基于GPS和GPRS的遠程玉米排種質量監測系統

黃東巖，朱龍圖，賈洪雷，于婷婷，閆 荊

（1．吉林農業大學信息技術學院，長春 130118；2．吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130025）

基于GPS和GPRS的遠程玉米排種質量監測系統

黃東巖1，2，朱龍圖1，賈洪雷2※，于婷婷1，閆 荊1

（1．吉林農業大學信息技術學院，長春 130118；2．吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130025）

為了獲取區域內的玉米播種質量信息并對其進行遠程監測與管理，提出了基于GPS和GPRS的遠程排種監測系統。該系統利用PVDF（polyvinylidene fluoride，聚偏二氟乙烯）壓電傳感器實時監測指夾式排種器播種質量信息并通過GPS接收器實現了播種質量信息位置的精確定位；同時，系統通過GPRS DTU模塊的應用和遠程服務器軟件的設計，實現了播種質量信息數據的遠程傳輸與管理。試驗結果表明，該系統播種量檢測精度為97.4%，漏播檢測精度為96.1%，重播檢測精度為95.9%，該系統能夠有效檢測玉米播種質量并具有監測數據遠程監管的功能。

傳感器；監測；作物；GPS；GPRS；PVDF壓電傳感器；單片機

黃東巖，朱龍圖，賈洪雷，于婷婷，閆 荊.基于GPS和GPRS的遠程玉米排種質量監測系統[J].農業工程學報，2016，32（6）：162-168.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.022 http://www.tcsae.org

Huang Dongyan,Zhu Longtu,Jia Honglei,Yu Tingting,Yan Jing.Remote monitoring system for corn seeding quality based on GPS and GPRS[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):162－168. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.022 http://www.tcsae.org

0 引言

隨著精密播種技術的使用和推廣，越來越多的播種作業采用精密播種機來完成。在播種機上安裝排種監測系統，可以有效地實現對播種機工作狀況的實時檢測和監視，有助于實時了解播種機作業性能、播種質量狀況。準確獲取區域內的玉米播種質量信息，一方面能夠檢測當年玉米播種的實施效果，同時也是玉米產量精準預測的重要參考[1]。目前田間玉米播種質量監測主要采用光電傳感器、電容傳感器、壓電傳感器[2-6]。如宋鵬等[7]研制的精密播種機工作性能實時監測系統，以光電傳感器作為排種質量監測元件，其具體設計是采用一字線激光器作為光電傳感器的發射端，使用緊密排列的光敏二極管作為光電傳感器接收端，實現了播種作業狀況下播種量、漏播量和重播量等參數信息的收集；又如周利明等[5]提出一種基于微電容信號獲取與分析的玉米播種機排種性能監測方法，該方法通過電容傳感器獲取種子運動信息，并根據相鄰種子的電容脈沖峰值間隔和脈沖積分面積來獲取播種作業狀況下的播種量、漏播量、重播量等參數。但是，這些研究在重播檢測精度上不能滿足精確檢測要求，監測系統缺少播種質量信息位置定位和遠程數據傳輸與監管功能。

目前遠程監測技術越來越成熟，其應用范圍也越來越廣，在各行各業中也逐漸嶄露頭角。其通信方式主要分為有線和無線傳輸。有線傳輸是通過自行架設通信網絡來實現的，如自組網絡（cellular digital packet data，CDPD），該方式雖然能夠保證可靠的通信質量，但其運營費用高，建網初期投資巨大。無線傳輸則是采用無線傳輸模塊，以現有的網絡（如市話網和internet網）為依托來完成數據的傳輸，其通信效果好，且有效地降低了使用成本。GPRS DTU（GPRS data transfer unit）模塊是一個能夠有效實現遠程數據無線通信的模塊[8]。

本文針對上述問題，利用GPS接收器作為漏播位置采集器，使用GPRS DTU模塊作為遠程傳輸工具，設計了以STM32單片機為核心、PVDF（polyvinylidene fluoride，聚偏二氟乙烯）壓電傳感器為監測元件的排種監測系統。該系統能實時準確地監測播種機的各項性能指標，并能將之實時、有效地上傳至遠程服務器。

1 系統設計

1.1 系統總體結構

基于GPS和GPRS的遠程排種監測系統主要包括傳感信號采集單元、主控制單元、報警單元、GPS移動站、GPS基準站、GPRS DTU模塊和遠程服務器等部分，如圖1所示。其中，傳感信號采集單元包括排種監測傳感器和播種機速度傳感器；GPS基準站包括基準站GPS接收器、GPRS DTU模塊2和單片機STC12C5A60S2。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structural diagram

