基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，属于农业机械智能监控领域。该装置将传感器技术、无线通信技术和嵌入式技术相结合，采用PXA270+CPLD+IPC的体系结构；在Windows CE系统环境下，通过无线通信协议、C++语言编程及处理线程管理整个装置软硬件资源，实现了集数据采集、计量、报警、控制及通信功能于一体；数据采集和控制分别由一片处理器控制，保证各监控点实时、准确和高效，增加监控点容易，出现故障检修方便，占用空间小，可安装在机车侧面的自制封闭控制箱内，避免田间潮湿、灰尘等环境因素影响；运行可靠，不会再出现轮询检测不报警或机车开始作业时种肥管空报警的问题。完全能满足北方寒地气吸式免耕玉米播种机的实际田间种肥作业监控要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业机械智能监控
，具体涉及一种气吸式免耕玉米播种机智能监控装置。
技术介绍
我国玉米总产量居世界第2位，玉米播种连续田间作业面积大，特别适合大马力玉米精播机械作业，并已成为实现增产增收的关键。目前，国内使用的玉米精播机大多数是机械式和气力式的，播种作业过程是全封闭的，一旦播种过程出现“断条”漏播、漏施现象，仅凭人的视听无法直接连续监测，尤其对播种、施肥作业使用的免耕玉米播种机来说，由于作业地表秸秆覆盖，环境条件比精播机工作时更加恶劣，会频繁发生一行或数行“断条”漏播、漏施现象。据有关部门的统计显示，我国年平均漏播率为1%，接近于日本的总耕种面积。随着电子信息技术和播种技术的发展，玉米播种技术在工作效率和智能化水平也有了新的发展空间。国内外许多专家学者依据单片机在各个领域控制监测装置的优势，不断将此技术应用到播种、施肥作业，再加上播种自动漏播补种系统的实现，解决了玉米精播机在播种、施肥作业时出现“断条”漏播、漏施及用户对施肥量不能控制的问题。同时，由于玉米精播机采用先进的监控技术，将大大减少种肥的使用量，提高种肥的利用率，也从一定程度上减少过量使用化肥而造成的环境污染。在最初设计玉米播种机监控装置时，考虑采用单片机实现监控功能强、成本低、体积小，下位机选用15片单片机实现12个种箱、12根种管、3个肥箱和12根肥管的监控，上位机用嵌入式工控机实现种肥计量、报警等显示功能，通过CAN总线完成上位机与下位机之间的通信。经田间使用发现，15片单片机供电接线多，再加上有线通信，布线复杂，安放位置不容易确定，供电接线多，尤其在系统测试时，系统工作是通过轮询的方式采集各监测点的信息，程序运行时间多处使用延时程序，延时时间决定各监测点的信息能否被采集到。比如，同样的报警程序在第15个监测点正常报警，而在第1个监测点会出现不报警的现象，可靠性差，反应速度慢、实时性不强，容易出现系统故障，从而影响实时监控的性能。另外，为了提高大型玉米播种机作业质量，依据实际田间播种作业所需，还应增加耕深、播深及玉米播种机械性能参数监控，单片机数量会成倍增加，轮询检测的时间更不易控制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述已有技术存在的问题，研制了一种基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置。本专利技术采用的技术解决方案是：基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，其硬件系统结构分为上位机硬件和下位机硬件两部分：（1）上位机硬件安装在玉米播种机驾驶室内，上位机硬件部分由嵌入式工控机、GPS模块和两个无线通讯模块组成，上位机硬件是整个系统监控中心，负责提供系统用户界面，发送和接收各种信号，显示玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度；根据用户给定的值自动调整施肥量；实现播种量和施肥量计算和显示，实现种肥箱排空、种肥管空堵情况报警。（2）下位机硬件安装在玉米播种机侧面自制的封闭控制箱内，下位机硬件部分包括由Intel PXA270芯片和CPLD扩展电路构成的智能控制及处理模块、数据釆集模块、步进电机驱动模块、数据存储模块及无线通讯模块，智能控制及处理模块控制数据釆集模块釆集数据，并将数据存入数据存储模块，存储完毕后，智能控制及处理模块调用数据存储模块的数据进行计算及智能分析处理，并将智能分析处理结果输出至智能控制模块，并将处理后的数据通过无线通讯模块传送到上位机，下位机硬件负责完成玉米播种机模拟信号和数字信号采集，并依据监测的种箱排空、种管空堵情况自动实现漏播补种，并通过下位机软件的无线通讯模块将监控分析处理结果发送到上位机监控中心。本专利技术的技术效果是：该装置将传感器技术、无线通信技术和嵌入式技术应用到现代玉米播种、施肥作业过程中，采用PXA270+CPLD+IPC（先进RISC处理器+复杂可编程逻辑器件+嵌入式工控机）的体系结构及无线通讯传输方式，集数据采集、计量、报警、控制及通信功能于一体。