行详细描述：1.系统硬件组成本系统硬件结构分为上位机和下位机两部分。上位机安装在玉米播种机驾驶室内，包括嵌入式工控机、GPS模块和两个无线通讯模块；下位机安装在玉米播种机侧面自制的控制箱内。下位机电路板长为15cm，宽为10cm，包括智能控制及处理模块、数据釆集模块、数据存储模块、无线通讯模块、步进电机驱动模块。其硬件结构方框图如图1（下位机）、图2（上位机）所示。各模块具体实施方式如下：1.1嵌入式工控机DW-101TPC-B3嵌入式工控机为12V直流输入，整机功耗约20W，机器预装WinowsXP，稳定性好，可长时间开机工作。（1）安装：上位机安装在玉米播种机驾驶室内。（2）作用：提供系统用户界面，发送和接收各种信号指令，实现排种器播种量和排肥轴施肥量计算，用户通过上位机自动调整所需施肥量。模块本系统选用GPS接收器GS-216（MT3339），它是一款完全外置式GPS接收器，使用非常方便。（1）接口信号连接：GS-216接收器通过USB接口与DW-101TPC-B3嵌入式工控机连接。（2）作用：负责获取玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度。无线通讯模块XL4432‐D01无线通讯模块是一块体积小巧的、低功耗的完整无线收发模块。（1）接口信号连接：上位机的无线通讯模块通过USB接口与DW-101TPC-B3嵌入式工控机连接；下位机的无线通讯模块通过串口与PXA270处理器连接。（2）作用：通过上位机通讯模块和下位机通讯模块实现数据和控制命令发送和接收。智能控制及处理模块①组成：由PXA270芯片和CPLD扩展电路构成。②接口信号连接：CPLD处理器的nCS0、nCS1连接PXA270处理器的片选；IODRY连接PXA270处理器的Wait信号，控制ISA数据时序；IRQ0、IRQ1连接PXA270处理器外部中断INT8和INT9引脚；D0～D7连接PXA270处理器数据总线，为扩展使用；A21、A22、A23、A24、A25连接PXA270处理器地址总线。③作用：是下位机硬件结构的核心，它负责控制数据采集模块采集种箱、种管、肥箱、肥管排肥轴状态信息，将采集数据存入数据存储器模块；用数据存储器模块的数据完成播种量和施肥量的计算，通过无线通讯模块传给上位机。同时，依据种箱空和种管空堵情况，自动实现种子漏播补种；依据用户给定的施肥量自动调整，无需工作人员手动调整，并将监控结果传送到上位机监控中心。数据釆集模块数据釆集模块由电阻式压力传感器（FSR402）、常开型电容式接近开关（LJC18A3-B-Z/BY）、编码传感器（ZKE58S14-180）和光电转换模块组成。（1）压力传感器和模数转换器①组成：由于电阻压力传感器所采集的信号为模拟信号，而CPLD处理器接收的是数字信号。因此，在电阻压力传感器和CPLD处理器之间加一个ADC0809模数转換器。②接口信号连接：电阻式压力传感器（FSR402）连接ADC0809模数转換器的IN0模拟量的输入端；CPLD处理器通过I/O端口分别与ADC0809模数转換器的输出端（D0～D7）、A、B、C、CLK、ALE、START、EOC、OE连接。③安装：FSR402电阻式压力传感器安装在玉米播种机的种箱、肥箱内。④作用：负责采集玉米播种机的种肥箱内空箱限值，实现种箱和肥箱排空监测。（2）电容式接近开关本系统选用LJC18A3-B-Z/BY常开型电容式接近开关，它是一种具有开关量输出的位置传感器。使用时接近开关与弹力金属板构成电容器。①接口信号连接：LJC18A3-B-Z/BY常开型电容式接近开关信号端连接CPLD处理器的I/O端口。②安装：弹力金属板安装在排肥管内，接近开关安装在排肥管外。③作用：当流动的化肥击打弹力金属板时，弹力金属板和接近开关的介电常数ε发生变化，等效电容跟着变化，从而使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，不断产生脉冲，并通过下位机传给上位机，实现排肥管的空堵监测。（3）编码传感器本系统选用ZKE58S14-180编码传感器，线驱动为5VDC，内部带有反接、负载短路保护回路，可靠性较高。①接口信号连接：编码传感器信号端连接CPLD处理器的I/O端口。②安装：编码传感器安装在排肥轴上。③作用：当玉米播种机作业时，排肥轴带动编码传感器一起转动，产生一个个脉冲信号，并直接输入CPLD处理器的I/O端口通过无线传输将脉冲信号给上位机，实现在上位机计算和显示施肥量。