果園開溝深度寬度監測裝備設計與試驗*

周馨曌，坎雜，蒙賀偉，戚江濤，趙旭洋，李亞萍

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子，832000；2.綠洲特色經濟作物生產機械化教育部工程中心，新疆石河子，832000)

0 引言

近年來，我國水果種植業得到了迅速的發展，水果成為中國繼糧食和蔬菜之后的第三大農作物[1]，截至2018年底，我國水果種植面積達11 874.93 khm2[2]。隨著林果種植面積的增加，果園管理機械的市場需求不斷增大，為了滿足市場需求，相關農業機械取得了快速的發展[3]，其中果園開溝機成為人們的重點關注對象之一。

機械化開溝作業不僅能夠縮短工作周期、減少人工成本、降低人工勞動強度，同時高質量的開溝作業還是保證果樹保質增產的重要舉措[4-6]。但在開溝作業過程中，若開溝機械的作業參數不能達到標準，則會對果樹施肥效果、果樹生長效果以及果品品質造成影響。傳統的開溝作業質量參數數據的采集主要是通過人工測量開溝深度、開溝寬度等指標，但這種方法存在效率低下、工作量大、測量精度低、實時性差等問題，因此，農業機械監測系統對提高農業智能化自動化水平具有重要意義。

目前，國內外學者針對農業機械監測系統進行了相關的研究，Xiang等[7]開發了一款AMR11和GNSS的農業機械運行狀態實時監測系統，能夠實時顯示和儲存位置坐標、作業區域以及工作路徑，計算出現場總面積、工作速度、實時工作面積等參數信息。Wang等[8]提出了一種農業機械監控調度系統，實現了農業機械數據的實時采集和遠程實時監控調度。Grevisjames等[9]設計了一種拖拉機性能監視設備，該監視設備可以實時監測拖拉機的地面速度，牽引桿拉力，車輪滑移，燃料消耗和發動機轉速等參數。Singh等[10]研制的主耕設備數據監測系統，可實現對三點聯動力、地面速度、耕作深度、油耗、前進速度、滑移、發動機轉速、液壓和流體溫度等參數的測量。盧臘[11]設計了基于LabVIEW的聯合收割機田間作業狀態監測系統，實現了六路轉軸扭矩/轉速的監測，并具備關鍵部位視頻監測的功能，系統穩定性高，轉速測量結果相對準確。吳寶山[12]研制了播種機作業狀態監測系統，搭建了播種機作業狀態判別算法，實現了對播種機作業工況的遠程監測與數據管理。劉碧貞等[13]研制了谷物收割機作業綜合管理系統，實現了機械地理位置、收割面積等數據的采集，以及作業軌跡和產量分布的繪制，系統產量測量誤差小，性能穩定。從以上學者的研究可以發現，智能化農機作業監測系統對于提高農業機械作業質量、降低人工成本、提升農業機械智能化水平具有重要意義，同時也為本系統的開展提供了參考依據。

為解決開溝作業過程中存在的開溝深度、開溝寬度人工監測工作量大、實時性較差等問題，本文結合相關學者的研究，研制了果園開溝深度寬度監測裝備，該裝備搭建了果園開溝深度寬度監測平臺，開發了果園開溝深度寬度監測系統，實現開溝深度、開溝寬度、作業時間等參數的實時監測、計算、顯示與保存，為果園開溝作業質量的實時監測奠定了基礎。

1 裝備總體設計

為了實現開溝深度、寬度數據的實時采集、顯示與保存，本裝備主要由果園開溝深度寬度監測系統及果園開溝深度寬度監測平臺組成。其中監測系統由Arduino單片機下位機數據測量系統與LabVIEW上位機人機交互系統組成，主要實現了數據的實時監測、顯示與保存；結合開溝作業特點，對監測平臺裝置結構進行設計，為監測系統提供安裝平臺，最終完成果園開溝深度寬度監測裝備的功能與設計。監測裝備總體結構如圖1所示。

圖1 監測裝備總體結構Fig.1 Overall structure of monitoring equipment

2 果園開溝深度寬度監測平臺設計

由于在開溝作業過程中，開溝機機架、刀盤及導流罩作業灰塵較大，開溝機作業現場測量環境較為惡劣，若超聲波傳感器安裝在機架及刀盤附近，會導致測量數據誤差較大，系統監測性能降低等問題。

為了降低作業過程中灰塵對監測系統性能的影響，本文設計了果園開溝深度寬度監測平臺，實現對地形的仿形功能，并為監測系統提供安裝平臺。該裝置主要由機架、控制盒、掛接節點、配重、傳感器平衡裝置等組成，其結構如圖2所示。

圖2 果園開溝深度寬度監測平臺結構示意圖Fig.2 Structural diagram of orchard ditching depth and width monitoring platform1.配重 2.機架 3.掛接節點 4.控制盒 5.傳感器平衡裝置

