CN104634309A

CN104634309A - 智能机载测亩仪

Info

Publication number: CN104634309A
Application number: CN201510086970.2A
Authority: CN
Inventors: 李立; 魏建义; 李红安; 张继军; 李静; 屈海鹏; 吴欣慧; 申庆超; 李志瑞; 程万里; 赵路华
Original assignee: Anyang Institute of Technology
Current assignee: Anyang Institute of Technology
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2015-05-20

Abstract

智能机载测亩仪属于数字信号处理技术领域，主要用于遥控农药喷洒飞机实际作业中对任意地块面积及工时价格等参数的自动检测。实现方法：1、无人机作业时，每隔3-5s获取地块路径的GPS点信息，并通过无线模块送到主控计算机的任意地块面积自动检测系统；2、该检测系统中将路径离散坐标点通过三角形估计边界算法获得边界点，利用三次样条函数获得其边界曲线；3、用Matlab计算边界曲线所围面积，并在GUI界面显示地块轮廓图及其面积、价格等参数；4、最后可将其参数通过无线模块发送至无人机。本发明旨在解决传统测亩仪需沿被测土地边界运行和无人机实际作业运行轨迹的矛盾、传统不规则面积采用直线拟合带来的测准率差、效率低的固有缺陷。

Description

智能机载测亩仪

技术领域

本发明涉及一种无人遥控农药喷洒飞机实际作业中对不规则地块的面积及相关价格等参数进行自动检测的设备和方法。

技术背景

随着农业发展的需要，各种农机产品竞相产生，无人遥控农药喷洒飞机就是其中的一种。遥控农药喷洒飞机给土地喷洒农药提供了极大便利，节省了人力，也提高了工作效率，然而其工作内容单一，只是机械地给田地喷洒农药，无法估算田地的面积和喷洒农药费用，而现有的土地面积测量仪等软件虽能实现面积的估算和相关费用计算，却无法与农机进行通信、实现实时数据传输；并且现有的土地测量仪器和软件的测量方式均是采用边界测量法，即要求测量人沿被测土地边缘环行一周，才能计算出面积。目前市场上现有的检测器体积大，精度低，携带不方便，而且不宜上机携带，操作复杂，效率低，成本高。

发明内容

本发明的目的是针对上述缺陷设计一种既能完成对土地面积的测量和遥控飞机作业费用的计算，也能与遥控飞机采集数据进行对接，实时处理采集数据的智能机载测亩仪。

本发明的技术方案是：本智能机载测亩仪整机系统由硬件部分和PC机软件部分组成；其测量方法是，飞机绕地块作业，机载硬件每隔3-5秒采集地块经纬度数据，通过无线收发模块下传数据，PC机获得测量数据，在PC机上运行软件，处理测量数据，计算出土地面积和相关费用，再次通过无线收发模块将结果上传到机载硬件上显示；

本智能机载测亩仪硬件部分由机载硬件模块和PC机硬件模块组成，其中机载硬件有GPS模块、STC89C52单片机、Si4432无线收发模块、LCD1602液晶显示屏、电源模块、三个非自锁按键；PC机硬件模块是Si4432无线收发模块；

STC89C52单片机程序代码由汇编语言编写，其流程是：开始进行初始化操作，单片机发送指令给GPS模块，控制其采集数据；单片机检测是否有数据传来，该数据或来自GPS模块，或来自PC机Si4432无线收发模块，若有，则接收并存储数据；单片机控制液晶显示屏显示相关数据；检测是否有外部中断，若有，则下载数据；同时单片机将数据传送给机载无线收发模块，机载无线收发模块再将数据下传给PC机无线收发模块；

本智能机载测亩仪PC机软件部分的设计思路为，先获取飞机采集数据点，再从这些数据点中找出边界点，然后用数学方法即三次样条函数来模拟其边界曲线，进而求取模拟边界的面积等参数；由以下步骤组成，

