基于ARM的聯合收割機谷物產量計量系統的研究

方華麗，雷 蕾

(河南工業職業技術學院，河南 南陽，473000)

0 引言

隨著農地集約化管理的深入改革,現代化農業對大型農機的需求將繼續加大。聯合收割機是農業現代化的重要機械設備，實時獲取農業種植區域的產量信息是聯合收割機的核心功能，也是來年精準變量作業的主要依據。為此，以解決聯合收割機谷物產量計量為出發點，采用了一種壓力測產傳感器，設計了一套基于ARM的聯合收割機谷物產量計量系統，并開展了田間動態試驗，以驗證系統的穩定性和可靠性。

1 測產傳感器對比與選型

1.1 兩種測產傳感器對比

聯合收割機測產傳感器主要有壓力傳感器和聲學傳感器兩種，本文研究對比的兩種傳感器都包含1塊用于測量谷粒流量的60mm×40mm的矩形沖擊板。壓力傳感器由聚氯乙烯制成的沖擊板和具有八角形環的應變式力傳感器組成，結構示意如圖1(a)所示。聲學傳感器由鋼板和壓電晶體耳機組成，結構示意如圖1(b)所示。

兩個傳感器的采樣頻率均為10kHz。其中，壓力傳感器設置了一個2kHz的低通濾波器，而聲學傳感器則沒有設置2kHz的低通濾波器。為了減少螺旋鉆產生的振動噪音，特地將測產傳感器獨立安裝在糧箱上的橫梁上，為了選擇合適的傳感器，同時安裝了壓力和聲學兩個測產傳感器，通過對比試驗選擇效果較好的傳感器，安裝效果圖如圖2所示。

(a) 壓力傳感器結構

(b) 聲學傳感器圖1 兩種傳感器結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of two kinds of sensor structures

圖2 傳感器安裝位置Fig.2 Sensor installation position

當谷粒攪拌器以低速(7～10Hz)旋轉時，谷物的動量不足，無法通過傳感器產生明顯的重量信號，因此在螺旋鉆的上端添加一個機翼，以便其可沿徑向散射顆粒(見圖3)；另外，采用磁性拾取裝置檢測谷粒刨機的時間和轉速，方便測量谷粒的質量信息。

圖3 谷物螺旋發射谷粒示意圖Fig.3 The grain sketch diagram of grain spiral emission

通過實際的應用對比，發現壓力傳感器的測量精度較聲學傳感器要高，因此選用壓力傳感器作為聯合收割機谷物產量計量系統的測量設備。

1.2 測產傳感器應用原理

聯合收割機在正常作業過程中，作物從收割臺進入，由輸送裝置喂入至脫粒裝置處，經過脫粒、谷穗分離后集中到儲藏倉，然后由傳送帶將糧食送到運輸車上。測產傳感器應用結構如圖4所示。作物產量由測產系統通過收獲的作物質量、面積及谷物含水率計算得到。產量計算表達式如下：

Y(xi,yi)=KM/WS

(1)

其中，Y為聯合收割機瞬時產量值(kg/m2)；(xi,yi)為瞬時產量測量時收割機的坐標；M為壓力傳感器測得谷粒的流量值(kg/s)；W為割臺寬度(m)；S為聯合收割機前行速度(km/h)；K為產量計算的單位轉換系數。

圖4 測產傳感器應用結構框架圖Fig.4 The structure frame diagram of sensor application

2 產量計量系統整體框架

聯合收割機谷物產量計量系統主要包括遠程監控與管理系統、測產子系統和智能手機終端查詢子系統等3個部分，是基于GPS、GPRS、傳感器和ARM微處理器組成的集成系統。聯合收割機測產系統整體框架如圖5所示。

圖5 聯合收割機測產系統整體框架圖Fig.5 The overall frame chart of the production system of a combined harvester

當聯合收割機測產系統工作時，ARM微處理器采集傳感器組的谷物流量、收割機前行速度、割臺高度和收割機前行速度等參數信息，然后微處理器進行單位面積的干重產量計算，最后將產量實時顯示在顯示終端上和存儲至SD卡；此外，測產子系統還會通過GPRS無線傳輸網絡實現與遠程監控和管理系統的通信，實時將產量信息發送到遠程監控和管理系統。

