基于智能技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)多功能智能終端的設(shè)計(jì)

詹新生，孫承庭

0 引言

隨著GPS技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及人機(jī)協(xié)同技術(shù)的突飛猛進(jìn)，汽車導(dǎo)航、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在高端汽車中，未來也將應(yīng)用于中低端汽車中。車載智能終端集車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)、GPS、GSM、GPRS、傳感器技術(shù)、Linux系統(tǒng)、ARM等技術(shù)于一體，對(duì)提高聯(lián)合收割機(jī)的管理具有較大幫助。本文以Exynos 4412處理器為核心，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)和嵌入式控制等高新技術(shù)，設(shè)計(jì)了車載終端，并實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合收割機(jī)的定位、導(dǎo)航、語(yǔ)音播報(bào)、呼叫維護(hù)、呼叫加油,以及計(jì)算谷物產(chǎn)量等功能。

1 聯(lián)合收割機(jī)多功能智能終端整體方案

1.1 多功能車載智能終端功能說明

1)定位功能：GPS通過接收衛(wèi)星信號(hào)，可以準(zhǔn)確地定出其所在的位置，位置誤差小于10m；利用GPS，在地圖上實(shí)時(shí)顯示車輛當(dāng)前位置。

2)地圖導(dǎo)航功能：可以根據(jù)設(shè)定的起點(diǎn)和終點(diǎn)，自動(dòng)根據(jù)實(shí)時(shí)路況為司機(jī)規(guī)劃路線；倘若司機(jī)不小心偏離路線，可以根據(jù)當(dāng)前行駛路線規(guī)劃一條新的最佳路線，或?yàn)榻K端客戶以當(dāng)前位置為起點(diǎn)會(huì)話，以最終目的地為終點(diǎn)，重新規(guī)劃新的最佳路線。

3)語(yǔ)音導(dǎo)航功能：輸入目標(biāo)地點(diǎn)后，車輛只要遇到前方路口或者轉(zhuǎn)彎，車載GPS語(yǔ)音系統(tǒng)提示用戶轉(zhuǎn)向等語(yǔ)音提示。

4)智能導(dǎo)航功能：在短時(shí)間失去GPS信號(hào)時(shí)，可根據(jù)車內(nèi)的加速度傳感器、結(jié)合行車速度計(jì)算出行車情況。

5)娛樂功能：播放U盤、SD卡中的MP3和MP4文件。

6)增加興趣點(diǎn)功能：可以自主的在地圖上添加最新更新的路線或建筑物。

7)由傳感器測(cè)得一定時(shí)間內(nèi)谷物流量和機(jī)器地速等模擬信號(hào)，通過計(jì)算公式換算出實(shí)際收割谷物質(zhì)量和谷物產(chǎn)量。

1.2 整體方案設(shè)計(jì)

本文控制系統(tǒng)的核心處理器采用SAMSUNG公司的Exynos 4412處理器，該芯片采用高性能集成外設(shè)設(shè)計(jì)，其主頻高達(dá)1.4G，處理能力超強(qiáng)，另外還配備豐富的片上資源。本文根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)車載智能終端特殊需求以及Exynos 4412處理器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了聯(lián)合收割機(jī)車載智能終端系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)主要功能框架圖如圖1所示。

Exynos 4412處理器采用ARM9建構(gòu)體系，因此該系統(tǒng)平臺(tái)搭建在ARM9和Linux系統(tǒng)平臺(tái)之上，并基于該平臺(tái)設(shè)計(jì)了集GPS定位模塊、GSM/GPRS信息收發(fā)模塊、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)、三軸重力加速度傳感器于一體的智能終端控制系統(tǒng)。

1.3 測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能終端測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)是利用信號(hào)采集與處理、智能控制技術(shù)和傳感器技術(shù)構(gòu)建的集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括控制單元、CAN總線，以及谷物流量、地速、割臺(tái)高度和升運(yùn)器轉(zhuǎn)速等傳感器。測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖1 智能終端功能框架圖Fig.1 The functional framework diagram of intelligent terminal

圖2 測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)框架圖Fig.2 The framework diagram of test yield subsystem

測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)工作原理：當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)正常進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，由多傳感器測(cè)得每一時(shí)間內(nèi)谷物流量、機(jī)器地速、割臺(tái)高度和升降機(jī)轉(zhuǎn)速等模擬信號(hào)，然后通過CAN總線方式將數(shù)據(jù)傳送給控制單元，由控制單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過計(jì)算公式換算出實(shí)際收割谷物質(zhì)量和谷物產(chǎn)量，最后通過車載終端顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出。

