CN105652840A - 机械深松作业质量监测与评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
机械深松作业质量监测与评价系统，整个监测设备以ARM平台为处理核心，通过微处理器外接GPS定位模块和超声波测距传感器测算作业面积与作业平均深度，以触摸屏实现与农机手交互，提供显示坐标轨迹、身份证输入、计量作业面积、作业平均深度测算以及用户设置等服务功能，同时设备设有GPRS通讯模块，支持将最终测算的数据上报服务器数据中心；网站平台以及手机APP软件从数据库获取数据，实现作业统计与评价、设备管理等功能；通过网格化坐标有效覆盖算法求得作业面积，通过超声波滤波算法求得作业平均深度；该系统具有成本低、操作简单、适用性强、测量精度高等特点。
Description
技术领域
本发明属于农业技术领域，涉及对机械深松作业质量的监测与评价，特别涉及一种机械深松作业质量监测与评价方法及系统。
背景技术
我国是世界上人口最多的国家，人多地少是我国的基本国情。但是我国耕地土壤质量仍在每一年下降。土壤是农作物赖以生存的基础，长久以来，传统的耕作模式以及小功率农业机械的使用，导致我国土壤耕层逐年变浅，“犁底层”逐年变深,“犁底层”中腐殖质含量少，总孔隙度小，多为片状、大块状或层状结构。坚硬的“犁底层”导致农作物根系难以下扎，农作物根系不发达，雨水不能及时下渗而形成地表径流，导致水土流失，大大降低了农作物的抗风、抗旱、抗倒伏能力，增加了早衰的概率。
机械化深松技术有效地解决了旱作农业发展中地力下降、土壤板结、制约粮食增产等问题。机械化深松技术的实质是通过机械耕作松碎土壤、保持水土、打破犁底层而又不翻乱土层的一种耕作方式。深松耕作后，耕层土壤形成一个上实下虚，左、右虚实相间的结构，其中，耕层土壤的松散结构易于蓄水、脱盐碱、疏通空气、增强热交换等。而实部土壤的小空隙结构则有利于地下水上吸，促进作物根系发育。因此，机械化深松技术不仅有效提高土壤肥力、增加作物产量，而且能够防止农田水土流失，保护农业生态环境，对农业可持续发展具有重要意义。
但是现阶段机械深松作业深度普遍不够，导致深松效果大打折扣，并且每次机械深松作业面积无法准确统计，国家补贴无法有效落实。因此需要采取措施对机械深松作业过程以及质量进行监测。
国内外已经开展了针对农机作业监测系统的研究，并取得了初步成果，但国内对于机械深松作业的监测仍处于试验阶段，并且实验监测对象多数为土壤理化特性的变化，没有监测深松作业的面积以及深度等反映深松质量的信息。现有的计算土地面积的算法大多采用计算静态图形面积、位移等方法，测量方法较复杂，没有考虑重耕、漏耕等复杂作业情况，专门针对拖拉机机械深松作业面积研究较少。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种机械深松作业质量监测与评价方法及系统，整个监测设备以ARM平台为处理核心，通过微处理器外接GPS定位模块和超声波测距传感器测算作业面积与作业平均深度，以触摸屏实现与农机手交互，提供显示坐标轨迹、身份证输入、计量作业面积、作业平均深度测算以及用户设置等服务功能，同时设备设有GPRS通讯模块，支持将最终测算的数据上报服务器数据中心，其中GPS模块用于测算作业面积，超声波测距传感器实时获取作业深度值，触控屏用于输入机械幅宽、校正参数、用户信息，同时显示设备坐标以及测算结果等信息。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种机械深松作业质量监测与评价方法，包括以下步骤：
第一步，根据深松铲实际幅宽，设置方格边长；每次作业前，均输入此次作业地块所属人身份证号；
第二步，通过放置在拖拉机上的GPS模块采集作业轨迹坐标，通过放置在深松铲上的超声波传感器采集深松实时深度值，并将采集的坐标和深度数据记录保存；
第三步，利用记录的坐标数据的经纬度，通过网格化坐标有效覆盖算法，求出实际深松面积；利用记录的深度数据，求出作业平均深度；
第四步，通过GPRS模块，将每次计算的结果以及实时记录的原始数据上传至服务器，进行每次作业情况统计、区域作业量统计和作业质量评价。
可同时将此次作业地块的身份证号码一并上传。
