一种多功能农机深松智能监管系统及方法与流程

本发明属于远程监控技术领域，具体涉及一种多功能农机深松智能监管系统及方法。

背景技术：

现有的智能化深松整地作业质量监控技术中由于均采用超声波测量法测量松地深度，受地面凹凸不平和秸秆集结成堆的原因，会导致不能测量真实地面，反应耕地深度真实性有难度，抗干扰能力弱；没有充分考虑农机作业时土地环境的复杂性，当土地表面不平整或者秸秆等杂物时，利用超声波测距传感器来测量耕地深度的准确性得不到保障；缺少实时监测农机作业画面的功能，使监管人员不能很全面的了解作业现场的实时状况，降低了监控中心监管人员的决策水平；没有设置语音报警提醒功能，有时会使驾驶员不能及时掌握作业相关信息；没有在机具上设置辨识装置，监管系统对于机具的基本信息不能够自动的识别，监管系统不能更好地获取机具的有效信息，以规范驾驶员使用规定的机具进行作业。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种多功能农机深松智能监管系统及方法。

本发明的技术方案是：

一种多功能农机深松智能远程监管系统，包括：主控制器、显示面板、GPS模块、GPRS模块、摄像头、语音报警装置、倾角传感器、机具识别装置；

所述主控制器、显示面板、GPRS模块、语音报警装置设置于驾驶室内，GPS模块安装于驾驶室外侧，所述GPRS模块的天线设置于驾驶室外侧，所述摄像头安装于驾驶室后测，所述倾角传感器安装于犁臂上，所述机具识别装置安装于机具表面；

所述GPS模块的输出端连接GPRS模块的输入端，所述摄像头、倾角传感器、机具识别装置通过RS485连接主控制器，所述主控制器的输出端连接显示面板的输入端、GPRS模块的输入端、语音报警装置的输入端，所述主控制器的电源端连接农机电瓶的输出端，所述GPRS模块通过无线网络连接智能移动设备和数据中心计算机。

所述主控制器，用于接收机具识别信息、犁臂的角度信息、GPS定位信息、作业图像信息，根据犁臂的角度信息与作业深度之间的关系采用分段线性插值算法得到犁臂的角度与作业深度的函数关系，从而根据犁臂的角度信息得到其对应作业深度值，根据GPS定位信息确定作业面积，将机具识别信息、GPS定位信息、作业图像信息、作业深度值和作业面积传输至显示面板、智能移动设备和数据中心计算机，并在机具识别错误、深度不达标时发送报警信号至语音报警装置；

所述显示面板，用于显示机具识别信息、报警提示信息、作业深度值和作业面积；

所述GPS模块，用于将农机GPS定位信息传输至主控制器；

所述GPRS模块，用于实现主控制器与智能移动设备和数据中心计算机之间的通讯；

所述摄像头，用于实时监控机具的工作状态，并在接收到主控制器的拍照指令时拍摄机具作业图像信息，传输至主控制器；

所述语音报警装置，用于根据主控制器的控制，在机具识别错误、深度不达标时进行报警；

所述倾角传感器，用于采集犁臂的角度信息，传输至主控制器；

所述机具识别装置，用于获取机具识别信息，传输至主控制器。

所述语音报警装置，包括语音控制器和报警喇叭。

采用多功能农机深松智能远程监管系统进行农机深松智能远程监管的方法，包括以下步骤：

S1：在机具开始工作时，通过倾角传感器采集犁臂的角度信息，传输至主控制器，通过主控制器对机具进行标定：标定机具在地表以及地下不同作业深度工作时对应的犁臂的角度信息，根据犁臂的角度信息与作业深度之间的关系采用分段线性插值算法得到犁臂的角度与作业深度的函数关系；