此装置数据采集部分全部由一片CPLD处理器控制，保证各监测点数据采集的实时、高效；控制部分全部由一片PXA270处理器实现，保证控制过程的实时、准确，增加监控点容易，可扩展性强，出现故障检修方便；整个装置占用空间小，可安放在玉米播种机侧面自制的封闭控制箱内，避免田间潮湿、灰尘等环境因素影响；更主要的是本装置是基于嵌入式实时操作系统（Windows CE）系统环境，采用C++语言编程，PXA270处理程序通过线程管理整个系统的软硬件资源，提高系统资源的使用效率，不会再出现轮询检测不报警的问题，运行稳定。另外，在实际应用过程中，为了解决玉米播种机开始作业时，由于种子和化肥到达检测位置需要一定时间，虽然很短，但会出现种肥管空报警，在上位机系统用户界面添加一个“启动报警”按钮。本研究提出了一种基于嵌入式计算机的实时监控玉米播种、施肥作业情况的装置，并结合北方寒地气吸式免耕玉米播种施肥的实际田间作业情况，开发一套安装方便、准确度高、反应速度快、实时性强，体积小，运行稳定、易维护、可扩展、抗污染的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置。附图说明图1系统下位机硬件结构方框图；图2系统上位机硬件结构方框图；图3系统软件功能结构图；图4监控系统界面；图5系统数据采集流程图；图6系统异常处理流程图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术实施例进行详细描述：1. 系统硬件组成 本系统硬件结构分为上位机和下位机两部分。上位机安装在玉米播种机驾驶室内，包括嵌入式工控机、GPS模块和两个无线通讯模块；下位机安装在玉米播种机侧面自制的控制箱内。下位机电路板长为15cm，宽为10cm，包括智能控制及处理模块、数据釆集模块、数据存储模块、无线通讯模块、步进电机驱动模块。其硬件结构方框图如图1（下位机）、图2（上位机）所示。各模块具体实施方式如下：1.1 嵌入式工控机DW-101TPC-B3嵌入式工控机为12V直流输入，整机功耗约20W，机器预装Winows XP，稳定性好，可长时间开机工作。（1）安装：上位机安装在玉米播种机驾驶室内。（2）作用：提供系统用户界面，发送和接收各种信号指令，实现排种器播种量和排肥轴施肥量计算，用户通过上位机自动调整所需施肥量。模块 本系统选用GPS接收器GS-216（MT3339），它是一款完全外置式GPS接收器，使用非常方便。（1）接口信号连接：GS-216接收器通过USB接口与DW-101TPC-B3嵌入式工控机连接。（2）作用：负责获取玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度。无线通讯模块XL4432‐D01无线通讯模块是一块体积小巧的、低功耗的完整无线收发模块。（1）接口信号连接：上位机的无线通讯模块通过USB接口与DW-101TPC-B3嵌入式工控机连接；下位机的无线通讯模块通过串口与PXA270处理器连接。（2）作用：通过上位机通讯模块和下位机通讯模块实现数据和控制命令发送和接收。智能控制及处理模块①组成：由PXA270芯片和CPLD扩展电路构成。②接口信号连接：CPLD处理器的nCS0、nCS1连接PXA270处理器的片选；IODRY连接PXA270处理器的Wait信号，控制ISA数据时序；IRQ0、IRQ1连接PXA270处理器外部中断INT8和INT9引脚；D0～D7连接PXA2本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，其特征在于：基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，其硬件系统结构分为上位机硬件和下位机硬件两部分：（1）上位机硬件安装在玉米播种机驾驶室内，由嵌入式工控机、GPS模块和两个无线通讯模块组成，上位机硬件是整个系统监控中心，负责提供系统用户界面，发送和接收各种信号，显示玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度；根据用户给定的值自动调整施肥量；实现播种量和施肥量计算和显示，实现种肥箱排空、种肥管空堵情况报警；（2）下位机硬件安装在玉米播种机侧面自制的封闭控制箱内，下位机硬件部分包括由Intel PXA270芯片和CPLD扩展电路构成的智能控制及处理模块、数据釆集模块、步进电机驱动模块、数据存储模块及无线通讯模块，智能控制及处理模块控制数据釆集模块釆集数据，并将数据存入数据存储模块，存储完毕后，智能控制及处理模块调用数据存储模块的数据进行计算及智能分析处理，并将智能分析处理结果输出至智能控制模块，并将处理后的数据通过无线通讯模块传送到上位机，下位机硬件负责完成玉米播种机模拟信号和数字信号采集，并依据监测的种箱排空、种管空堵情况自动实现漏播补种，并通过下位机软件的无线通讯模块将监控分析处理结果发送到上位机监控中心。...