⒈程序初始化

设置参数的初始值、设置运行界面居中显示等；

⒉获取飞机下传的测量数据

测量数据存放在excel表格中，软件通过读取excel表格来获取程序需要的测量数据；飞机下传的测量数据格式为：第一列为数据点的行号；第二、三列为机载硬件GPS模块测量地块的经纬度坐标数据；第四列数据全置为0，同时得到数据矩阵rss；

⒊用chaline()函数来获取数据的边界点

chaline( )函数要事先定义才能调用；由chaline( )函数得到边界点的行号，从而得到边界点坐标；

⒋用三次样条函数来模拟其边界曲线

对于边界不规则土地面积的计算，用三次样条函数来模拟其边界曲线；

⒌核算总费用

计算出地块的面积s（㎡），已知工本单价v1（元/㎡）和人工劳务费用v2（元/㎡），求出该块土地喷洒农药的总费用v（元），计算关系为v = s*v1*v2；

⒍退出程序

计算结束后退出程序，采用问题对话框。

本发明的有益效果：

本发明采用国际通用的51单片机作为处理核心，工作稳定。同时该设计使用的国际通用的TF16E GPS模块具有精度高功耗低，具有很强的稳定性。本智能机载测亩仪采用的Si4432是一款低于1GHz高性能射频收发器。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。Si4432输出功率可达+20dBm，接收灵敏度达到-121dBm，可提供对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能的硬件支持，具有很强的适用性。本发明可以同时在PC端运行编写的土地面积、工时费用计算软件，能够在飞机喷洒作业的同时实时进行采集数据和观察，方便使用，具有很强的通用性，并且具有相关费用计算的功能可以选用。本发明解决了传统测亩仪需要沿被测土地边界运行一周和农业无人机农药喷洒运行轨迹的矛盾、传统分析不规则面积采用直线拟合带来的测定准确率差、效率低的固有缺陷。

附图说明

图1-整机系统测量原理框图。

图2-硬件部分原理框图。

图3-STC89C52单片机电路图。

图4-单片机复位电路图。

图5-GPS模块电路图。

图6-机载Si4432无线通信模块电路图。

图7- LCD12864液晶显示屏模块电路图。

图8- 按键模块电路图。

图9- 机载硬件模块电路总图。

图10- PC机硬件模块电路图。

图11- 单片机程序流程图。

图12- 软件部分程序流程图。

图13- 软件运行初始界面。

图14- 软件处理数据后的界面。

具体实施方式

一、智能机载测亩仪整机系统及测量方法

本智能机载测亩仪整机系统由硬件部分和PC机软件部分组成；其测量方法是，飞机绕地块作业，机载硬件每隔3-5秒采集地块经纬度数据，通过无线收发模块下传数据，PC机获得测量数据，在PC机上运行软件，处理测量数据，计算出土地面积和相关费用，再次通过无线收发模块将结果上传到机载硬件上显示。整体系统原理框图如图1所示。

二、硬件部分的组成

1、本设计的硬件部分由机载硬件模块和PC机硬件模块组成，其中机载硬件主要有GPS模块、STC89C52单片机、Si4432无线收发模块、LCD1602液晶显示屏、电源模块、三个非自锁按键（启动、手动下载数据、关闭）等组成；PC机硬件模块主要是由Si4432无线收发模块与PC机组成，用来接收和发送数据。

具体地，当飞机绕地块喷洒农药时，单片机控制GPS模块每隔3-5秒采集一组地块经纬度数据：即采用GPS全球卫星定位系统能够提供实时的经度、纬度、高程等导航和定位信息，利用GPS的定位功能，得出各个点的坐标，再通过数学方法计算出地块面积等参数；飞机作业完毕后，GPS模块采集若干组数据，暂存在单片机中；单片机再将数据发送给机载Si4432无线收发模块；机载Si4432将该数据发送到PC机Si4432无线收发模块；PC机接收到数据后，再将数据交给PC机软件处理；软件运行得到的结果沿原路返回，同时单片机控制LCD液晶显示屏显示结果；三个按键分别负责机载硬件模块的启动、关闭和数据下载。本设计硬件部分原理框图如图2所示。