控制盒用于安裝果園開溝深度寬度監測系統下位機系統；掛接節點用于連接牽引繩，使監測平臺與開溝刀盤機架相連接，實現開溝作業過程中監測平臺與開溝機一同前進；配重用于防止車速較快時導致監測平臺側翻；傳感器平衡裝置用于安裝超聲波傳感器，該裝置示意圖如圖3所示。為了降低地面起伏對測量結構的影響，裝置在傳感器平衡裝置中添加了鉸接結構，當果園開溝深度寬度監測平臺機架傾斜時，傳感器平衡裝置的鉸接結構由于自身重力原因，使該裝置水平面時刻與地面保持平行，防止由于機架傾斜對超聲波測深、測寬造成的影響。

圖3 傳感器平衡裝置結構示意圖Fig.3 Structural diagram of sensor balancing device1.測深傳感器 2.左側溝寬測量傳感器 3.右側溝寬測量傳感器

在對監測平臺結構進行設計后，對裝備的參數進行選擇。在實際應用中，果園開溝寬度一般在25～35 cm，且開溝作業時，拋撒的土壤會堆積在溝的兩側，若平臺寬度過窄，則平臺前進時單向輪騎行在堆積土壤上，影響監測平臺前進的平穩性；同時，考慮到開溝深度不同時，土壤在溝兩側堆積量和堆積高度不同，為防止監測平臺距離地面距離過低，將堆積土壤刮蹭回溝內的情況，設計監測平臺機架底部高度可調；同時，為了使傳感器能夠與溝面平行，傳感器平衡裝置長短可調；在對監測平臺可行性進行預驗證時，發現當開溝作業速度較快時，監測平臺存在側翻的問題，因此在監測平臺上裝備配重模塊，進一步提高平臺的可靠性。綜合考慮以上因素，監測平臺參數如表1所示。

表1 監測平臺主要參數Tab.1 Main parameters of monitoring platform

3 果園開溝深度寬度監測系統設計

果園開溝深度寬度監測系統主要由Arduino單片機下位機數據測量系統與LabVIEW上位機人機交互系統組成。Arduino單片機下位機數據測量系統實現溝深、溝寬數據的采集，并將數據通過串口上傳給LabVIEW上位機人機交互系統。上位機系統接收下位機數據，實現數據解算、顯示及保存功能，其結構示意圖如圖4所示。

圖4 果園開溝深度寬度監測系統總體結構Fig.4 General structure of orchard ditching depth and width monitoring

3.1 果園開溝深度寬度監測下位機系統設計

3.1.1 硬件設計

果園開溝深度寬度監測下位機系統硬件部分主要由超聲波傳感器、單片機及串口通訊模塊組成，系統連線示意圖如圖5所示。其中溝深、溝寬傳感器選擇KS103超聲波傳感器，該傳感器在滿足快速近距探測的同時自帶實時溫度補償，能夠較好地滿足系統需求；單片機采用Arduino Nano，該單片機尺寸小巧功能強悍，同時提供Mini-B標準的USB接口進行供電；串口通訊通過Arduino Nano單片機的USB串口通訊模塊實現，主要由FT232RL芯片與MINI-USB串口組成，完成上、下位機之間的數據通訊。

圖5 下位機系統連線示意圖Fig.5 Wiring diagram of lower computer system

3.1.2 軟件設計

果園開溝深度寬度監測下位機系統在Arduino IDE軟件中進行開發，采用C/C++的計算機編程語言對系統程序進行編寫，主要實現數據測量、數據傳輸等功能。

超聲波傳感器與單片機通訊采用I2C通信模式，設置I2C地址分別為0xe8、0xfa、0xfe。其測量原理為：超聲波發射裝置發射出超聲波，記錄當前發射時間t1，當超聲波遇到被測物后，回波返回發射方向，傳感器接收到反射波后記錄此時時間t2，時間間隔為t2-t1，結合超聲波在當前環境下的傳播速度v，即可計算出傳感器與被測物之間距離，計算公式如式(1)所示。

S=v(t2-t1)

(1)

在實際應用中，果園開溝深度不大于40 cm，開溝作業環境溫度不恒定，而超聲波聲速受到環境溫度的影響[14-15]，進而影響測量數據準確性，為進一步提高數據準確性，文中選擇0xb4探測指令實現帶有高精度溫度補償的距離探測，使探測值更穩定更精確。由于系統選擇USB接口對系統元器件進行供電，因此降噪指令選擇0x71二級降噪，超聲波傳感器工作流程示意圖如圖6所示，當系統上電啟動后，對傳感器寄存器進行初始化，根據監測要求設置傳感器探測模式，發送數據接收指令讀取寄存器數據并合成，實現深度、寬度數據的采集。

圖6 超聲波傳感器工作流程Fig.6 Workflow of ultrasonic sensor

下位機系統工作流程如圖7所示。

圖7 下位機系統工作流程Fig.7 Workflow of lower computer system

通過設置狀態機實現不同傳感器數據的讀取與傳輸，本文將狀態機分為4個狀態，其中狀態0為等待狀態，狀態1為讀取1號KS103超聲波傳感器數據，狀態2為讀取2號KS103超聲波傳感器數據，狀態3為讀取3號KS103超聲波傳感器數據，狀態4將以上傳感器數據傳輸至串口，通過對以上狀態的循環執行，實現對開溝深度、開溝寬度等參數的實時監測與數據傳輸功能。