（4）光电转换模块①组成：本系统选用红外光敏二极管，与红外发光二极管组成红外对管对排种器和排种管进行检测。②安装：光电转换模块需要两组。一组设计了一个可插入到排种管下端的一个壳体，考虑玉米导种管直径约为30mm，所选光电管5mm，故壳体内壁并排均匀安装三对光电管，这种安装方式基本覆盖了落种的整个区域；另一组安装在排种器内壁上。③作用：当有种子落下时，遮挡光束，产生脉冲信号，给一个高电平；而当导种管内处在种管空或堵的状态时，在设定时间内光束始终没有被遮挡或始终被遮挡，则不会产生脉冲信号。系统通过下位机将脉冲信号传给上位机，实现在上位机计数和显示，并实现排种管的空堵监测。数据存储模块①组成：由SDRAM(同步动态随机存取存储器)和FLASH(闪存)两种存储器组成，它们之间的位置连接关系是：SDRAM共有2片，型号为HY57V561620芯片，存储容量达到32兆位；FLASH型号为K9F1208FLASH芯片,存储容量达到64兆位。②接口信号连接：HY57561620动态存储器有一片的数据引脚（D0～D15）与PXA270处理器的低16位数据线连接，另一片的数据引脚（D0～D15）与PXA270处理器的高16位数据线连接，地址引脚（A0～A12）、片选信号引脚（nCS）共同与PXA270处理器的引脚（nSCS0）连接，nWE、nRAS、nCAS与PXA270处理器的对应引脚LnWE、nSRAS、nSCAS相连；K9F1208闪存的ALE和CLE端分别接PXA270处理器的ALE和CLE端，8位的I/O[7～0]与PXA270处理器低8位数据总线连接，/WE、/RE、/CE分别与PXA270处理器的nFWE、nFRE、nFCE连接，R/B与R/nB连接；2片HY57561620SDRAM芯片和1片K9F1208FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。③作用：SDRAM用来存储数据和实现上电后的应用程序加载；FLASH用来固化boot1oader引导程序和应用程序。步进电机驱动模块步进电机驱动采用专用TA8435H芯片，由东芝公司生产，与处理器连接电路简单，工作稳定。①接口信号连接：TA8435H芯片的PWM引脚连接到PXA270处理器的IO25，OUTA、OUTB共4个引脚连接步进电机的4个驱动信号端。②安装：TA8435H芯片需要驱动两台步进电机，一台通过电机连接轴安装在调整施肥量的手柄上；另一台安装种箱的补种系统上。③作用：实现自动补种（下位机自动切换）和施肥量调整（上位机发送指令）。系统软件组成2.1系统软件功能的实现本系统采用面向对象的思想进行软件设计，实现模块化、可复用、易修改和易扩充的软件。依据系统监测和控制的目标，构建4个功能模块：设备作业状态参数模块、人机交互模块、无线通讯模块和智能控制模块。如图3所示。各系统软件功能如下：①设备作业状态参数模块：通过GPS模块获取玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度，计算并判断机车作业的距离、面积等情况。②人机交互模块：建立人机交互界面和实现监测信息的管理,为工作人员提供种肥施播量，监测种肥箱排空、种肥管空堵信息。③无线通讯模块：负责接收和发送各种数据及控制命令。④智能控制模块：依据种箱空和种管空堵情况，自动实现种子漏播补种；依据用户给定的值自动调整施肥量，无需工作人员手动调整。系统用户界面本系统用户界面在VisualStudio2010下采用C#语言进行开发，软件运行界面基于WindowsXP系统环境，界面友好，容易操作。系统主界面包括菜单区（包括实时数据、统计数据和参数设置）、实时数据显示区（包括机车实时数据、施肥实时数据和播种实时数据）、控制按钮（包括开始、停止、启动报警和故障已排除）三部分。菜单区用于实现玉米播种机监控系统的主要功能；实时数据显示区主要显示机车行进、种肥施播量，监测种肥箱排空、种肥管空堵状态数据；控制按钮完成用户在系统运行过程中要实现的控制指令。监控系统的界面如图4所示。系统工作流程系统主要工作流程分为两部分：系统数据采集如图5所示；系统异常处理如图6所示。具体的实施过程是通过通信协议来实现的，包括通信分类及标志、地址分配、上位机向下位机发送指令、正常采集数据协议、异常发送数据及上位机数据采集周期。详细设置如下：（1）通信分类及标志下位机到上位机的通信，共分两类：①给上位机回复采集数据这类数据下位机是被动式，当上位机给下位机发送数据采集指令时，才给上位机发送正常采集到的数据。