S2：通过机具识别装置获取机具识别信息至主控制器，主控制器获取机具种类和规格；

S3：通过GPS模块得到机具的GPS定位信息；

S4：通过摄像头实时监控机具的工作状态，在接收到主控制器的拍照指令时拍摄机具作业图像信息，传输至主控制器；

S5：通过主控制器间隔一定时间读取一次犁臂的角度信息、GPS定位信息，根据犁臂的角度与作业深度的函数关系，确定当前的作业深度值，根据GPS定位信息确定作业面积，将机具识别信息、GPS定位信息、作业图像信息、作业深度值和作业面积传输至显示面板、智能移动设备和数据中心计算机；

S6：显示面板显示机具识别信息、报警提示信息、作业深度值和作业面积；

S7：在机具识别错误、深度不达标时主控制器发送报警信号至语音报警装置，语音报警装置进行报警，并在显示面板中显示报警提示信息。

本发明的有益效果：

本发明提出一种多功能农机深松智能监管系统及方法，利用倾角传感器通过测量犁臂下摆的角度，来测量作业时的深度值，在单片机软件中配合使用分段线性插值算法，可以大大提高测量精确度与稳定性。与超声波测距类传感器相比，不受地面不平秸秆肥料拥堵对耕深测量结果的影响；配合机具识别装置使用，机具识别装置内保存有机具的基本信息，包括机具的类别、机具有效作业宽度等；如果其它种类的农机作业也需要使用本监管系统时，只需安装相应的识别装置即可，例如深松时安装机具识别装置，播种时也可以安装播种机识别器，从而扩大了本监管系统的应用范围；通过增加语音报警装置可以对不同的作业状态信息进行不同的有效提醒，主要有机具识别信息、耕深信息、可以有效避免司机在作业时只顾观察路况，没有看显示面板而造成不能及时掌握作业信息的情况；使用了摄像头装置，可以定时采集作业画面并上传，作为辅助手段使监管人员更好地了解实地作业状态。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中多功能农机深松智能远程监管系统示意图；

其中，1-主控制器，2-显示面板，3-GPS模块，4-GPRS模块，5-摄像头，6-语音报警装置，7-倾角传感器，8-机具识别装置，9-犁臂，10-机具；

图2为本发明具体实施方式中多功能农机深松智能远程监管系统结构框图；

图3为本发明具体实施方式中主控制器的结构示意图；

其中，11-单片机，12-LCD和指示灯接口电路，13-语音模块驱动电路，14-GPRS模块接口电路，15-摄像头接口电路，16-机具识别模块接口电路，17-数据存储器，18-电压转换电路、19-倾角传感器接口电路，20-按键；

图4为本发明具体实施方式中多功能农机深松智能远程监管系统电路连接图；

图5为本发明具体实施方式中多功能农机深松智能远程监管方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细说明。

一种多功能农机深松智能远程监管系统，如图1所示，包括：主控制器1、显示面板2、GPS模块3、GPRS模块4、摄像头5、语音报警装置6、倾角传感器7、机具识别装置8。

主控制器1、显示面板2、GPRS模块4、语音报警装置6设置于驾驶室内，GPS模块3安装于驾驶室外侧，GPRS模块4的天线设置于驾驶室外侧，摄像头5安装于驾驶室后测，倾角传感器7安装于犁臂9上，机具识别装置8安装于机具10表面。

如图2所示，GPS模块3的输出端连接GPRS模块4的输入端，摄像头5、倾角传感器7、机具识别装置8通过RS485连接主控制器1，主控制器1的输出端连接显示面板2的输入端、GPRS模块4的输入端、语音报警装置6的输入端，主控制器1的电源端连接农机电瓶的输出端，GPRS模块4通过无线网络连接智能移动设备和数据中心计算机。

主控制器1，用于接收机具识别信息、犁臂的角度信息、GPS定位信息、作业图像信息，根据犁臂的角度信息与作业深度之间的关系采用分段线性插值算法得到犁臂的角度与作业深度的函数关系，从而根据犁臂的角度信息得到其对应作业深度值，根据GPS定位信息确定作业面积，将机具识别信息、GPS定位信息、作业图像信息、作业深度值和作业面积传输至显示面板2、智能移动设备和数据中心计算机，并在机具识别错误、深度不达标时发送报警信号至语音报警装置6。

