基于嵌入式電子測量的農機開發

景琴琴，詹躍明，郭松梅

(重慶能源職業學院，重慶 402260)

0 引言

我國的農業機械化發展相較于西方國家來說晚了許多年，以至于美國、英國等西方發達國家早已經實現機械化的農業生產，而我國的農業生產雖然農機設備的普及率較高，但仍不如西方發達國家，并且遠未實現非西方國家的精準農業。現階段，我國的農業發展方向是精準農業，其離不開嵌入式電子測量等先進科學技術的輔助。精準化農業可以提高農業的生產生活效率，大大降低農業的生產成本，能夠提高農作物的質量，保證農作物的新鮮和綠色，從而確保農作物天然無公害，符合現在人們對天然無公害的農作物的生活需求及農業可持續發展要求，也符合我國大的可持續發展戰略，更符合習主席近年來提出的“綠水藍天”的要求。

從農作物的選種開始到農作物的收獲，是一個較長的生長時間，需要用嵌入式電子測量的農機去幫助和輔助農民選種、耕田、施肥、除害蟲、澆水及收獲等。目前，嵌入式電子測量農機的普及率較低，很難滿足我國農業在此方面的大量需求[1]。

電子測量技術有著許多不可比擬的優越性，許多非電量的測量也可以通過傳感器轉換成電信號再利用電子技術進行測量。許多人們不能去測量或者無法直接測量的地方，都可以用嵌入式電子測量的方式去測量，從而實現對電參數的穩態測量。

隨著科學的進步，許多新型技術(如單片機、嵌入式技術和PC機等)都作為核心被應用在農業機械的監控上。單片機的功能過于簡單，以其為核心的監控系統擴展和升級難度大，運行穩定性也不理想。以PC機為核心的監控系統成本太高，同時冗余的功能多，影響了推廣范圍。與這兩種技術相比，嵌入式技術的系統集成具有較為明顯的優勢。

我國現階段的農業現狀以大平原農業為主，輔之以山區農業、畜牧業和漁業，作業環境復雜，所需機械各類繁多，發展精準農業勢在必行，從而促進了電子技術及計算機技術的廣泛應用。

嵌入式電子測量農機能夠根據需要合理地選擇儀器及測量方法，判斷并排除在農產品的成長過程中出現的各種問題，且能夠對測量數據進行統計分析，大大提高了農業的生產效率。

1 農機系統組成和原理

嵌入式電子測量的農機以嵌入式處理器為核心，由蓄電池提供電源，顯示終端則在農機駕駛室。駕駛員可以利用全新的電子駕駛技術和電子測量技術對農產品進行測量，收集農產品的各個參數信息，將農產品的生長時機所需的營養成分和其他條件要求傳輸給微處理器。微處理器對數據進行分析總結，對參數的數據進行實時顯示。控制面板能夠顯示數據，傳遞給駕駛員，駕駛員可根據返回的數據對農產品進行分析及操作。系統的應用程序和操作軟件安裝在儲存器中[2]，其構成如圖1所示。

2 系統硬件設計

該系統以微處理器為核心，加上嵌入式的硬件設備和軟件操作程序，安裝在農機上。該處理設備運用高級芯片來收集農產品生長所需的數據(如溫室大棚的蔬菜所需要的溫度及水分等)。基于嵌入式電子測量的農機顯示器要求高清設備，能夠更好、更全面地去顯示農機采集設備所收集的信息，給駕駛員更加清楚的行動指令，從而確保農機操作的精確化。

電子采集設備需要使用3.5V的電壓設備，農機的12V蓄電池作為其電源設備。顯示設備采用電子液晶顯示器，也需要用12V的農機蓄電池作為電源。微處理器外界顯示屏用于數據的顯示，顯著提高了屏幕的清晰程度和屏幕效果。同時，顯示設備內裝有電子鬧鐘系統，若數據不足之時，電子鬧鐘系統則會自動提醒駕駛員處理，避免了時間差問題[3]。