1.2 排種器工作原理

作為免耕播種機的關鍵部件之一，指夾式排種器的性能是播種機播種質量的直接決定因素[9-10]。如圖2所示為指夾式排種器實物及PVDF壓電傳感器安裝位置圖，其主要由指夾器、指夾器盤和排種葉片、葉片盤等組成。

圖2 排種器結構與PVDF壓電傳感器安裝位置Fig.2 Seedmeter structure and installation site of PVDF piezoelectric sensor

指夾式排種器內部結構如圖2所示，12個指夾器安裝在指夾器盤上，工作時，排種器軸帶動指夾器與指夾器盤在排種盤一側旋轉，在彈簧與凸輪共同作用下，指夾器轉動到夾種區時開啟并填充種子，經過夾種區后指夾器關閉，進入顛簸帶清種，顛簸帶是排種盤上凹凸不平的部分，夾在指夾器的種子經過顛簸帶時會引起振動，清理掉多余的種子，通常經過顛簸帶后，指夾器只夾住1～2粒種子，指夾器繼續經過固定在排種盤上的毛刷時進行2次清種，二次清種后指夾器內通常只留下1粒種子，經過卸種口時，種子在彈簧作用下被指夾器射擊到緩沖檔板上，經緩沖后，種子落入排種室，完成一次投種。同時，排種軸帶動排種輪與葉片盤在排種盤另外一側旋轉，葉片盤上安裝12片排種葉片，形成12個排種室，經過一次投種的種子隨排種葉片旋轉到排種器下部的排種口投出，完成2次投種。2次投種降低了投種高度，提高排種的均勻性。

為了實時監測排種器的工作狀況，獲取整個作業區域的播種質量信息，本設計采用PVDF壓電傳感器作為指夾式排種器的排種監測傳感器。該壓電傳感器是由新型高分子壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜制作而成，具有壓電特性強、密度小、質地柔軟、靈敏度高、頻率響應寬、質量輕、化學穩定性高，并且其熱穩定性高、抗紫外線輻射能力強，同時具有較高的耐沖擊和耐疲勞能力[11-15]。本文使用的PVDF壓電傳感器由PVDF薄膜經裁剪制作而成，形狀為扇形，厚度為0.064 mm，上、下弧長分別為67和45 mm，上、下弧之間的距離為23 mm，被安裝在緩沖檔板上，如圖2所示。由于該傳感器質地柔軟使得其對緩沖檔板的緩沖效果幾乎沒有影響。指夾式排種器一次投種時，種子碰觸到PVDF壓電傳感器時會使得壓電傳感器的2個上下表面產生極性相反的正負電荷，從而形成電壓信號。正是基于這種碰觸而產生電信號的壓電特性，使得PVDF壓電傳感器在監測排種器工作時不受積塵的影響。

為測試PVDF壓電傳感器安裝位置的有效性，我們用示波器觀察PVDF壓電傳感器的輸出電壓信號，如圖3所示。圖中第2個和第3個脈沖波形是由一個指夾器同時攜帶2粒種子與PVDF壓電傳感器碰觸產生的波形，而第1個和第4個脈沖波形則是由不同的2個指夾器各攜帶一粒種子與PVDF壓電傳感器碰觸產生的波形。一個指夾器同時攜帶2粒種子經卸種口投入排種室，將會造成重播現象。從4個脈沖波形在時間軸之上的位置可以看出，重播的2粒種子觸碰PVDF壓電傳感器產生脈沖的時間間隔相對比較短。因此，將PVDF壓電傳感器安裝在排種器的緩沖檔板上能夠精確地對重播現象進行監測。

圖3 壓電傳感器輸出效果圖Fig.3 Output rendering of piezoelectric sensor

在實際應用當中，PVDF壓電傳感器輸出的電壓信號通過信號調理電路調理后，經主控單元進行相關處理并判斷是否出現漏播或重播現象，再由報警單元實現對應的漏播或重播報警。根據《單粒精密播種機試驗方法》[16]，具體判斷依據為

