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

技术特征：

1.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，其特征在于：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，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Intel PXA270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。

2.如权利要求1所述的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，其特征在于：

（1）嵌入式工控机DW-101TPC-B3安装在玉米播种机驾驶室内，提供系统用户界面，发送和接收各种信号指令，实现播种量和施肥量计算和显示，用户通过上位机自动调整所需施肥量；

（2）GPS模块选用GPS接收器GS-216（MT3339），GS-216接收器通过USB接口与DW-101TPC-B3嵌入式工控机连接，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；

（3）无线通讯模块XL4432‐D01是一块体积小巧的、低功耗的完整无线收发模块，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，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；

（4）智能控制及处理模块由PXA270芯片和CPLD扩展电路构成，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；智能控制及处理模块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、传动轴和排肥轴状态信息，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；依据用户给定的值自动调整施肥量，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；

（5）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电阻压力传感器FSR402所采集的信号为模拟信号，而CPLD处理器接收的是数字信号，在电阻压力传感器和CPLD处理器之间加一个ADC0809模数转換器，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；FSR402电阻式压力传感器安装在玉米播种机的种箱、肥箱内，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，接近开关信号端连接CPLD处理器的I/O端口，弹力金属板安装在排肥管内，接近开关安装在排肥管外，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ZKE58S14-180线驱动为5V DC，内部带有反接、负载短路保护回路，可靠性较高，编码传感器信号端连接CPLD处理器的I/O端口，使用时编码传感器安装在排肥轴上，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，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，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，实现播种量计数和排种管的空堵监测；

（6）数据存储模块由同步动态随机存取存储器SDRAM和闪存FLASH两种存储器组成，SDRAM共有2片，型号为HY57V561620芯片，存储容量达到32兆位；FLASH型号为 K9F1208 FLASH芯片,存储容量达到64兆位，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连接；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相连，R/B与R/nB连接；2片HY57561620 SDRAM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，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；

（7）步进电机驱动采用专用TA8435H芯片， 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，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，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）。

3.如权利要求1所述的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，其特征在于用户监控方法是在上位机实现的，系统用户界面在Visual Studio 2010下采用C#语言进行开发，软件运行界面基于Windows XP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，监测种箱和肥箱排空、种管和肥管堵塞状态数据；控制按钮完成用户在系统运行过程中要实现的控制指令。

4.如权利要求1所述的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，其特征在于上位机和下位机之间的无线通讯方法是通过无线通信协议来实现的，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。

5.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。

6.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。

7.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。

8.异常取值如下：

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。