基于GPS-OEM的車載農田面積測量系統的設計

魏 卓，鄭 琪，張 俐*，楊 方，關林林

（1.東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱 150001；3.河南經濟管理學校，河南 南陽 473034）

隨著信息技術發展，精確農業的研究應運而生。精確農業是構建在“時空差異”的數據采集和處理上，其核心就是時地獲取農田中每小區塊的（1～100 m2）的土壤或農作物的信息，在時空上判斷作物生長的質量和數量不同而產生的原因，有針對性地在每小區塊上進行灌溉、施肥、噴灑農藥及收獲，實現精確耕種、精確施肥、精確灌溉、精確收獲等目的。實現這些的關鍵技術有全球定位系統（Global Position System,GPS）、地理信息系統（Geography Information System,GIS）、遙感（Remote Sensing,RS）、傳感器及檢測系統、計算機控制器及變量執行設備等。將這三種技術合稱為3S技術，它是精細農業進行抽樣調查，獲取作物生長的各種影響因素信息（如土壤結構、含水量、地形、病蟲害等）的重要技術手段之一[1-2]。

全球定位系統（GPS）已被廣泛應用于農業機械化導航和農田定位與面積測量中[3]，它徹底地改變了傳統的農田作業方式，改進農業機械的性能，提高了農業生產力，為科學利用資源，提高產量，降低成本，減少農業活動帶來的環境污染，為我國農業現代化發展由粗放型向精細農業轉變奠定了基礎。精細農業的實施主要問題存在于農田信息獲取的質量（密度、速度和精度）和成本投入上[4]。而傳統的GPS農田面積測量，實現的是靜態測量，采集田塊頂點的地理信息后，由數學方法計算出來，難以實現農業機械作業中實時采集作業面積。

本研究采用精度高、價格低廉的GPS-OEM模塊，研制了實時作業面積測量系統，用于農業機械對農田進行實時作業面積測量。并用CAN通訊接口，將GPS定位信息、面積測量等信息實時上傳。

1 面積計算

傳統的GPS面積計算，一般采用投影的方式，將經緯度信息利用高斯-克呂格投影轉換為平面坐標后，再通過復雜的數學運算得出田地面積[5]。由于投影法計算公式過于復雜，再加上地球是非規則橢圓，計算出的數據存在很大誤差，并且傳統的測量方法僅僅適用于靜態測量，難以滿足動態測量。研究過程中，通過近50 km2區域內的農田試驗數據進行測試，發現在同經度或同緯度情況下，任意兩點的實際單位距離近似相等。在經度和緯度與實際距離的換算中，可采用經緯度單位距離與兩點間的經緯度實際距離之差的乘積，來計算任意兩點間的距離。從而可以將傳統的經緯度高斯-克呂格投影轉換面積測量方法簡單化，僅僅依靠兩點間的距離與農業機械作業寬度就可近似測量作業面積。實際上的耕地面積大多在1 km2以內，相對地球半徑微乎其微，通過實驗驗證測量簡化帶來的誤差完全可忽略不計。

設農業機械作業寬度為w，經度單位距離為a，緯度單位距離為b，農業機械從A（x1，y1）點到B（x1，y1）點的作業面積 M 為：

因此，測得農業機械從 A（x1，y1）點到 B（x1，y1）點的橫坐標之差和縱坐標之差，就可以得出農業機械的作業面積。

2 總體設計

基于GPS-OEM的車載農田面積測量系統，以STC89C54RD為控制核心，通過串口與GPS-OEM模塊通信，實時采集定位信息，并根據車輛實時定位軌跡，計算出實時作業面積。用EEPROM存儲數據，CAN總線實現實時數據傳輸進行通信，通過按鍵進行參數設置，由液晶屏界面來顯示數據，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