2、机载硬件电路各功能模块设计

（1）STC89C52：本设计采用STC89C52单片机为主控芯片。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器，为通用的单片机，具有良好的处理能力。

STC89C52单片机主要控制GPS模块、Si4432无线收发模块和LCD液晶显示屏。STC89C52单片机如图3所示。

（2）单片机复位电路：复位是单片机的初始化操作，当程序运行错误（如程序“跑飞”）或操作错误使系统处于“死锁”状态时，可按复位键，使单片机或系统摆脱“跑飞”状态而重新启动。复位电路如图4所示。

（3）GPS模块：本设计采用的 GPS模块为集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。目前GPS模块的GPS芯片大部分还是以全球市占率第一的SiRFIII系列为主。

GPS模块由单片机控制，当飞机作业时，单片机控制GPS模块每隔3-5秒采集一组数据，并将该数据暂存在单片机中。GPS模块电路如图5所示。

（4）机载Si4432无线通信模块：Si4432是一款低于1GHz高性能射频收发器。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。SI4432输出功率可达+20dBm，接收灵敏度达到-121dBm，可提供对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能的硬件支持，具有很强的适用性。

机载Si4432无线通信模块主要用来发送单片机中的数据和接收PC机的结果数据。它可将采集的数据发送给PC机硬件模块来传输，还可将PC机硬件模块传来的数据交给单片机来处理。机载Si4432无线通信模块电路如图6所示。

（5）LCD12864液晶显示屏：LCD液晶显示屏与单片机的IO口相连，该液晶显示屏可以显示汉字，左边显示设置的测量项目，右边显示得到的相应数据和计算的地块面积和费用等结果，便于测量的观察。LCD12864液晶显示屏模块电路如图7所示。

（6）按键模块：本设计采用三个按键来控制整个电路，S2为电路启动开关，按下该键，电路供电；S3为手动下载数据开关，按下该键，可以下载采集的数据或测量结果；S4为电路关闭开关，按下该键，电路断电，停止工作。按键模块电路如图8所示。

（7）电源接口：单片机的工作电压为5V，可通过两节干电池组为单片机供电，同时设计一个电源指示灯，配合启动按键即可确定电路供电是否正常：当开关按下时，指示灯变亮说明电源供电正常。

机载硬件模块电路总图如图9所示。

3、PC机硬件模块电路设计

PC机硬件模块由PC机和Si4432无线通信模块组成，两者通过串口连接起来。PC机Si4432无线通信模块与机载Si4432无线通信模块共同组成整个硬件系统的双向无线传输装置，完成数据的双向传输。PC机硬件模块电路原理图如图10所示。

4、单片机程序代码由汇编语言编写，根据硬件系统的功能来设计程序，程序设计流程图如图11所示。STC89C52单片机程序流程是：开始进行初始化操作，单片机发送指令给GPS模块，控制其采集数据；单片机检测是否有数据传来，该数据或来自GPS模块，或来自PC机Si4432无线收发模块，若有，则接收并存储数据；单片机控制液晶显示屏显示相关数据；检测是否有外部中断，若有，则下载数据；同时单片机将数据传送给机载无线收发模块，机载无线收发模块再将数据下传给PC机无线收发模块。

三、软件部分程序设计和运行

1、程序设计

该软件处理来自飞机采集的数据，得到欲求的结果。它由MATLAB GUI编程开发，可实现读取测量数据、处理测量数据、计算土地面积、核算费用等功能，其中计算土地面积尤为重要，是整个程序的关键。本程序设计的思想为：先获取飞机采集数据点，再从这些数据点中找出边界点，然后用数学方法即三次样条函数来模拟其边界曲线，进而可以求取模拟边界的面积等参数。下面来介绍整个程序的实现：