所述第一步中，方格为算法中划分的正方形地块，由深松铲幅宽决定，深松铲最大幅宽为方格边长。
所述第二步中，
用工控屏实时显示作业轨迹、农机行驶速度、作业里程、实时经纬度坐标、实时深度值，所述工控屏是以ARM处理器为内核的人机交互平台，
经纬度采集最适频率与深度采集最适频率由实验测得，与拖拉机作业速度与深松铲横幅有关。
所述拖拉机作业速度为15KM/h时，经纬度采集最适频率与深度采集最适频率均取5Hz。
所述第三步中，
所述网格化坐标有效覆盖算法是：
通过坐标转换算法将经纬度坐标转换为相对坐标，生成二维坐标系的坐标序列，将坐标序列置于坐标系一矩形内，此矩形应将所有坐标序列包括在内，然后以某一边长将作业矩形网格化，根据每一网格内坐标序列数量并结合实时深度值确定有效网格数，并采用将网格行扫描或列扫描求平均值来降低误差，最终剔除GPS数据漂移严重点，计算有效的网格数量，得到实际作业面积。
其中，当深松机不落铲空跑时，深度值为非正数，此时没有作业，经纬度数据不保存不作为计算面积的数据。因此所述有效深度值是指深度值为正数；
所述平均深度计算方法为，超声波传感器以5Hz频率采集深度实时值，即每秒采集五个点数据，去掉错误点数据，将所有数据求取平均值得到平均深度。统计每次作业深度分布情况，统计每次测量的深度点分布，超过25厘米的深度测量点为达标点，超过25厘米点数占总点数的比重为作业达标率。
所述第四步中，
区域作业量统计是指按照指定区域统计每年深松的土地总面积；
作业质量评价是对已耕面积深度达标率的评价。
本发明还提供了一种机械深松作业质量监测与评价系统，包括数据采集单元、数据传输单元、人机交互单元和分析评价平台，其中：
所述数据采集单元包括GPS模块和超声波传感器，GPS模块设置在拖拉机上，通过天线接收到GPS信号，将作业产生的GPS数据传给微处理器；超声波传感器通过设置在拖拉机上的超声波探头将采集到的绝对深度信息传给微处理器；
所述数据传输单元包括微处理器和GPRS模块，所述微处理器通过GPRS模块将获取的GPS数据和深度数据以及从人机交互单元发回的数据上传给服务器；
所述人机交互单元包括工控屏，该工控屏通过RS232串口接收微处理器传来的GPS数据和深度数据，并通过嵌入的算法处理原始数据，计算作业面积与平均深度并回传给微处理器；
所述分析评价平台包括服务器，服务器布置于上层网站，上层网站根据接收的数据，进行每次作业情况统计、区域作业量统计和作业质量评价。同时还可以利用上层网站与手机APP软件抓取服务器数据。
所述工控屏实时显示作业相对轨迹、作业里程、农机行驶速度、作业深度和位置经纬度坐标。
所述上层网站实时显示拖拉机位置、动态信息。
所述分析评价平台还包括手机APP软件，手机APP软件用于实时查询每次作业的信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过设计的机械深松作业质量监测与评价系统可以实时获取每个农机位置以及深松作业的轨迹。
2)准确计算出每次作业面积，与实际面积误差在5％以下，结合实际作业情况，合理反映出每次作业的平均深度以及深度分布状况。
3)该系统可以适应不同作业情况，支持测算不同幅宽深松铲，支持断电存储，减少重耕、漏耕带来的测算误差。
4)每次深松作业完成，即可得到作业面积与平均深度，本发明与同类产品相比具有成本低、操作简单、效率高、适用性更强等功能。
附图说明
图1是本发明网格化坐标有效覆盖算法。
图2是本发明基于机械深松作业质量监测与评价系统的结构示意图。
图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
机械深松作业质量监测与评价方法，包括以下步骤：
第一步，根据深松铲实际幅宽，设置方格边长。每次作业前，在工控屏输入此次作业地块所属人身份证号；方格为算法中划分的正方形地块，由深松铲幅宽决定，深松铲最大幅宽为方格边长。
第二步，通过放置在拖拉机上的GPS模块采集作业轨迹坐标，通过放置在深松铲上的超声波传感器采集深松实时深度值；并将采集的经纬度、深度数据记录保存。工控屏可以实时显示作业轨迹、作业里程、农机行驶速度、作业深度和位置经纬度坐标。
第三步，工控屏利用记录的经纬度坐标，通过网格化坐标有效覆盖算法，求出实际深松面积；利用记录的实时深度数据求出作业平均深度。工控屏显示每次作业的面积、深度监测结果。