收割谷物質(zhì)量Y是指谷物在作業(yè)過程中，總共收割到的谷物產(chǎn)量，其表達(dá)式為

(1)

其中，y為實(shí)際測(cè)得谷物質(zhì)量(kg)；α為聯(lián)合收割機(jī)的損失率；m為傳感器測(cè)得的谷物流量(kg/s)；v為地速(m/s)；△t為單位時(shí)間(s)；w為收割臺(tái)實(shí)際寬度(m)。

所以，產(chǎn)量Y的計(jì)算公式可以寫成

(2)

在實(shí)際計(jì)算中，損失率α、收割臺(tái)實(shí)際寬度w和單位時(shí)間△t是已知的，而谷物流量m和地速v分別由流量傳感器和地速傳感器測(cè)得。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

智能終端控制系統(tǒng)采用Exynos 4412處理器作為主控單元，對(duì)電源性能要求比較高，因此采用3.3V和1.8V雙電源供電。該電源從外部穩(wěn)壓電源引入5V電壓，然后分別由CAT6219-180TD-GT3和AMS1084CM-3.3穩(wěn)壓模塊進(jìn)行降壓，輸出電壓為3.3V和1.8V。智能終端控制系統(tǒng)電源模塊原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 The schematic diagram of power module

2.2 CAN總線設(shè)計(jì)

MCP2515是一種內(nèi)置CAN總線協(xié)議的控制器，只要外接總線驅(qū)動(dòng)芯片和適當(dāng)?shù)目垢蓴_電路就可以很方便地建立一個(gè)CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)，其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)和適宜的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具，以及傳感器等領(lǐng)域。CAN總線電路原理圖如圖4所示。

2.3 三軸重力傳感器電路設(shè)計(jì)

三軸重力傳感器MPU6050的寄存器，與溫度、陀螺儀和外部感應(yīng)數(shù)據(jù)等3個(gè)傳感器的寄存器相同，都由用戶內(nèi)部不可見和外部用戶只讀等兩個(gè)寄存器構(gòu)成。內(nèi)部寄存器中數(shù)據(jù)在采樣時(shí)及時(shí)得到更新，僅在串行通信接口不忙碌時(shí)，才將內(nèi)部寄存器中的值復(fù)制到用戶可讀的寄存器中去，避免了直接對(duì)感應(yīng)測(cè)量值的突發(fā)訪問。在使用過程中，一般是通過MPU6050采集到的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過CPU處理后可以得到俯仰角和翻滾角，要把電子羅盤的數(shù)據(jù)整合進(jìn)來才可以得到航向角Yaw，即可以得到三軸變化的數(shù)據(jù)信息。其應(yīng)用原理圖如圖5所示。

圖4 CAN總線電路原理圖Fig.4 The schematic diagram of CAN bus circuit

圖5 MPU6050的應(yīng)用原理圖Fig.5 The application principle diagram of MPU6050

2.4 語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)電路的原理是由PWM時(shí)序占空比不同來代表不同的數(shù)據(jù)信息，然后驅(qū)動(dòng)buzzer，而buzzer則根據(jù)PWM頻率的不同發(fā)出不同的音調(diào)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)的功能。通過該模塊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)車載GPS自動(dòng)導(dǎo)航的語(yǔ)音提示和故障報(bào)警，語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)電路的原理圖如圖6所示。

圖6 語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)電路原理圖Fig.6 The schematic diagram of voice broadcasting system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文中的聯(lián)合收割機(jī)車載智能終端系統(tǒng)軟件采用面向?qū)ο蠛湍K化設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)考慮智能終端定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性，以及語(yǔ)音播報(bào)的人性化設(shè)計(jì)。在研發(fā)階段，開發(fā)環(huán)境采用Keil Uvision4平臺(tái)，可為Exynos 4412處理器提供強(qiáng)有力的開發(fā)環(huán)境。其集成了大量設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源代碼，在軟件設(shè)計(jì)過程中，僅僅需要簡(jiǎn)單調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，為開發(fā)和管理Exynos 4412嵌入式工程項(xiàng)目提供了極大便利。該系統(tǒng)軟件包括了Main主程序、GPS定位模塊、GSM/GPRS信息收發(fā)模塊、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)、三軸重力加速度傳感器及電子地圖等子程序。主程序通過使用各子程序函數(shù)入口，實(shí)現(xiàn)車載智能終端的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。車載智能終端控制系統(tǒng)軟件主流程圖如圖7所示。