软件部分程序流程图如图12所示。

1. 程序初始化

程序初始化用来设置参数的初始值、设置运行界面居中显示等。程序实现如下：

movegui(gcf,'center') ; %设置界面居中显示

set(handles.s_edit,'string',0);

set(handles.v1_edit,'string',0);

set(handles.v2_edit,'string',0);

set(handles.v_edit,'string',0);

其中s为计算的地块面积，v1为工本单价，v2为人工劳务费，v为总费用，设置它们的初始值均为0。

2. 获取飞机返回的测量数据

测量数据存放在excel表格中，软件通过读取excel表格来获取程序需要的测量数据，数据格式为：第一列为数据点的行号；第二、三列为机载硬件GPS模块测量地块的经纬度坐标数据；第四列数据全置为0，同时得到数据矩阵rss，程序实现如下：

[filename,pathname]=uigetfile({ ...

'*.*','All Files(*.*)';},...

'选取excel数据文件');

if isequal([filename,pathname],[0,0]);

return

else

global rss % 声明全局变量rss

str = fullfile(pathname,filename);

rss = xlsread(str); % 将读取的数据存放在矩阵rss中

end

3. 用chaline()函数来获取数据的边界点

chaline( )函数要事先定义才能调用。由chaline( )函数得到边界点的行号，从而得到边界点坐标，程序实现如下：

global rss

chaline(rss) % 返回边界点行号

chaline(rss,1) % 绘制示意图

A=ans; % 将边界点行号保存在变量A中

n=length(A); % 得到边界点坐标

X=zeros(1,n);

Y=zeros(1,n);

for i=1:n

X(i)=rss(A(i),2);

Y(i)=rss(A(i),3);

end

4. 用三次样条函数来模拟其边界曲线

土地形状决定算法的复杂程度，计算边界规则土地面积较容易实现，主要是边界不规则土地面积的计算。对于边界不规则土地面积的计算，采用三次样条插值的方法，此方法为目前计算不规则图形面积精确度最高的方法。

三次样条函数的数学思想是已知一系列离散点的坐标：x0, x1 , x2…xn (x0< x1 < x2< …< xn) ;y0, y1, y2…yn; 构造一个插值函数S (x )应满足：(1) S (xi)= yi(i= 0 1 2. . . n)； (2) 区间[ x0 xn]上S (x)具有二阶连续导数，曲线具有良好的光滑性；(3) 在每个子区间[ xi, xi+1]内S (x)的表达式S (i)是x的三次多项式

S (i) = A i+ Bix+ Cix + Dix ( i= 0, 1 , 2, …, n)，并要求它满足下列条件：(1) 插值条件：S (xi) = yi; ( i= 0, 1 , 2, …, n )；(2) 连接条件：S(xi-0) = S (xi+ 0) ; S’ (xi-0) = S’(xi+0) ; S " (xi-0) = S " (xi+0)；(3) 边界条件：给定边界点的一阶或二阶导数值。利用已知点的坐标和条件(1) (2) (3)可以组成关于Ai、Bi、Ci、Di ( i= 1 ,2,3. . . n )的线性方程组，此方程组有4n个未知数和4n个方程。根据样条插值理论和线性方程组理论，该线性方程组一定有解。一旦S (x ) 确定，就可对其像普通函数一样进行运算。尽管三次样条插值具有良好的收敛性、稳定性，又有二阶光滑度，但它要求x0< x1 < x2< …< xn，这对于地块的边界线来说，无论是横、纵坐标都不可能满足单调性这个条件的。理论上，把一条封闭(不打结)的曲线分成两条能够满足该条件的曲线，就会为实际工作会带来不少麻烦。在这里借用数学上参数方程的思想来克服这个困难。利用参数t的单调性，取t中t0< t1< t2<…< tn，利用MATLAB中三次样条插值函数spline对t和纵坐标X ，对t和横坐标Y分别插值，程序实现如下：

X= [X X(1 )];

Y= [Y Y(1 )];