1.3 GPS定位策略

本文采用全球差分定位技術獲取播種質量位置信息，上述的GPS移動站和GPS基準站組成了全球差分定位系統[17-19]。GPS基準站通過基站GPS接收器獲取差分改正量信息，經STC12C5A60S2單片機處理后，由GPS DTU模塊發送至主控單元，以便主控制單元根據差分改正量和GPS移動站的輸出量，結算出差分定位結果。在實際應用中，將GPS移動站固定在拖拉機駕駛室頂部，通過屏蔽導線與安裝在駕駛室內的主控單元相連。GPS基準站放置在距離作業地塊10 km以內的任意位置，且作業過程中GPS基準站的位置不允許變動。之后，選定作業地塊的基點0，以基點0為原點，在遠程服務器軟件系統中建立二維坐標系，將壟長延長的方向定義為縱軸Y，垂直于壟長的方向定義為橫軸X。利用全球差分定位系統確定基點0的經緯度，并將基點0的經緯度信息上傳至遠程服務器進行存儲。開始作業時，播種機首先沿著Y軸的方向作業，并在到達對面地頭時調轉方向，反向作業，如此往復直至作業結束。

在整個作業過程中，遠程服務器軟件系統根據全球差分定位系統提供的經緯度信息，確定播種單體的實時經緯度信息并在上述坐標系中繪制播種單體的播種質量信息圖。圖4為播種機沿著Y軸行進軌跡示意圖。圖中1、2、3為行號，隨著播種機作業的進行，遠程服務器軟件系統會沿著X軸方向順序標記行號1、2、3...N；a、b、c為3個播種單體；d為拖拉機。

圖4 播種機行進軌跡示意圖Fig.4 Seeding path diagram

1.4 GPRS DTU模塊通信

系統需要實現無線傳輸的地方有2處：GPS基準站和GPS移動站之間的差分改正量信息的傳輸；主控單元與遠程服務器之間的通信。為實現整個系統數據之間的有效傳輸，本設計采用GPRS DTU模塊作為數據傳輸通信模塊。GPRS DTU模塊是一種基于物聯網的無線數據傳輸模塊，內嵌TCP/IP協議棧，使不具備TCP/IP協議的設備可以使用GPRS網絡通信，提供RS232/RS485、USB等連接接口，能夠與串口設備通過相應的數據線進行連接，從而完成數據的有效傳輸[20-22]。

差分改正量信息是通過GPS基準站中的GPRS DTU模塊2與GPRS DTU模塊1之間的通信傳遞到主控制單元的，并由主控制單元進行進一步處理。

主控制單元與遠程服務器之間的通信，則是通過GPRS DTU模塊1來實現的。圖5為主控制單元與遠程服務器通信的傳輸原理圖，GPRS DUT模塊1通過標準串行接口接收主控制單元所傳輸的數據信息，并將之予以處理后，形成GPRS分組數據，該分組數據被傳輸到GSM基站，接著由服務GPRS支持節點（serving GPRS support nod，SGSN）對其進行封裝處理，進而被傳至GPRS網絡，之后，網關支持節點（gateway GPRS support nod，GGSN）從GPRS網絡獲取被封裝的數據信息，并對數據信息進行進一步的處理，最后再以Internet網絡作為傳輸媒介將數據信息傳輸至遠程服務器上。

圖5 GPRS傳輸原理圖Fig.5 Schematic of GPRS transmission

2 系統硬件設計

本設計中，主控制單元以STM32F103C8T6單片機為中央處理芯片[23-24]，該芯片以ARM cortex-M3為內核，可高速運行、數據處理能力強，其內部自帶的12位逐次逼近型ADC模數轉換器，完全滿足設計的要求。系統采用PVDF壓電傳感器作為排種監測傳感器，采用霍爾傳感器作為播種機速度傳感器，系統的主要硬件電路如圖6所示。

圖中，電容C1、C2和C3，電阻R1和R2，以及AD620構成了信號放大器，用于放大PVDF壓電傳感器所產生的電壓信號；由電阻R3、R4和R5，電容C5，以及LM324所組成的低通濾波器用于濾除信號中高頻信號；OP07被用作電壓跟隨器，以便其能更好地實現與STM32的A/D采集接口之間的阻抗匹配；電容C4和C6起交流耦合作用。圖中NJK-5002C為霍爾傳感器，用于測量免耕播種機的前進速度，但因其輸出量為NPN型開關量，因此需要使用光耦合器TLP521來實現現場開關量與STM32單片機間的電氣隔離，從而提高系統的電絕緣和抗干擾能力；MAX232是一款可以同時完成發送轉換和接收轉換雙重功能的專用芯片。圖中DB9為串口接口，用于連接GPRS DTU模塊1。系統采用液晶屏LCD12864來完成數據信息的顯示功能；選用美國型號為Trimble SPS852GPS的GPS接收器作為GPS移動站，其RTK水平定位精度可達8 mm，速度進度為0.1 km/h，定向精度為0.1o，更新頻率最大可達到20 Hz。圖中，R14、R15、Q1、A1、R16、R17、D1和D2構成報警單元，用于聲光報警，其中A1為蜂鳴器，D1、D2為發光二極管。