圖7 多功能智能終端控制系統(tǒng)主軟件流程圖Fig.7 The main software flow chart of the multi-function

intelligent terminal control system

三軸重力傳感器軟件設(shè)計(jì)是子程序中設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的， MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了3個(gè)16 位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，為了精確跟蹤車輛行駛速度快慢的變化，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的。該模塊代碼如下：

int main(void)

{

REG_WRITE(GPX1PUD,REG_READ(GPX1PUD) & (～(0x3 << 2)));

REG_WRITE(GPX1CON,REG_READ(GPX1CON) & ～(0xf << 4) | (0xf << 4));

REG_WRITE(EXT_INT41_CON,REG_READ(EXT_INT41_CON) & ～(0x7 << 4) | (0x2 << 4));

REG_WRITE(EXT_INT41_MASK,REG_READ(EXT_INT41_MASK) & (～(0x1 << 1)));

REG_WRITE(ICDDCR,1);

REG_WRITE(ICDISER1_CPU0,REG_READ(ICDISER1_CPU0) & (～(0x1 << 25)) | (1<<25));

REG_WRITE(ICDIPTR14_CPU0,REG_READ(ICDIPTR14_CPU0) & (～(0xff << 8)) | (1<<8));

REG_WRITE(ICCICR_CPU0,1);

REG_WRITE(ICCPMR_CPU0,0xff);

REG_WRITE(GPX2CON,REG_READ(GPX2CON) & (～(0xf << 28)) | (0x1 << 28));

REG_WRITE(GPX2DAT,REG_READ(GPX2DAT) & (～(0x1 << 7)));

i2c5_init();

mydelay_ms(100);

uart2_init();

mydelay_ms(100);

MPU6050_Init();

mydelay_ms(100);

return 0;

}

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測(cè)試多功能智能終端測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和可靠性，以及其是否能夠滿足聯(lián)合收割機(jī)在實(shí)際收割作業(yè)中的工作要求，進(jìn)行了試驗(yàn)。其中，工作要求主要包括收割機(jī)行駛中的地速、谷物流量信息采集的精確度，以及根據(jù)二者計(jì)算得出的產(chǎn)量等。2017年4月26日在某小麥種植示范區(qū)進(jìn)行了一次實(shí)際的田間試驗(yàn)，并在作業(yè)過程中，觀察地速和谷物流量的精確值。多功能智能終端測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)主界面如圖8所示。

圖8 智能終端測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)主界面圖Fig.8 The main interface diagram of intelligent terminal test yield subsystem

在作業(yè)中，記錄測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)測(cè)得的收割總質(zhì)量、作業(yè)區(qū)域總面積和平均產(chǎn)量，并將收割的谷物裝進(jìn)包裝袋，最后由人工測(cè)得收割到谷物的總質(zhì)量，并根據(jù)作業(yè)區(qū)域面積計(jì)算出平均產(chǎn)量。為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算收割質(zhì)量，提高試驗(yàn)的說服力，該步驟重復(fù)進(jìn)行3次。田間試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 田間試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 The test data of field experiment

由表1數(shù)據(jù)可以看出：在田間試驗(yàn)中，系統(tǒng)測(cè)得產(chǎn)量和收割谷物實(shí)際產(chǎn)量相差較小，數(shù)據(jù)一致性較高，誤差基本在3個(gè)百分點(diǎn)上下，能夠滿足聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以判斷測(cè)產(chǎn)子系統(tǒng)測(cè)得的產(chǎn)量達(dá)到了較高的精度。該多功能智能終端系統(tǒng)不僅可以提供較好的人機(jī)交互界面，還能完成定位、導(dǎo)航、語(yǔ)音播報(bào)、呼叫維護(hù)、呼叫加油以及計(jì)算谷物產(chǎn)量等多種功能，為“智慧農(nóng)機(jī)”的實(shí)現(xiàn)提供了非常便利的條件。

5 結(jié)論

以聯(lián)合收割機(jī)多功能車載智能終端系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合收割機(jī)作業(yè)特點(diǎn)和智能控制系統(tǒng)的特性，確定該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)三軸重力傳感器電路設(shè)計(jì)、CAN總線設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)及語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)等重要電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。在相應(yīng)的平臺(tái)上，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化編程，最后實(shí)現(xiàn)了對(duì)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度管理，以及終端的谷物測(cè)產(chǎn)、呼叫維護(hù)、呼叫加油、定位、地圖導(dǎo)航、語(yǔ)音導(dǎo)航及智能導(dǎo)航等功能，為“智慧農(nóng)機(jī)”的實(shí)現(xiàn)提供了非常便利的條件。