N=length(X);

t=1:N;

ti=1:(N-1)/100000:N;

xi=spline(t,X,ti);

yi=spline(t,Y,ti);

area=polyarea(xi,yi); % 计算面积

s=area*111*111; % 经纬度坐标计算的面积与实际地形面积的换算

set(handles.s_edit, 'string', s);

points=[X;Y];

fnplt(cscvn(points)); % 绘出边界曲线

title('农药喷洒区域')

axis square;

该程序段主要是来计算地块的面积，并模拟出地块的边界图形，以便和实际地形进行对比。

5. 核算总费用

计算出地块的面积s（㎡），已知工本单价v1（元/㎡）和人工劳务费用v2（元/㎡），即可求出该块土地喷洒农药的总费用v（元），计算关系为v = s*v1*v2，程序实现如下：

if v1 == 0&&v2 ~= 0

v = s*1*v2;

set(handles.v_edit, 'string', v);

elseif v1 ~= 0&&v2 == 0

v = s*v1*1;

set(handles.v_edit, 'string', v);

else

v = s*v1*v2;

set(handles.v_edit, 'string', v);

end

6. 退出程序

计算结束后可退出程序，采用问题对话框，以免误点而直接关闭程序，程序实现如下：

str = questdlg('Sure to exit ?','Exit or not');

if strncmpi(str,'yes',3)

close(gcf);

end

2、软件运行

将上述软件中的MATLAB GUI封装成.exe文件，可在没有安装MATLAB软件的电脑上运行该软件。在PC机上运行该软件，得到软件运行的初始界面和处理数据后的界面。软件初始界面如图13所示。

图14中点横线围成的边界为标记的边界点形成的直线边界，实线围城的边界为标记的边界点拟合而成的曲线边界，即为所求的边界图形；求得的面积为曲线边界图形面积，与实际的土地面积有一定误差，这是不可避免的，在误差允许的范围内，两者可以相等；输入工本单价和人工劳务费即可求出总费用。

3、实验数据

实验数据如表1所示。

表1 实验数据

1	94.69959	252.9978	0
				2	68.94042	581.1228	0
3	53.76381	525.4663	0
				4	24.67097	459.1135	0
5	89.41325	586.2867	0
				6	35.67	507.2449	0
7	109.712	469.9637	0
				8	31.90758	461.488	0
9	24.35375	419.4903	0
				10	31.88462	385.2625	0
11	20.19052	403.4613	0
				12	18.68502	420.7039	0
13	33.38168	508.1663	0
				14	32.36845	336.1396	0
15	39.46377	291.0738	0
				16	32.39298	597.5882	0
17	40.77597	298.6321	0
				18	89.37173	139.9567	0
19	76.81343	130.1322	0
				20	63.7864	597.9424	0
21	102.4188	252.3031	0
				22	75.58925	269.5603	0
23	106.9104	401.0202	0
				24	57.02686	318.0938	0
25	34.60586	586.9676	0
				26	14.38163	392.3102	0
27	16.62703	112.7445	0
				28	69.86681	452.8431	0
29	47.38951	195.1004	0
				30	38.2985	566.3911	0
31	58.56096	353.0773	0
				32	14.33481	381.2462	0
33	106.9414	491.7821	0
				34	83.00572	467.4162	0
35	58.88688	196.0246	0
				36	41.58999	244.9883	0
37	53.41656	497.4822	0
				38	41.46215	331.3426	0
39	104.4762	106.2578	0
				40	105.5624	428.0649	0
41	45.39541	293.0832	0
				42	50.86501	266.6256	0
43	100.6519	476.6762	0
				44	15.73599	197.6552	0
45	37.77166	292.0585	0
				46	50.54559	556.8966	0
47	14.68088	505.6463	0
				48	62.39843	400.1013	0
49	27.05663	490.3377	0
				50	12.64876	171.3127	0
51	94.65903	409.1308	0
				52	16.09867	436.4515	0
53	36.76259	248.8434	0
				54	73.66735	361.4419	0
55	36.90643	251.5037	0
				56	62.22269	358.2887	0
57	49.12103	560.1387	0
				58	83.84213	317.643	0
59	97.02178	248.1793	0
				60	15.34682	398.8694	0
61	82.96583	312.2219	0
				62	51.50454	223.5579	0
63	13.36816	549.6183	0
				64	47.36649	517.7493	0
65	107.7577	595.029	0
				66	105.2544	547.6606	0
67	73.85178	398.7047	0
				68	92.59663	290.7345	0
69	94.38227	405.909	0
				70	88.48409	197.6072	0
71	48.34065	379.2036	0
				72	69.41467	304.7895	0
73	71.87572	364.4722	0
				74	50.29931	528.5919	0
75	39.76985	593.4434	0
				76	41.23337	441.3151	0
77	70.8846	409.7379	0
				78	79.0836	139.4671	0
79	83.40649	394.7494	0
				80	109.5809	266.7507	0
81	59.56729	128.0498	0
				82	95.65995	578.5711	0
83	25.92778	572.6756	0
				84	14.0153	277.4008	0
85	103.7417	359.1968	0
				86	28.4039	357.7516	0
87	88.97753	382.5783	0
				88	12.71687	287.2039	0
89	67.06082	508.3297	0
				90	30.26991	515.7228	0
91	36.50637	395.3914	0
				92	65.73699	362.0056	0
93	77.29232	136.9941	0
				94	41.1072	294.7505	0
95	66.85452	135.2062	0
				96	37.39622	148.0661	0
97	53.70924	496.1789	0
				98	75.43168	432.121	0
99	59.38269	414.8212	0
				100	21.52044	253.5199	0