第四步，单片机通过GPRS模块，将此次作业地块的身份证号码、每次计算的结果以及实时记录的原始数据上传至服务器，并通过上层网站与手机APP软件完成区域作业量统计、作业质量评价、设备管理、系统管理等功能。
其中，第三步中，基于网格化坐标有效覆盖算法的机械深松作业面积测算方法如图1所示。拉机实际深松作业中，深松铲的幅宽可变，而且作业过程中可能存在重耕、漏耕现象，拖拉机提铲、落铲过程情况较复杂。基于此种作业情况，首先以低成本、高精度GPS模块以某一频率实时获取机械作业位置经纬度坐标，通过坐标转换算法将原始经纬度数据转化为相对坐标，生成二维坐标系的坐标序列，将坐标序列置于坐标系一矩形内，此矩形应将所有坐标序列包括在内。然后以某一边长将作业矩形网格化，根据每一网格内坐标序列数量并结合超声波传感器测得的实时深度值确定有效网格数。由于民用GPS模块数据存在漂移且自带航向修正，所以应考虑GPS数据漂移情形，为了消除航向修正，采用将网格行扫和列扫描并求两次的平均值来降低误差。最终剔除GPS数据漂移严重点，计算有效的网格数量，得到实际作业面积。
基于超声波传感器的深度测量算法为，超声波传感器以5Hz频率采集深度实时值，即每秒采集五个点数据，去掉错误点数据，将所有数据求取平均值得到平均深度。
本发明中，作业量统计分为按设备作业量统计、按区域作业量统计、按农户作业量统计，由网站根据上传的每次数据来统计。作业质量评价为，统计每次作业深度分布情况，统计每次测量的深度点分布，超过25厘米的深度测量点为达标点，超过25厘米点数占总点数的比重为作业达标率。
为实现所述的机械深松作业质量监测与评价方法，提出一种机械深松作业质量监测与评价系统，包括数据采集单元、数据传输单元、人机交互单元、网站平台与手机APP软件。
如图2所示，该系统具体包括：
数据采集单元，包括GPS模块、GPS天线和超声波传感器、超声波探头组成。GPS天线选带磁铁的有源天线，吸附于拖拉机驾驶室外端，GPS模块放置于驾驶室控制盒中；超声波传感器放置于驾驶室控制盒中；超声波探头由支架固定在深松铲横杆上。
数据传输单元，由微处器和GPRS模块组成，放置于驾驶室内控制盒中；微处理器选用STC15F2K60S2单片机，GPRS模块选用W-801G无线通讯模块。
人机交互单元，主要由工控屏实现，选用KincoMT4414TE工控屏，它是一种人机界面控制器，采用32位RISCCPU和精简的LINUX内核，采用最高速800MHz的CPU，拥有快速的数据处理和传送能力，可以与单片机通信，能够轻松实现与其所连设备之间的数据交换。工控屏主要完成数据处理，显示屏采用触摸屏，实现与农机手交互，提供显示坐标轨迹、作业速度、作业里程、实时经纬度坐标、实时深度、身份证输入、计量作业面积、作业平均深度测算以及用户设置等服务功能。工控屏通过外接U盘，将原始数据以及计算结果保存在U盘。
网站平台与手机APP软件，网站平台提供某区域所有农机实时位置、作业状态监测，提供每次农机作业后的质量分析、以及作业达标率，统计某一区域作业总面积。管理员可以实现设备管理、系统管理等功能。
下面阐述本系统的工作流程，结合图3做具体说明如下。
步骤10，由拖拉机自身蓄电池给系统通电，单片机与工控屏完成开机启动后，用户根据深松铲幅宽在工控屏设置初始宽度。
步骤20，GPS定位成功后，GPS模块通过吸附在农机驾驶室外面的GPS天线获取GPS数据，并将实时经纬度数据以一定频率通过串口传给单片机；超声波传感器通过固定在深松铲上的探头实时采集深度数据，并将实时数据以一定频率通过串口传给单片机。
步骤30，单片机将数据解析后，以某一格式字符串通过RS232串口传给工控屏，工控屏解析数据，将实时经纬度数据以及深度数据显示在界面。
步骤40，拖拉机开始深松作业时，用户在工控屏点击开始按键，重复步骤20，系统开始采集实时数据并将上传到工控屏的数据保GPS存在内存和U盘，同时单片机通过GPRS模块将实时经纬度数据以及深度数据上传到服务器，同时工控屏会在界面实时显示作业相对轨迹。当作业完成时，用户在工控屏点击结束按键，工控屏通过网格化坐标有效覆盖算法计算出该次作业的面积，通过求取深度数据的算数平均值得到该次作业平均深度，并将最终面积、深度结果显示在界面。