2.1 控制核心模塊

本系統采用深圳宏晶科技有限公司推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的STC89C54RD單片機作為控制核心。其內部有16 K的Flash存儲器、1 280字節的RAM以及16 K的EEPROM，其指令與標準的8051系列單片機完全兼容。由于它具有很高的抗靜電能力，可輕松跳過2 kV/4 kV快速脈沖干擾，具有較寬的電壓范圍和溫度范圍。它的I/O口和其內部的電源供電系統、時鐘電路、復位電路和看門狗電路等經過特殊處理，而具有超強的抗干擾能力；由于采用了禁止ALE輸出等措施保證了它的時鐘對外部電路有較低的電磁輻射；它還具有超低功耗、支持在線編程、加密性強等特點[6]。整個系統由STC89C54RD單片機控制各硬件的工作，與GPS模塊進行串口通信，讀取相應區域所需定位信息，然后將經緯度字符串信息轉換為數字信息，進行距離和面積的計算，同時液晶屏實時顯示，由控制CAN總線通信，將定位信息與作業面積上傳到上位機，并將有效信息在EEPROM中存儲以及讀取。

2.2 GPS模塊

傳統GPS定位信息獲取，多通過GPS接收機獲得。在精細農業中應用相當廣泛的是大多具有亞米級定位精度的差分型GPS接收機，但因價格較高，體積大、功耗高，不適合用于便攜式儀器[5]。為了便于攜帶大多采用GPS模塊（OEM板）進行二次開發接收機。GPS-OEM模塊與差分型GPS接收機一樣，用標準的NMEA-0183協議格式輸出定位信息，支持串行通信。

本研究采用加拿大Hemisphere GPS公司性價比較高的HC12A GPS-OEM模塊。該模塊是一款單頻12通道、L1載波輸出接收機，具有20 Hz的原始數據、定位數據更新率，信標接收功能，WAAS功能、單機定位精度可達到亞米（2DRMS），3個全雙工3.3V CMOS，1個USB等多種功能，支持 NMEA 0183、SLX binary、RTCM SC-104數據格式輸入輸出[6]。本模塊操作方便，配有簡單易用的調試軟件，通過PC機進行初始化設置，波特率設置，NMEA語句輸出格式選擇，以及經緯度小數點位數設置等[7-8]。在本研究中，采用$GPRMC語句格式作為GPS語句輸出格式。該語句中包含了經緯度、速度、日期、時間、接收機狀態等GPS定位信息；經緯度小數點位數設置為5位；波特率設置為9 600 bps，8數據位，1停止位，無校驗位。該模塊采用直接輸出TTL電平與單片機的串行口直接通信，不需電平轉換。將通信接口管腳進行平衡壓差設計，解決單片機系統是5 V供電，OEM是3.3 V供電造成的不能直接通信問題，其通信電路如圖2所示。

圖2 單片機與GPS OEM板的通信電路Fig.2 Communications circuit between microcontroller and GPS OEM

2.3 數據存儲模塊

存儲是GPS面積測量的重要組成部分，存儲的內容主要包括：日期、作業時間、地理位置、作業面積、農田的產量和特殊軌跡點的記錄。這些信息的存儲，可作為化肥、種子、農藥等生產資料的投入量的依據及農業生產管理的參考依據。系統設計中采用了EEPRROM AT24C1024作為存儲設備，該芯片是I2C總線接口的串行EEPRROM，容量為64 kb，可重復擦/寫10萬次，數據保持100年不丟失。采用3片AT24C1024組成數據存儲系統，存儲容量為192 kb，可滿足存儲需要。

2.4 人機交互模塊

界面顯示和參數的設置由LCD液晶屏和鍵盤完成。用240×320液晶屏顯示各樣參數的設置和運行中定位信息、實時作業面積和系統運行狀態，單界面顯示數據量大，效果直觀。按鍵采用硬件連接簡單、操作方便的普通按鍵，進行GPS-OEM的輸出語句內容、采樣周期、存儲周期、面積計算的參數設置以及控制系統的運行和數據上傳等。

2.5 通信模塊

主要由串口通信和CAN總線通信兩部分組成。其電路由CAN控制器SJA1000、CAN收發器82C250和兩片光耦6N137構成[8]，如圖3所示。GPS面積測量儀通過通信模塊，與上位機以及PC機進行數據通信。用MAX232芯片轉換單片機的TTL電平，保證串口與PC機的通信。通過CAN總線與其他設備信息共享。