本实施方式中，如图3所示，主控制器1包括单片机11、LCD和指示灯接口电路12、语音模块驱动电路13、GPRS模块接口电路14、摄像头接口电路15、机具识别模块接口电路16、数据存储器17、电压转换电路18、倾角传感器接口电路19和按键20。

显示面板2通过LCD和指示灯接口电路12连接单片机11，GPRS模块4通过GPRS模块接口电路14连接单片机11，摄像头5通过摄像头接口电路15连接单片机11，语音报警装置6通过语音模块驱动电路13连接单片机11，倾角传感器7通过倾角传感器接口电路19连接单片机11，机具识别装置8通过机具识别模块接口电路16连接单片机11，数据存储器17通过IIC总线连接单片机11，单片机11通过电压转换电路18连接农机电瓶。

本实施方式中，单片机11的型号为STC15W4K58S4。

LCD和指示灯接口电路12由总线驱动器组成。

语音模块驱动电路13，包括光电隔离器和三极管驱动电路。

语音模块驱动电路13与单片机11之间采用光电耦合器连接，可以有效保护单片机，以免受到外部高电压、强电流的冲击而损坏，提高了它的安全等级，延长了使用寿命。

GPRS模块接口电路14为第一TTL-RS232电平转换电路。

摄像头接口电路15，包括第二TTL-RS232电平转换电路和第一RS232-485电平转换电路。

机具识别模块接口电路16为TTL-485电平转换电路。

电压转换电路18将农机车载电瓶电压转换至本系统所需的电压标准。

倾角传感器接口电路19，包括第三TTL-RS232电平转换电路和第二RS232-485电平转换电路。

如图4所示，摄像头5通过第一RS232-485电平转换电路和第二TTL-RS232电平转换电路连接单片机11的串口3，倾角传感器7通过第二RS232-485电平转换电路和第三TTL-RS232电平转换电路连接单片机11的串口4，机具识别装置8通过TTL-485电平转换电路连接单片机11的串口1，数据存储器17通过IIC总线连接单片机11的I/O口，显示面板2通过总线驱动器连接单片机11的I/O口，语音报警装置6通过光电隔离器和三极管驱动电路连接单片机11的I/O口，GPRS模块4通过第一TTL-RS232电平转换电路连接单片机11的串口2。

数据存储器17，用于在网络信号不好时暂存机具识别信息、GPS定位信息、作业图像信息、作业深度值和作业面积数据。除了在正常工作时可以保存采集的重要信息以外，在系统突发掉电的情况下可以及时的存储关键信息，以保证下次重启时，重要的信息不丢失，极大的提高了系统的可靠性。

显示面板2，用于显示机具识别信息、报警提示信息、作业深度值和作业面积。

显示面板2当犁地作业深度在小于20CM时，红色指示灯亮起；作业深度在20CM和25CM之间时，绿色指示灯亮起；作业深度超过25CM时，蓝色指示灯亮起。

GPS模块3，用于将农机GPS定位信息传输至主控制器1。

GPRS模块4，用于实现主控制器1与智能移动设备和数据中心计算机之间的通讯。

摄像头5，用于实时监控机具10的工作状态，并在接收到主控制器1的拍照指令时拍摄机具10作业图像信息，传输至主控制器1。

语音报警装置6，用于根据主控制器1的控制，在机具识别错误、深度不达标时进行报警。

语音报警装置6，包括语音控制器和报警喇叭。

倾角传感器7，用于采集犁臂的角度信息，传输至主控制器1。

机具识别装置8，用于获取机具识别信息，传输至主控制器1。可以记录机具10的详细信息，包括机具的种类、型号、尺寸。机具识别装置8有效面紧贴于机具10表面安装，也可以根据不同的农具安装不同的机具识别装置8，从而对不同的农机作业(如播种，深松)进行监管。只需将机具识别装置8的输出端插接到主控制器1主板上，即可对其他的作业进行监管，快捷方便，应用性广泛。