聯合收割機谷物產量計量系統各部分功能如圖6所示。

圖6 聯合收割機谷物產量計量系統各部分功能Fig.6 The functions of combine harvester grain output measurement system

3 谷物產量計量系統的軟硬件設計

3.1 谷物產量計量系統硬件設計

聯合收割機谷物產量計量系統的硬件部分主要由S5PV210微處理器、存儲單元、外圍電路、CF卡、壓力傳感器、GPS、速度傳感器、WiFi無線模塊、復位電路、電源管理電路，以及液晶顯示屏組成。聯合收割機谷物產量計量系統的硬件框架如圖7所示。

圖7 聯合收割機谷物產量計量系統硬件框架圖Fig.7 The hardware frame diagram of grain yield measurement system for

combine harvester

1)壓力傳感器信號處理電路。產量計量的壓力傳感器電路是整個系統最為核心的部分，作物收割質量由數據采集電路將質量信號轉化為峰值信號，而該峰值電壓是表征谷物撞擊信號的另一個重要指標。由于谷粒碰撞和初始速度的隨機性，產生的信號峰值電壓可能是正的或負的。為了精確地獲取峰值電壓，設計了一個由精確檢測器和加法器組成的信號處理的放大器，其電路如圖8所示。壓力傳感器信號處理電路的原理為

(2)

圖8 壓力傳感器信號處理電路Fig.8 The signal processing circuit of pressure sensor

2)GPS單元功能設計。本文采用GPS差分定位實現聯合收割機的位置坐標定位功能，其工作原理為：安裝1臺GPS信號接收器在地面的已知點作為基準站，并與安裝在聯合收割機上的GPS接收器進行同步測量。基準站的GPS可以測出所有移動衛星的偽距ρi和采集星歷文件，然后根據采集的星歷文件計算衛星的某一時刻的位置坐標(Xi,Yi,Zi)。GPS運行原理結構如圖9所示。

圖9 GPS運行原理結構Fig.9 The principle structure of GPS operatio

根據基準站的坐標(Xb,Yb,Zb)和衛星的瞬時坐標(Xi,Yi,Zi)可以計算出基準站的實際距離，即

(3)

其中，i為第i顆衛星。

偽距修改值為

Δρi=Ri-ρi

(4)

偽距修改值的變化率為

(5)

安裝在聯合收割機上的GPS接收器根據偽距修改值△ρi和變化率△ρi′，對計算出的偽距ρimeas(t)繼續修正，得到修正表達式為

(6)

可以得到聯合收割機上的GPS坐標為

(7)

其中，dτ和v為GPS接收器的時鐘差值與噪聲。

根據式(7)便可以算出聯合收割機上的GPS坐標(X,Y,Z)。

3.2 谷物產量計量系統軟件設計

測產子系統是聯合收割機谷物產量計量系統軟件設計的核心，本系統設計各傳感器采集頻率為0.1s，A/D轉換去采集8次取平均值的結果，谷物產量值記為Mi。測產子系統程序流程如圖10所示。

圖10 測產系統主程序流程圖Fig.10 The flow chart of the main program of the production system

4 試驗與結果分析

聯合收割機谷物產量計量系統田間試驗于2018年5月小麥收獲季節在某小麥種植示范區進行，小麥品種為冬麥230，小麥面積20hm2，天氣晴，溫度26～30℃；聯合收割機割臺寬度為220cm，喂入量為6kg/s。為了提高試驗的可靠性和準確性，共進行5次測試，測試結果如表1所示。

表1 田間動態試驗結果Table 1 The field dynamic test results

從表1可以看出：聯合收割機谷物產量計量系統誤差范圍為3.93%～3.91%，控制在4%以內，誤差波動較小，準確率較高，能夠達到設計要求，符合聯合收割機的實際測產要求。

5 結論

1)針對聯合收割機測產需求，以作物測產系統為研究對象，利用壓力測產傳感器，基于S5PV210嵌入式處理器，設計了一套聯合收割機谷物產量計量系統，實現了谷物產量的實時計量。

2)田間動態試驗結果表明：聯合收割機谷物產量計量系統誤差范圍為3.93%～3.91%，控制在4%以內，誤差波動較小，準確率較高，能夠達到設計要求，符合聯合收割機的實際測產要求。