圖3 CAN總線驅動電路Fig.3 CAN bus driver circuit

2.6 電源

本系統車載電源電壓為24 V，單片機、液晶屏、CAN總線控制芯片是5 V供電，GPS-OEM模塊是3.3 V供電，這里需要將24 V轉為5 V和3.3 V。為此，選用了18～36 V寬電壓輸入的VRB24D5-5 W電源模塊，它的穩定輸出為5 V/1 A；采用ANS 1117-3.3芯片，將5 V電壓轉換為3.3 V電壓。即可滿足本系統的需要，又解決了車載電源電壓，受車輛行駛因素的影響，造成電壓波動較大等問題。

3 系統軟件設計

為了滿足程序的抗干擾性和可移植性，各功能程序均采用模塊化設計[1]。包括：GPS信息采集模塊、CAN通訊模塊、液晶屏顯示模塊、存儲模塊和面積計算模塊等幾部份，系統程序流程如圖4所示。其中GPS信息采集模塊，通過串口中斷接收信息；液晶屏顯示程序模塊，可方便程序通用。

圖4 系統程序流程Fig.4 Flow of system program

軟件設計包括液晶屏初始化、串行口初始化和CAN總線通信。其中串行口初始化包含方式、波特率設置等。GPS信息采集，CAN總線通信，液晶屏顯示是分開進行的，GPS信息采集采用的是串行中斷形式。在串行中斷時，先判斷是否是“GPRMC”格式，接收完成后置更新標志。由于液晶屏的顯示和CAN總線通信都是并行傳輸數據，P0口復用，將二者程序分時運行，并采用掃描方法進行CAN通訊，防止數據傳輸沖突。程序中各部分功能是相互獨立的，如顯示部分出現問題，不會影響GPS的信息采集、面積計算、存儲和CAN通信等其他功能，系統程序具有較強抗干擾性。

4 測量系統測試

為了檢驗基于GPS-OEM的車載農田面積測量系統的軌跡面積測量精度和穩定性，選擇一塊長45 m，寬20 m稻田作為測試田塊，人為模擬農業機械的作業軌跡，作業寬度為4 m，進行了系統在稻田中軌跡面積信息采集試驗。

表1為系統3次面積采集數據統計分析。從表1軌跡面積測量數據來看，相對誤差、平均相對誤差均低于3%精度。

表1 面積測量數據的統計分析Table 1 Statistics of area experiment data

5 結論

本文通過近50 km2區域內的農田試驗數據進行測試，獲取了農業機械作業面積測量的簡化方法。設計了一種基于GPS-OEM的車載農田面積動態測量系統，提供了軟硬件設計方案，經調試和實際軌跡面積測量，軟硬件工作均正常，GPS定位信息采集快速準確；經過實際900 m2區域內的軌跡面積測試，面積測量準確度可達到97%以上；系統應用方便簡捷，完全滿足農業機械對農田實時作業面積測量的要求。

隨著全球定位系統（GPS）精度的不斷提高，GPS-OEM模塊價格的大幅下降，基于GPS-OEM的車載農田面積測量系統，將會在我國現代化農業生產中發揮更大的作用，并會得到更加廣泛的推廣使用。

[1]陳樹人,尹建軍.GPS技術及其在農業工程中的應用[J].排溉機械,2003,21(5)∶40-42.

[2]姚建松.3S技術在精細農業中的應用[J].農業裝備技術,2009,35(1)∶22-25.

[3]徐紹銓.GPS測量原理及應用[M].武漢∶武漢大學出版社,2008.

[4]李偉民,裘正軍.基于GPS現代農業信息計算機采集系統的研究[D].杭州∶浙江大學,2006.

[5]裘正軍,應霞芳,何勇.基于GPS模塊的便攜式農田面積測量儀[J].浙江大學學報,2005,31(3)∶333-336.

[6]北京合眾思壯科技有限責任公司.Crescent OEM產品說明書[S].北京∶北京合眾思壯科技有限責任公司,2007.

[7]歐陽斌林,劉立山.單片機原理及應用[M].北京∶中國水利水電出版社,2001.

[8]饒運濤,鄒繼軍,王進宏,等.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京∶北京航空航天大學出版社,2007.

[9]深圳宏晶科技有限公司.STC89C51RC-RD+GUIDE CHINESE[S].深圳∶深圳宏晶科技有限公司,2009.

[10]Hemisphere GPS Inc.HEMIS_CE_GPS crescent OEM technical reference[S].2007.

[11]HemisphereGPSInc.HEMIS_CE_GPSoutbackfrequencychange to OCSAT[S].2007.