本实施方式中，机具识别装置可以采用犁具识别器播种机识别器收割机识别器等。

采用多功能农机深松智能远程监管系统进行农机深松智能远程监管的方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：在机具开始工作时，通过倾角传感器采集犁臂的角度信息，传输至主控制器，通过主控制器对机具进行标定：标定机具在地表以及地下不同作业深度工作时对应的犁臂的角度信息，根据犁臂的角度信息与作业深度之间的关系采用分段线性插值算法得到犁臂的角度与作业深度的函数关系。

本实施方式中，标定机具在地表面、地下20cm、地下25cm时对应的犁臂的角度信息。

机具地表面对应的犁臂角度信息用于判断机具是否已经工作，机具在地下20cm对应的犁臂角度信息用于判断耕地深度是否达标，机具在地下25cm对应的犁臂角度信息用于判断耕地深度是否超出所要求的范围。正常的耕地深度为20-25cm，耕地深度大于25cm或者小于20cm时都属于不在正常耕地深度范围内。

根据犁臂的角度信息与作业深度之间的关系采用分段线性插值算法得到犁臂的角度与作业深度的函数关系。

本实施方式中，将作业深度在18cm-28cm分为5段，即18cm-20cm、20cm-22cm、22cm-24cm、24cm-26cm、26cm-28cm，首先分别测得深度值为18cm、20cm、22cm、24cm、26cm、28cm时的倾角传感器的角度值，将对应倾角传感器的角度值记录为a、x₁、x₂、x₃、x₄、b。得到插值点(a，18)，(x₁，20)，(x₂，22)，(x₃，24)，(x₄，26)，(b，28)。

此处作业深度计算算法确定在18cm-28cm的耕深范围，比之前提到的正常耕深范围20cm-25cm要大的原因是考虑到实际使用时，在正常范围的端点附近处(即20cm和25cm处)，也要比较准确的计算出深度信息，避免较大的误差存在。

通过插值点用折线段连接逼近倾角传感器与深度值的实际函数关系I_h(x)。

设已知节点a＝x₀＜x₁＜x₂＜x₃＜x₄＜x₅＝b上的函数值f₀＝18，f₁＝20，f₂＝22，f₃＝24，f₄＝26，f₅＝28，记h_k＝x_k+1-x_k，h＝maxh_k，求一折线函数I_h(x)满足：

(1)I_h(x)∈C[a，b]；

(2)I_h(x)＝f_k(k＝0，1，...，n)；

(3)I_h(x)在每个小区间[x_k，x_k+1]上是线性函数。

I_h(x)为分段线性插值函数。

I_h(x)在每个小区间[x_k，x_k+1]上可表示如式(1)所示：

其中，f_k，f_k+1为相邻两个节点对应的深度值。

S2：通过机具识别装置获取机具识别信息至主控制器，主控制器获取机具种类和规格。

S3：通过GPS模块得到机具的GPS定位信息。

S4：通过摄像头实时监控机具的工作状态，在接收到主控制器的拍照指令时拍摄机具作业图像信息，传输至主控制器。

S5：通过主控制器间隔一定时间读取一次犁臂的角度信息、GPS定位信息，根据犁臂的角度与作业深度的函数关系，确定当前的作业深度值，根据GPS定位信息确定作业面积，将机具识别信息、GPS定位信息、作业图像信息、作业深度值和作业面积传输至显示面板、智能移动设备和数据中心计算机。

本实施方式中，根据GPS定位信息确定作业面积具体过程为：

利用GPS模块能得出拖拉机的行驶轨迹，再根据机具识别装置里设置好的机具的有效作业宽度就能算出作业面积，作业面积＝行驶长度*有效作业宽度。这在一定程度上既降低了硬件的复杂程度，也减少了系统的成本。

S6：显示面板显示机具识别信息、报警提示信息、作业深度值和作业面积；

S7：在机具识别错误、深度不达标时主控制器发送报警信号至语音报警装置，语音报警装置进行报警，并在显示面板中显示报警提示信息。