控制面板需要駕駛員根據個人使用習慣對按鍵進行排版設定，讓駕駛員能夠在第一時間內根據顯示數據做出最快的處理。控制面板和儲存器并聯設置，這樣顯示器顯示的數據能夠在第一時間進行備份。這些數據對于同一類農產品、相同環境下的成長是至關重要的，儲存器需要及時進行數據的分析和處理，并在數據分析和處理完之后在第一時間內進行儲存。該儲存設備需要有較大的容量，這樣才能夠讓數據進行永久性地保留。

系統數據線選擇光纜，使數據的分析處理結果在第一時間內進行傳遞，且該數據的傳遞線也需要有著較強的抗干擾能力，才能夠讓數據在傳遞過程中保持相對安全，不至于在傳遞過程中出現被干擾的現象[4]。

圖1 農機系統的組成部分

3 軟件和算法

目前，嵌入式系統的操作系統主要有面向控制及通信的實時操作系統，但基于嵌入式電子測量的農機的系統需要能夠進行高端設備處理且能夠對產品進行升級及數學公式的運算，從而增加監控的信息種類。

以拖拉機為例，路徑規劃與跟蹤模塊根據已規劃壟行及當前拖拉機GPS位置信息，動態實時顯示拖拉機的工作位置、作業路徑及壟行跟蹤偏差，并及時提示駕駛員調整駕駛策略，以保障拖拉機準確巡航。路徑回放功能過程再現與檢查：系統通過AB直線壟行預規劃的方法決策拖拉機在田間的工作路徑并進行跟蹤顯示，當拖拉機壟行跟蹤偏差大于作業要求時，系統需重新規劃路徑。

嵌入式電子測量的農機部件有很多，結構復雜，但在中心內部微處理器的幫助之下，駕駛員能夠更好地了解和處理出現的一些問題。同時，運用軟件能處理對產品的調查。首先是產品的數據分析，可對農產品的生產、成長有很大的幫助，運用數學公式對農產品數據進行分析處理，從而更加精確地去計算農產品所需要的營養成分。微處理器需要和儲存器更好地配合，微處理器需要能夠及時有效地去分析數據，并運行CPU處理數據，從而對數據進行更加良好的處理分析。

4 系統測試

本產品將更多地應用于農業生產之中，應用于轉基因農業發展，應用于溫室大棚生產，這樣生產生活的運營形勢才能得到更好的轉變[5]。

基于嵌入式電子測量的農機能夠更好用于農業及相關領域，能夠為農業發展提供更好的幫助，對于我國的農業發展有更多的借鑒意義。如果系統能夠在溫室大棚農業中測量大棚內部的溫度、濕度及CO2含量，及時地對大棚內部環境進行反饋，從而實現對大棚內部環境及時有效的調整。測試發現：嵌入式電子測量農機在工作流程中更加流暢，作業效率極高，測量越來越精確，效果令人滿意[6]。測試結果如表1所示。

表1 嵌入式電子測量的農機溫室大棚測試

Table 1 Agricultural machinery system test of embedded electronic measurement in greenhouse

速度/m·s-1蔬菜作業效率/hm2·h-1故障次數花卉作業效率/hm2·h-1故障次數1.20.3510.4301.60.4200.5311.80.4800.610

5 結論

基于嵌入式技術和電子測量技術，介紹了一個依托于嵌入式電子測量的農機應用技術，用于對農產品的數據測量。

系統以嵌入式電子測量為主，以微處理器為核心，由顯示器、控制面板、連接器和儲存器等部件構成，應用效果良好，降低了農產品生產成本，提高了資源的利用率及自動化水平。基于嵌入式電子測量的農機有更好的市場前景，頻率范圍寬，測量量程廣，測量精準度高，測量速度快、易于實現遙測和長期不間斷測量，相對于原來的農機有著很大的優越性[7]，是精準農業的發展方向。