【技术特征摘要】
1.基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，其特征在于：基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，其硬件系统结构分为上位机硬件和下位机硬件两部分：（1）上位机硬件安装在玉米播种机驾驶室内，由嵌入式工控机、GPS模块和两个无线通讯模块组成，上位机硬件是整个系统监控中心，负责提供系统用户界面，发送和接收各种信号，显示玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度；根据用户给定的值自动调整施肥量；实现播种量和施肥量计算和显示，实现种肥箱排空、种肥管空堵情况报警；（2）下位机硬件安装在玉米播种机侧面自制的封闭控制箱内，下位机硬件部分包括由Intel PXA270芯片和CPLD扩展电路构成的智能控制及处理模块、数据釆集模块、步进电机驱动模块、数据存储模块及无线通讯模块，智能控制及处理模块控制数据釆集模块釆集数据，并将数据存入数据存储模块，存储完毕后，智能控制及处理模块调用数据存储模块的数据进行计算及智能分析处理，并将智能分析处理结果输出至智能控制模块，并将处理后的数据通过无线通讯模块传送到上位机，下位机硬件负责完成玉米播种机模拟信号和数字信号采集，并依据监测的种箱排空、种管空堵情况自动实现漏播补种，并通过下位机软件的无线通讯模块将监控分析处理结果发送到上位机监控中心。2.如权利要求1所述的基于嵌入式计算机的气吸式免耕玉米播种机智能监控装置，其特征在于：（1）嵌入式工控机DW-101TPC-B3安装在玉米播种机驾驶室内，提供系统用户界面，发送和接收各种信号指令，实现播种量和施肥量计算和显示，用户通过上位机自动调整所需施肥量；（2）GPS模块选用GPS接收器GS-216（MT3339），GS-216接收器通过USB接口与DW-101TPC-B3嵌入式工控机连接，负责获取玉米播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度；（3）无线通讯模块XL4432‐D01是一块体积小巧的、低功耗的完整无线收发模块，上位机的无线通讯模块通过USB接口与DW-101TPC-B3嵌入式工控机连接，下位机的无线通讯模块通过串口与PXA270处理器连接，通过上位机通讯模块和下位机通讯模块实现数据和控制命令发送和接收；（4）智能控制及处理模块由PXA270芯片和CPLD扩展电路构成，CPLD处理器的nCS0、nCS1连接PXA270处理器的片选；IODRY连接PXA270处理器的Wait信号，控制ISA数据时序；IRQ0、IRQ1连接PXA270处理器外部中断INT8和INT9引脚；D0～D7连接PXA270处理器数据总线，为扩展使用；A21、A22、A23、A24、A25连接PXA270处理器地址总线；智能控制及处理模块是下位机硬件结构的核心，它负责控制数据采集模块采集种箱、种管、肥箱、肥管、传动轴和排肥轴状态信息，将采集数据存入数据存储器模块；用数据存储器模块的数据完成播种量和施肥量的计算，通过无线通讯模块传给上位机；同时，依据种箱空和种管空堵情况，自动实现种子漏播补种；依据用户给定的值自动调整施肥量，无需工作人员手动调整，并将监控结果传送到上位机监控中心；（5）数据釆集模块由电阻式压力传感器FSR402、常开型电容式接近开关LJC18A3-B-Z/BY、编码传感器ZKE58S14-180和光电转换模块组成；①电阻压力传感器FSR402所采集的信号为模拟信号，而CPLD处理器接收的是数字信号，在电阻压力传感器和CPLD处理器之间加一个ADC0809模数转換器，电阻式压力传感器FSR402连接ADC0809模数转換器的IN0模拟量的输入端；CPLD处理器通过I/O端口分别与ADC0809模数转換器的输出端（D0～D7）、A、B、C、CLK、ALE、START、EOC、OE连接；FSR402电阻式压力传感器安装在玉米播种机的种箱、肥箱内，负责采集玉米播种机的种肥箱内空箱限值，实现种箱和肥箱排空监测；②电容式接近开关LJC18A3-B-Z/BY常开型电容式接近开关，它是一种具有开关量输出的位置传感器，使用时接近开关与弹力金属板构成电容器，接近开关信号端连接CPLD处理器的I/O端口，弹力金属板安装在排肥管内，接近开关安装在排肥管外，当流动的化肥击打弹力金属板时，弹力金属板和接近开关的介电常数ε发生变化，等效电容跟着变化，从而使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，不断产生脉冲，并通过下位机传给上位机，实现排肥管的空堵监测；③编码传感器ZKE58S14-180线驱动为5V DC，内部带有反接、负载短路保护回路，可靠性较高，编码传感器信号端连接CPLD处理器的I/O端口，使用时编码传感器安装在排肥轴上，当玉米播种机作业时，排肥轴带动编码传感器一起转动，产生一个个脉冲信号，并直接输入CPLD处理器的I/O端口，通过无线传输将脉冲信号给上位机，实现在上位机计算和显示施肥量；④光电转换模块选用红外光敏二极管，与红外发光二极管组成红外对管对排种器和排种管进行检测，光电转换模块需要两组，一组设计了一个可插入到排种管下端的一个壳体，考虑玉米导种管直径约为30mm，所选光电管5mm，故壳体内壁并排均匀安装三对光电管，这种安装方式基本覆盖了落种的整个区域；另一组安装在排种器内壁上，当有种子落下时，遮挡光...

【专利技术属性】
技术研发人员：衣淑娟，马秀莲，赵斌，高军，任守华，刘坤，
申请(专利权)人：黑龙江八一农垦大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23