基于多傳感器的秸稈打捆機計數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

　　摘要:為實現(xiàn)打捆機作業(yè)數(shù)量的精準計數(shù)，對其他打捆機計數(shù)方法進行分析，設計了基于多傳感器的秸稈打捆機計數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC15W4K61S4為微處理器為核心，集成角度傳感器模塊、霍爾傳感器模塊及全網(wǎng)通模塊，可實現(xiàn)對打捆機作業(yè)量的精準計數(shù)與實時查看，并根據(jù)卡爾曼濾波算法對角度傳感器艙門檢測進行優(yōu)化，實現(xiàn)打包計數(shù)精準上傳。系統(tǒng)測試結(jié)果表明:使用接近開關計數(shù)方法計數(shù)誤差為5．3%，未進行濾波處理的計數(shù)誤差為2．5%，使用卡爾曼濾波器后計數(shù)誤差為0%，使用卡爾曼濾波器優(yōu)化后的角度值進行艙門檢測可使打捆機打包計數(shù)精準度達到100%。最后，對系統(tǒng)進行了實地作業(yè)試驗，結(jié)果表明:系統(tǒng)在長時間作業(yè)情況下工作效果良好，滿足系統(tǒng)設計需求。

　　關鍵詞:秸稈打捆機;計數(shù)系統(tǒng);傳感器;卡爾曼濾波

　　引言

　　每年各地秋收后會產(chǎn)生大量秸稈，就地焚燒造成空氣污染和資源浪費，秸稈打捆機［1］的出現(xiàn)實現(xiàn)了對秸稈的回收利用［2］。對作業(yè)田地打包數(shù)量的統(tǒng)計可解決對每公頃地秸稈產(chǎn)量估測、秸稈包的去向分配及來年作業(yè)農(nóng)機分配等問題。近年來，國內(nèi)學者對打捆機作業(yè)監(jiān)控進行了研究。康康［3］等利用多傳感器和GIS實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)面積統(tǒng)計和農(nóng)機狀態(tài)的監(jiān)測。賈全忠［4］利用STM32、嵌入式CDMA通信技術及全球定位系統(tǒng)實現(xiàn)對農(nóng)機實時信息的收集和監(jiān)測調(diào)度。上述研究都集中于車輛作業(yè)面積和農(nóng)機車輛狀態(tài)的監(jiān)測，未針對打捆機的精確計數(shù)進行監(jiān)測;而計數(shù)工作目前大部分地區(qū)依舊以手工記錄為主，會出現(xiàn)漏記與數(shù)據(jù)管理不當?shù)膯栴}。國內(nèi)也有學者對此問題提出了解決方案，如李建軍［5］等利用傳感器技術與PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)對網(wǎng)絡型圓草捆打捆機進行控制與監(jiān)測，利用接近開關監(jiān)測纏網(wǎng)完成和艙門變化來確定1次打包作業(yè)完成;但打捆機在作業(yè)過程中因震動明顯艙門會出現(xiàn)縫隙，收稿日期:2019－01－14基金項目:吉林省科技發(fā)展計劃項目(20160623016TC，20170204038NY，20170204017NY);國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201710193040)作者簡介:孫藝哲(1993－)，男，山西運城人，碩士研究生，(E－mail)sunyizhe1226@163．com。通訊作者:宮鶴(1976－)，男，長春人，副教授，碩士生導師，(E－mail)gonghe@jlau．edu．cn。接近開關檢測到變化后會直接判定1包作業(yè)完成，產(chǎn)生誤判。針對此問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計了一套秸稈打捆機計數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，采用角度傳感器監(jiān)測艙門吐包時的角度變化，結(jié)合纏網(wǎng)信息判定1包作業(yè)完成。同時，利用卡爾曼濾波算法對角度數(shù)據(jù)進行濾波處理，防止抖動問題對打包數(shù)量造成誤差。作業(yè)完成后，上傳數(shù)據(jù)至服務器端，在服務器應用Web和Android技術實現(xiàn)遠程監(jiān)測和查看，實現(xiàn)對打捆機作業(yè)精準計數(shù)與遠程管理，使打捆機作業(yè)向信息化與智能化發(fā)展［6－7］。

　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

　　1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)的秸稈打捆機監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

　　1．2卡爾曼濾波算法度變化

　　作業(yè)過程中，大田路況復雜，作業(yè)車輛自身存在抖動，會導致角度傳感器在采集數(shù)據(jù)時出現(xiàn)毛刺信息，造成打包誤判。因此，加入卡爾曼濾波算法對采集數(shù)值進行濾波，減少毛刺信息［8－12］，來規(guī)避誤判操作的發(fā)生。

　　2系統(tǒng)設計

　　2．1采集節(jié)點硬件設計

　　硬件終端主要由主控芯片、全網(wǎng)通模塊和安裝在打捆機上的傳感器組成。因設備供電由拖拉機電瓶提供，所以針對不同傳感器工作電壓設計了電平轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)12V電平轉(zhuǎn)5V電平、3．3V電平，從而給主控芯片和傳感器供電。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　主控芯片實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)處理和打包判斷。傳感器選用高精度傳感器對農(nóng)機作業(yè)過程中各項數(shù)據(jù)進行采集，全網(wǎng)通模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。圖3為硬件終端實物圖。

　　2．2系統(tǒng)軟件設計

　　整套系統(tǒng)軟件分為兩部分:①硬件終端以Keil5為開發(fā)環(huán)境，采用單片機C語言開發(fā);②遠程服務器程序主要用來進行數(shù)據(jù)接收、解析、分析及存儲等功能，同時構(gòu)建人機交互界面，實現(xiàn)遠程監(jiān)測的目的。

　　3系統(tǒng)測試

　　為驗證加入卡爾曼濾波算法后是否提高了對作業(yè)完成動作判斷的準確率，于2018年10月在農(nóng)安新農(nóng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)前韓家進行了實地測試。圖7為現(xiàn)場作業(yè)圖片。

　　4結(jié)論

　　針對監(jiān)測打捆機作業(yè)數(shù)據(jù)不準確的問題，設計實現(xiàn)了基于多傳感器的秸稈打捆機計數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，并從硬件的傳感器選型、相關算法研究、硬件設計及軟件實現(xiàn)方案等角度闡述了系統(tǒng)的設計思路。使用卡爾曼濾波算法還原角度傳感器采集到的數(shù)據(jù)真實度，確保判斷1包作業(yè)完成的準確性。實地測試表明:系統(tǒng)可連續(xù)、穩(wěn)定地工作。

　　參考文獻:

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　　［2］新農(nóng)．實施“841”工作法破解秸稈禁燒難題［J］．當代農(nóng)機，2012(12):6－7．

　　［3］康康，陳忠國，王林鳳，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的移動式農(nóng)機設備監(jiān)控系統(tǒng)［J］．江蘇農(nóng)業(yè)科學，2018，46(1):169－173．

　?。?］賈全忠．基于STM32的農(nóng)業(yè)機械設備監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］．農(nóng)機化研究，2015，37(8):216－219．

　?。?］李建軍，姜永成，孟慶祥，等．網(wǎng)絡型圓草捆打捆機控制系統(tǒng)關鍵技術研究［J］．農(nóng)機化研究，2019，41(6):60－66．

　?。?］李道亮．農(nóng)業(yè)4．0—即將到來的智能農(nóng)業(yè)時代［J］．農(nóng)學學報，2018，8(1):207－214．

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