CN2816870Y - 基于can总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于CAN总线的用于产量监测和变量作业的智能控制终端，包括：中央处理器、输入单元、显示单元、存储器、高速光电耦合器、CAN总线收发器、时钟单元和稳压电源。本实用新型具有国际标准协议——ISO 11783中定义的农用CAN总线标准接口，可以挂接在任何CAN总线系统中。总线上可以根据实际的要求连接各种带有CAN接口的智能传感器ECU、DGPS模块以及变量作业控制ECU。本实用新型还具有能够清楚的显示各种处理后的数据、控制命令界面以及实时时钟、方便用户实时查看信息、操作简单、实用、成本低廉，具有通用性和互换性等优点。

Description

基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端

技术领域

本实用新型涉及一种农业机械设备技术领域中的智能控制终端，尤其是一种基于CAN(Control Area Network，简称CAN)总线的用于产量监测和变量作业的智能控制终端。

背景技术

在精细农业技术体系的实施过程中，主要包括以下三个方面：一是采集地块作物产量数据和定位信息，生成小区作物产量分布图；二是根据作物生长条件的差异及土壤类型、水分、肥力和实测的产量分布信息，结合作物管理专家知识、作物栽培模型等，建立作物管理辅助决策支持系统并最终形成决策方案，生成作物管理处方图；三是根据作物管理处方图生成控制命令，对变量作业机械进行作业的调整和控制。因此，产量监测和变量作业已经成为精细农业技术体系中的两大重要组成部分，而安装在联合收割机或者拖拉机驾驶室内的智能控制终端是实现产量监测和变量作业的关键技术之一。作物产量是精细农业中需要获取的最重要的信息之一，它集中反映了农田信息，如土壤特性、化肥利用、地形结构、气象因素、灌溉、虫草侵害等对产量的影响。实时获取产量信息和据此得到的产量分布图是“处方农作”中不可缺少的信息，对产量信息和农田其他时空属性相结合的分析可指导变量作业机械进行变量作业，实现对农田的“精细农作”。从而达到提高经济效益、避免资源浪费、减少环境污染的目的。

随着现场总线技术的不断发展，引进和吸收国外一些先进的农业机械装备，将控制局域网络(CAN)总线系统用于大中型农业机械的内部电子监视和控制系统中，使得安装在农业机械上的各智能化电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)具有通用、标准的接口，按照国际标准的总线协议(ISO 11783)编写总线通信上层应用软件，这将是未来农业装备的发展趋势，也是精细农业技术体系中的一项重要技术。

基于上述原因，需要一种具有CAN接口可以用于产量监测和变量作业并且安装在农业机械设备驾驶室内的智能控制终端。目前国外许多大中型农业机械制造厂商已经将CAN总线技术、智能控制终端和变量作业等技术应用到像拖拉机、谷物联合收割机等农业机械上。比较著名的公司有FENDT、CLAAS、Ag Leader、FIELDSTAR、CASE-IH等。其中，德国FENDT公司得800Vario^TMS拖拉机已经应用了CAN总线系统，并且使用了DIN 9684通信协议。在它内部集成了智能控制终端、GPS、各智能传感器ECU，并且还可以把智能变量作业机械挂接在此拖拉机上。CLAAS公司生产的联合收割机上也集成了CAN总线系统，并且使用ISO 11783通信协议。在它内部也集成了智能控制终端、GPS、各智能传感器ECU等，收割作业时能够实现产量监测。但是这些农业机械主要是针对大块、规则的田地设计的，不适合不规则的小块农田使用，所集成的控制终端也是就本机械设备可用，具有局限性，而且成本高昂，结构复杂、操作繁琐。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足以及不完善，提出一种基于CAN总线的用于产量监测和变量作业的智能控制终端。

为了达到上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案实现的：

基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，如图1所示，包括：

一用于处理数据和控制功能的中央处理器1；

一用于输入数据的输入单元5，与所述中央处理器1的串行输入端连接；

一用于显示信息和变量作业界面的显示单元6，与所述中央处理器1的串行输出端连接；

一用于存储数据和读取处方图数据的存储器7，所述存储器7通过数据线和地址线与所述中央处理器1连接；

一高速光电耦合器9，与所述中央处理器1连接；

一用于CAN报文接收和发送的CAN总线收发器4，所述CAN总线收发器4通过所述高速光电耦合器9与所述中央处理器1的CAN接口连接；

一用于产生实时时钟的时钟单元8，通过数据总线与所述中央处理器1连接；

一稳压电源，为各部分电路提供电源。

在上述技术方案中，所述的CAN总线收发器4通过一高速光电耦合器9与中央处理器的CAN接口连接，采用一小功率电源隔离模块对该高速光电耦合器9的输入电源进行隔离，用于高速光电耦合器9的两个电源引脚的完全隔离，这样才能够实现各CAN节点之间的电气隔离，达到抗干扰的作用。