3.2 果園開溝深度寬度監測上位機系統設計

果園開溝深度寬度監測上位機系統負責接收、解析以及實時顯示開溝深度、開溝寬度數據、作業時間，同時負責開溝深度穩定性的實時計算，并對以上數據進行顯示及保存功能；該系統主要由用戶登陸模塊、參數設置模塊、數據計算模塊、數據庫保存模塊等幾部分組成。

系統工作原理為：當系統運行時，首先輸入用戶名與密碼，成功登陸密碼后，對系統參數進行設置，對下位機系統傳輸的數據進行接收、計算、顯示，最后通過Access數據庫實現數據的保存，系統工作流程圖及系統界面如圖8所示。

(a)工作流程

數據解析部分通過設置不同的數據幀頭，對下位機上傳的數據進行幀頭匹配，實現對3個傳感器數據的識別，并從當前字符串中將有效數據剝離，供系統進行下一步處理，該部分流程框圖如圖9所示。

圖9 數據解析程序框圖Fig.9 Block diagram of data analysis program

參數設置主要包括開溝深度上限、數據幀頭、通訊串口以及數據庫名稱。開溝深度上限的設置能夠在系統計算開溝深度穩定性時，將過大的無效數據進行剔除，防止錯誤數據對計算結果進行干擾，其程序框圖如圖10所示。其原理為：當測量的溝深數據在零至開溝深度上限數值范圍內時，則視為有效數據，計算開溝深度穩定性，否則視為無效數據不進行計算，其中開溝深度穩定性按照NY/T 740—2003農業行業標準進行計算。

圖10 開溝深度穩定性計算程序框圖Fig.10 Block diagram of stability calculation program for trenching depth

數據保存通過INSERT INTO語言將監測到的數據插入到用戶所選擇的數據庫中，該部分程序框圖及數據庫數據保存情況如圖11所示。

(a)數據保存程序框圖

4 性能測試

為了驗證裝備的穩定性與可靠性，試驗在新疆維吾爾自治區石河子市對果園開溝深度寬度監測裝備進行性能試驗，試驗現場如圖12所示。通過開溝機對25 cm、30 cm、35 cm三個開溝深度水平進行作業，每個深度水平設置3個測量點，每個測量點取值5次，求取該測量點溝深、溝寬平均值，將實際值與系統測量值進行對比，結果如表2所示。

圖12 試驗現場示意圖Fig.12 Schematic diagram of test site

通過表2可以看出，果園開溝深度寬度監測裝備能夠滿足開溝作業過程中開溝深度、開溝寬度實時監測的需求，開溝深度為25 cm時其測量誤差最大為 3.1 cm，開溝深度為30 cm時其測量誤差最大為2.7 cm，開溝深度為35 cm時其測量誤差最大為3.7 cm，開溝寬度的測量誤差最大為3.1 cm，能夠滿足實際應用需求。

表2 性能試驗結果Tab.2 Performance test results cm

5 結論

1)本文搭建了果園開溝深度寬度監測平臺，開發了果園開溝深度寬度監測系統，完成了果園開溝深度寬度監測裝備的設計，實現了開溝深度、開溝寬度、作業時間等參數的實時監測、計算、顯示與保存，能夠滿足實際應用需求，為果園開溝作業質量監測奠定了基礎。

2)為了降低作業過程中灰塵對監測系統性能的影響，對果園開溝深度寬度監測平臺進行了設計，實現了對地形的仿形功能，為監測系統提供安裝平臺，并配有傳感器平衡裝置，降低了機架傾斜對數據測量造成的影響。

3)以Arduino Nano單片機為核心，對下位機硬件部分及軟件部分進行了設計，完成了果園開溝深度寬度監測下位機數據測量系統的搭建，實現對開溝深度、開溝寬度等參數的實時監測與數據通訊功能。

4)基于下位機系統，搭建了果園開溝深度寬度監測上位機人機交互系統，通過用戶登陸模塊、參數設置模塊、數據計算模塊、數據庫保存模塊，通過對數據接收、解析，實現了開溝深度、開溝寬度數據的實時顯示，同時負責開溝深度平均值、開溝深度標準差、開溝深度穩定性、作業時間等參數的實時監測計算、顯示以及數據庫保存功能。

5)通過進行田間試驗表明，果園開溝深度寬度監測裝備能夠滿足開溝作業過程中開溝深度、開溝寬度實時監測需求，開溝深度為25 cm時測量誤差不超過3.1 cm，開溝深度為30 cm時測量誤差不超過2.7 cm，開溝深度為35 cm時測量誤差不超過3.7 cm，開溝寬度的測量誤差不超過3.1 cm，實時性較好。