圖6 系統主要電路原理圖Fig.6 Main schematic circuit diagram of system

3 系統軟件設計

本監測系統的軟件包括2部分：系統硬件驅動程序和遠程服務器程序。系統硬件驅動程序采用C語言編寫，易于移植，可讀性強；遠程服務器程序主要用于管理播種機排種監測狀況，具有數據接收、存儲、查詢、統計、分析、處理和報警等功能，其圖形化界面能夠達到人機交互及遠程監測的目的。

3.1 系統硬件驅動程序

系統硬件驅動程序主要完成整個信息采集處理工作和處理后信息的遠程傳輸控制，其程序設計流程圖如圖7所示。首先，程序對相關硬件模塊進行初始化設置，包括定時器的初始化和啟動、A/D轉換器的初始化、液晶顯示屏的初始和串口初始化等。程序通過讀取A/D值、計算相連兩粒種子落下的時間間隔、計算播種機前進速度，并結合理論播種株距d判斷是否出現漏播或重播現象。若出現重播或漏播現象，則讀取移動站GPS接收器的輸出信息，并根據基準站所發送的差分改正量信息，解算出此時的漏播或重播位置，之后，將進行漏播或重播報警，并顯示相關的播種量、漏播量、重播量、漏播或重播位置等信息，同時將上述相關信息發送至遠程服務器；反之，則繼續進行播種狀況監測。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

3.2 遠程服務器程序

遠程服務器程序即監控中心管理軟件，主要包括2大部分，即監測管理程序和數據庫。監測管理程序需要為用戶提供功能強大的應用程序和友好的人工交互界面，且易于操作。本文監測管理程序設計采用微軟的Visual Basic 6.0編程環境進行開發。VisualBasic6.0開發環境具有成熟、穩定、操作簡單和實用的特點，并且提供了多種數據庫的連接，如ADO（ActiveX data objects，ActiveX數據對象）、DAO（dataaccessobject，數據訪問對象）和RDO（remote data objects，遠程數據對象）等接口連接，同時提供了一系列的網絡編程控件，如 Winsock、Internet Transfer和WebBrowser等控件，滿足設計需求。鑒于該系統的信息量不大，但對信息的完整性、一致性以及安全性有較高的要求，因此使用Access 2003作為數據庫。

遠程服務器程序采用Winsock接口與主控制單元進行數據交換，使用ADO接口連接Access 2003數據庫，從而實現播種機排種狀況的遠程監測和管理。遠程服務器軟件具有顯示、查詢、統計分析和報表打印等功能，同時能夠對排種狀況信息進行判斷分析并提供重播、漏播報警提示，如圖8所示為遠程服排種監測管理系統登錄界面。

圖8 登錄界面Fig.8 Login interface

4 試驗與結果分析

2015年春季在吉林農業大學試驗農場進行玉米的免耕播種田間試驗。在試驗前，將GPS移動站安裝在具有2個播種單體的吉林康達2BMZF-2X型免耕播種機駕駛室頂部，并將GPS基準站置于試驗區附近，選用的玉米種子為“先玉335”。在試驗開始之前啟動遠程服務軟件，等待GPRS DTU模塊與服務器通信。試驗時，選取200 m長的試驗測區，設置A/D閾值為1.5 V，理論株距為20 cm，播種前進速度范圍為5～6 km/h。記錄每個播種單體試驗結果，并將監測系統所測結果與人工檢測結果進行比較，如表1所示。人工檢測是指人工直接記錄試驗區內的種子粒數和粒距，并進行統計分析。

圖9所示為遠程服務器所監測的播種狀況位置信息圖。將整個播種地塊設置為若干播種區域，計算每個區域的漏播率和重播率，并將計算結果與用戶在界面上設定的漏播率和重播率作比較。如果某個區域內計算的漏播率或重播率超過用戶的設定值，則該區域以紅色填充表示漏播，以黃色填充表示重播；如果某個區域內計算的漏播率和重播率兩者都超過了用戶設定值，則以紅色和黃色按對應的比率填充該區域；否則，該區域以綠色填充表示播種正常。其中，用戶可以設定播種區域的大。