Claims

1.智能机载测亩仪，其特征在于：整机系统由硬件部分和PC机软件部分组成；其测量方法是，飞机绕地块作业，机载硬件每隔3-5秒采集地块经纬度数据，通过无线收发模块下传数据，PC机获得测量数据，在PC机上运行软件，处理测量数据，计算出土地面积和相关费用，再次通过无线收发模块将结果上传到机载硬件上显示。

2.根据权利要求1所述的智能机载测亩仪，其特征在于：硬件部分由机载硬件模块和PC机硬件模块组成，其中机载硬件有GPS模块、STC89C52单片机、Si4432无线收发模块、LCD1602液晶显示屏、电源模块、三个非自锁按键；PC机硬件模块是Si4432无线收发模块。

3.根据权利要求1或2所述的智能机载测亩仪，其特征在于：STC89C52单片机程序代码由汇编语言编写，其流程是：开始进行初始化操作，单片机发送指令给GPS模块，控制其采集数据；单片机检测是否有数据传来，该数据或来自GPS模块，或来自PC机Si4432无线收发模块，若有，则接收并存储数据；单片机控制液晶显示屏显示相关数据；检测是否有外部中断，若有，则下载数据；同时单片机将数据传送给机载无线收发模块，机载无线收发模块再将数据下传给PC机无线收发模块。

4.根据权利要求1或2所述的智能机载测亩仪，其特征在于：三个非自锁按键是启动、手动下载数据、关闭。

5.根据权利要求1所述的智能机载测亩仪，其特征在于：PC机软件部分的设计思路为，先获取飞机采集数据点，再从这些数据点中找出边界点，然后用数学方法即三次样条函数来模拟其边界曲线，进而求取模拟边界的面积等参数；由以下步骤组成，

⒈程序初始化

设置参数的初始值、设置运行界面居中显示等；

⒉获取飞机下传的测量数据

测量数据存放在excel表格中，软件通过读取excel表格来获取程序需要的测量数据；

⒊用chaline()函数来获取数据的边界点

⒋用三次样条函数来模拟其边界曲线

⒌核算总费用

⒍退出程序

计算结束后退出程序，采用问题对话框。

6.根据权利要求1或5所述的智能机载测亩仪，其特征在于：飞机下传的测量数据格式为：第一列为数据点的行号；第二、三列为机载硬件GPS模块测量地块的经纬度坐标数据；第四列数据全置为0，同时得到数据矩阵rss。