②当系统出现异常时发送的数据这类数据下位机是主动式，当机器运转出现异常时，如排种管堵、肥箱空等，此时下位机便主动将异常信息发送给上位机。为了区分是正常采集的数据还是因异常导致发送的数据，需在下位机到上位机的协议中加一数据类别标志。标志定义如下：类别标志取值正常采集数据F0异常发送数据0F（2）地址分配下位机采集数据共有15个节点，其中3个肥箱（每个肥箱有4根肥管），12个种箱（每个种箱有1根种管）。地址分配如下：其中为了确保上位机能及时的收到下位机发送的数据，在上位机安装了两个通信模块，一个专门用于发送指令，地址为1；一个专门用于接收数据，地址为100。（3）通讯协议：上位机向下位机发送指令有5种：①启动指令：下位机接收到该指令后，开始数据采集；②停止指令：下位机接收到该指令后，停止数据采集；③调肥指令：下位机接收到该指令后，调整给定施肥量；④数据采集指令：下位机接收到该指令后，向上位机发送数据；⑤异常确认指令：当收到下位机的异常信息时，向下位机发送确认指令。如果下位机没有收到确认指令，则间隔200ms发一次，共发5次。协议格式如下：注：刚开始时，下位机处于停止状态，当接收到上位机的启动指令后开始工作。在工作过程中，遇到临时停车或到地头转弯时（判断速度小于某一个值？），上位机给下位机发送停止指令，此时下位机停止工作，尤其不能向上位机发送报警指令。（4）正常采集数据协议格式如下：说明：①对用不到的字节，直接以0填充；②采集数据时，不需要发送下位机状态信息；③肥量一次发送4根肥管的肥量，显示时可除以4为单管肥量；④种量值为整数，单位为粒，直接转换为十进制；⑤肥量值为整数，单位为克，利用公式转换。（5）异常发送数据当系统出现异常时发送的数据，包括种箱空、种管空、种管堵、肥箱空、肥管空、肥管堵6种情况。异常取值如下：异常原因取值空01堵02协议格式如下：（6）上位机数据采集周期当速度低于4公里/小时，1秒钟采集一次；当速度高于4公里/小时，3秒钟采集一次。系统试验（1）试验准备系统试验地块位于黑龙江农垦总局署光农场，已做过整地，玉米播种机选用是由是黑龙江八一农垦大学自主研制的大马力气吸式免耕玉米播种机，型号为2BJM-12型；纽荷兰M160为作业拖拉机，机车作业速度为7km/h，行距60cm；玉米选用的品种是四单19，种粒直径7mm。在机车作业速度相对稳定的情况下，分别进行了排种器的播种量、排肥轴的施肥量、玉米播种机种肥箱排空、种肥管空堵单项试验。（2）试验方法①播种量试验：2BJM-12型玉米播种机有12个独立种箱，在其中1行的1根排种管出口处用布袋封住，分别取10段等长距离（10m），人工数实际播种数量，与系统测量值进行比较，取相对误差。②排肥量试验：2BJM-12型玉米播种机有3个独立肥箱，每个肥箱有4根独立肥管，共用一根排肥轴，在排肥轴上安装180P／R编码传感器，用4个塑料袋分别封住4根肥管出口处，选取30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm和60mm共7个刻度值，在每个刻度值下玉米播种机稳速行进100m距离，试验后用电子秤称量实际施肥量，与系统测量值比较，取相对误差。③种管空和堵试验：玉米播种机田间作业时，人为设置1根种管空堵试验，共进行10组，验证其报警显示是否正确，并记录报警延时时间。④肥管空和堵试验：玉米播种机田间作业时，人为设置4根种管空堵试验，共进行40组，验证其报警显示是否正确，并记录报警延时时间。⑤种箱和肥箱试验：玉米播种机田间作业时，人为设置1个种箱和1个肥箱空堵试验，共进行20组，验证其报警显示是否正确，并记录报警延时时间。实验结果分析：①播种量测量误差最大为2.6%，能够满足实际生产要求。②施肥量测量误差最大为1.2%，完全满足实际生产要求。产生误差主要是因为玉米播种机开始和结束作业时有振动，对编码传感器的计数有影响。③报警试验：试验初期，玉米播种机开始启动作业时，由于种子和化肥到达检测位置需要一定时间，虽然很短，但出现种肥管空报警。为了解决玉米播种机启动时误报警问题，在上位机系统用户界面添加一个“启动报警”按钮后，控制没有出现误报的情况，但报警延时时间需要调整。整个系统的工作过程是:当系统上电后，上位机首先根据系统的默认配置或工作人员的设定向下位机发送控制参数，完成对下位机的参数配置。然后，下位机中的智能控制及处理模块控制数据釆集模块采集种、肥施播量，监测种肥箱排空、种肥管空堵状态数据，并将这些状态数据存储在数据存储模块中，最后，智能控制及处理模块调用数据存储模块的状态数据进行参数计算，同时，结合系统状态参数信息执行智能分析处理与控制功能。当前第1页1 2 3