步骤50，单片机通过GPRS模块将此作业地块的身份证编号、最终测算面积以及平均深度上传至服务器。
步骤60，网站平台以及手机APP软件从数据库抓取每次作业数据，显示每辆农机位置以及状态，实现作业量统计、质量分析、设备管理等功能。
Claims (10)
1.一种机械深松作业质量监测与评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，根据深松铲实际幅宽，设置方格边长；
第二步，通过设置在拖拉机上的GPS模块采集作业轨迹坐标，通过设置在深松铲上的超声波传感器采集深松实时深度值，并将采集的坐标和深度数据记录保存；
第三步，利用记录的坐标数据的经纬度，通过网格化坐标有效覆盖算法，求出实际深松面积；利用记录的深度数据，求出作业平均深度；
第四步，通过GPRS模块，将每次计算的结果以及实时记录的原始数据上传至服务器，进行每次作业情况统计、区域作业量统计和作业质量评价。
2.根据权利要求1所述机械深松作业质量监测与评价方法，其特征在于，所述第一步中，方格为算法中划分的正方形地块，由深松铲幅宽决定，深松铲最大幅宽为方格边长。
3.根据权利要求1所述机械深松作业质量监测与评价方法，其特征在于，所述第二步中，
用工控屏实时显示作业轨迹，所述工控屏是以ARM处理器为内核的人机交互平台，
经纬度采集最适频率与深度采集最适频率由实验测得，与拖拉机作业速度与深松铲横幅有关。
4.根据权利要求3所述机械深松作业质量监测与评价方法，其特征在于，所述拖拉机作业速度为15KM/h时，经纬度采集最适频率与深度采集最适频率均取5Hz。
5.根据权利要求1所述机械深松作业质量监测与评价方法，其特征在于，所述第三步中，
所述网格化坐标有效覆盖算法是：
通过坐标转换算法将经纬度坐标转换为相对坐标，生成二维坐标系的坐标序列，将坐标序列置于坐标系一矩形内，此矩形应将所有坐标序列包括在内，然后以某一边长将作业矩形网格化，根据每一网格内坐标序列数量并结合实时深度值确定有效网格数，并采用将网格行扫描或列扫描求平均值来降低误差，最终剔除GPS数据漂移严重点，计算有效的网格数量，得到实际作业面积，其中，所述有效深度值是指深度值为正数；
所述平均深度计算方法为，超声波传感器以5Hz频率采集深度实时值，即每秒采集五个点数据，去掉错误点数据，将所有数据求取平均值得到平均深度。统计每次作业深度分布情况，统计每次测量的深度点分布，超过25厘米的深度测量点为达标点，超过25厘米点数占总点数的比重为作业达标率。
6.根据权利要求1所述机械深松作业质量监测与评价方法，其特征在于，所述第四步中，
区域作业量统计是指按照指定区域统计每年深松的土地总面积；
作业质量评价是对已耕面积深度达标率的评价。
7.一种机械深松作业质量监测与评价系统，其特征在于，包括数据采集单元、数据传输单元、人机交互单元和分析评价平台，其中：
所述数据采集单元包括GPS模块和超声波传感器，GPS模块设置在拖拉机上，通过天线接收到GPS信号，将作业产生的GPS数据传给微处理器；超声波传感器通过设置在拖拉机上的超声波探头将采集到的绝对深度信息传给微处理器；
所述数据传输单元包括微处理器和GPRS模块，所述微处理器通过GPRS模块将获取的GPS数据和深度数据以及从人机交互单元发回的数据上传给服务器；
所述人机交互单元包括工控屏，该工控屏通过RS232串口接收微处理器传来的GPS数据和深度数据，并通过嵌入的算法处理原始数据，计算作业面积与平均深度并回传给微处理器；
所述分析评价平台包括服务器，服务器布置于上层网站，上层网站根据接收的数据，进行每次作业情况统计、区域作业量统计和作业质量评价。
8.根据权利要求7所述机械深松作业质量监测与评价系统，其特征在于，所述工控屏实时显示作业相对轨迹和位置经纬度坐标。
9.根据权利要求7所述机械深松作业质量监测与评价系统，其特征在于，所述上层网站实时显示拖拉机位置、动态信息。
10.根据权利要求7所述机械深松作业质量监测与评价系统，其特征在于，所述分析评价平台还包括手机APP软件，手机APP软件用于实时查询每次作业的信息。
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