表1 田間試驗對比結果Table 1 Comparison of field test results

圖9 遠程監測界面Fig.9 Interface of remote monitoring

5 結論

1）本文設計了基于GPS和GPRS的遠程排種監測系統，系統選用STM32單片機作為主控單元核心處理器，應用PVDF壓電傳感器實時監測指夾式排種器播種質量信息，采用全球差分定位技術獲取播種質量位置信息，通過GPRS DTU模塊，實現播種質量信息數據的遠程傳輸，遠程服務器程序實現數據接收、存儲、查詢、統計、分析、處理和報警等功能。

2）試驗測試結果表明，系統對播種量檢測精度為97.4%，漏播檢測精度為96.1%，重播檢測精度為95.9%，系統性能穩定、可靠，對重播量的監測精度較高，能夠有效地檢測玉米播種質量，并且實現了播種質量信息位置的精確定位，能達到排種監測數據遠程收集、保存、監測和管理的目的。

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Remote monitoring system for corn seeding quality based on GPS and GPRS

Huang Dongyan1,2,Zhu Longtu1,Jia Honglei2※,Yu Tingting1,Yan Jing1
(1.College of Information,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China;2.Key Laboratory of Bionics Engineering,Ministry of Education,Jilin Agricultural University,Changchun 130025,China)

The information of corn sowing quality such as seeding amount,missed planting and repeated planting not only reflects the implementation effect of corn planting,but also is an important reference for accurate prediction of corn yields. It is very important to obtain the information of corn sowing quality and monitor and manage it remotely.In this paper,a remote seeding monitoring system based on GPS(global position system)and GPRS(general packet radio service)was designed.The system is mainly composed of a sensor signal acquisition unit,main control unit,DGPS(differential global positioning system),GPRS DTU(GPRS data transfer unit)module and remote server.It can monitor the seeding status of pickup finger seed-metering device in real time by a PVDF(polyvinylidene fluoride)piezoelectric sensor,and achieve a precise position of the seeding status by the DGPS.The data of sowing quality can be transmitted by GPRS DTU modules and managed by remote server software.In order to improve system monitoring accuracy,the PVDF piezoelectric sensor is attached to the seeding outlet baffle with a sectorial form.The sensor is soft,thin and highly sensitive.During the process of seeding,seeds hit the PVDF piezoelectric sensor one by one.The hits of seeds make the piezoelectric polarization inside the film.The sensor generates a voltage signal respectively.Therefore,the voltage signals generated by the piezoelectric sensor can be used to determine whether there is missed planting or repeated planting.The current seeding position is recorded by DGPS which can provide better accuracy than basic GPS.The DGPS consists of 2 parts,i.e.the GPS mobile station and GPS reference station.The GPS reference station comprises a GPS receiver,a GPRS DTU module and a single-chip microcomputer.The GPS mobile station is used to observe the GPS signals which are used for sowing position.The GPS reference station is used to make a correction data,which is used to reduce the deviation of sowing position.The GPS mobile station is fixed on the top of tractor and the main control unit is installed in the cab,and both of them are connected with each other by shielded wire.The GPS reference station can be placed anywhere within 10 km distance from planting site,and it is not allowed to move during the process of seeding.Another GPRS DTU module is used to transmit sowing quality data and position data from the main control unit to the remote server.A server application based on Visual Basic 6.0 and Access 2003 has been developed.The application has a powerful function and a friendly interaction interface,and it is easy to operate.By the server application,the sowing quality data can be monitored in real time and the sowing quality information can be shown in a map.The map is based on the actual percentage of missed planting and repeated planting, and there are 3 different colors to represent different information of corn sowing quality.Red represents missed planting, yellow represents repeated planting,and green represents normal.Meanwhile,the system also provides the function of query,statistical analysis,and printing reports.The system was applied for a field test.The experiment results showed that the system′s accuracy of seeding amount was 97.4%,accuracy of missed planting was 96.1%and accuracy of repeated rate was 95.9%.This system can effectively monitor seeding performance and have the function of monitoring and management for the sowing data remotely.

sensors;monitoring;crops;GPS;GPRS;PVDF piezoelectric sensor;single-chip microcomputers

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.022

S232.3

A

1002-6819（2016）-06-0162-07

2015-10-15

2016-01-22

“十二五”國家科技計劃課題（2011BAD20B09）；長春市科技計劃項目（14KG087）；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究（201449）

黃東巖（1976-），男，吉林長春人，教授，博士，主要從事農業機械自動化的研究。長春 吉林農業大學信息技術學院，130118。

Email：cchdy760829@sina.com

※通信作者：賈洪雷（1957－），男，吉林長春人，教授，博士，主要從事保護性耕作全程機械化及其智能裝備的研究。長春 吉林大學，生物與農業工程學院，130025。Email：jiahl＠vip．163．com