在上述技术方案中，所述的中央处理器1扩展有存储器，所述的存储器为数据存储器或程序存储器。

在上述技术方案中，所述存储器7为U盘，该U盘通过U盘读写模块以数据总线和地址总线与中央处理器1连接。

在上述技术方案中，所述输入单元5为按键或触摸屏。

在上述技术方案中，所述显示单元6为液晶显示器。

在上述技术方案中，所述时钟单元8为内置钮扣电池的实时时钟芯片，通过数据总线和地址总线与所述中央处理器1连接。

在上述技术方案中，所述稳压电源为产生5V输出电压的DC-DC模块，模块输入电压范围为9～18V。

本实用新型具有国际标准协议——ISO 11783中定义的CAN标准总线接口，可以挂接在任何CAN总线系统中。总线上可以根据实际的要求连接各种带有CAN接口的智能传感器ECU、DGPS模块以及变量作业控制ECU。为了实现产量监测和变量作业，智能传感器ECU可以是谷物流量传感器ECU、地速传感器ECU、割台高速传感器ECU、升运器转速传感器ECU、谷物水分传感器ECU、温度传感器ECU；变量作业控制ECU可以是变量施肥控制ECU、变量灌溉控制ECU、变量播种控制ECU。智能控制终端能够和总线上的各智能CAN结点进行实时的通信，接收总线上传来的数据信息，并将这些大容量的地块产量信息、位置信息等其他传感器信息存储到U盘中；它还可以读取存储在U盘中的作物管理处方图，根据处方图生成控制命令并发送到变量作业ECU来指导变量作业机械进行变量作业。

与现有技术相比，本实施例的有益效果是：

1)具有国际标准协议ISO 11783中定义的CAN标准总线接口，可以连接在任何CAN总线系统中。

2)能够清楚的显示各种处理后的数据、控制命令界面以及实时时钟。

3)方便用户实时查看信息。

4)操作简单、实用，成本低廉，具有通用性和互换性。

附图说明

图1为本实用新型和整个CAN总线网络的组成示意图；

图2为本实用新型应用在产量监测和变量作业的CAN总线系统详细示意图；

图3为本实用新型实施例的组成详细示意框图；

图4为本实用新型实施例的电路原理图；

图5为本实用新型实施例的显示器中显示的主界面；

图6为本实用新型实施例的显示器中显示的参数设置界面；

图7为本实用新型实施例的显示器中显示的接收到的传感器信息输出界面；

图8为本实用新型实施例的显示器中显示的变量作业控制界面。

具体实施方式

本实用新型作为CAN总线系统上的一个控制结点，它可以接收来自总线上任何结点的信息，主要有各智能传感器ECU采集到的信息、DGPS信息等；它还可以发送控制命令给总线上的所有结点，主要有一些智能传感器ECU、变量作业控制ECU。并且智能控制终端可以实时的显示各接收到的数据信息，经过U盘的存储，导入到PC机上进行再次处理、分析后，生成作物产量分布图，并最终形成作物管理处方图，根据此处方图控制终端可以指导变量作业机械进行变量作业，真正实现“处方农作”。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

如图1所示，表示本实用新型和整个CAN总线网络的组成示意图，本实用新型包括用于处理数据的中央处理器1，通过CAN总线收发器4连接在CAN总线上，总线上还可以挂接各种用于采集信号的智能传感器ECU，或用于变量控制的变量作业控制ECU，或其他ECU21、22……2n，或用于获取测量点位置信息的DGPS模块3；包括用于输入数据的输入单元5，用于显示信息的显示单元6，用于存储采集及处理后的数据和存储处方图数据的存储器7，用于产生实时时钟的时钟单元8。其中，各智能传感器ECU、变量作业控制ECU等其他ECU21、22……2n，DGPS模块3，智能控制终端都是通过CAN总线收发器4挂接在CAN总线上，输入单元5与中央处理器1的通用串行接口的输入口连接，显示单元6与中央处理器1的通用串行接口的输出口连接，存储器7通过数据总线和地址总线与中央处理器1连接，时钟单元8通过数据总线和地址总线与中央处理器1连接。

如图2所示，本实用新型应用在产量监测和变量作业的CAN总线系统详细示意图。本实用新型作为CAN总线上的一个控制结点，CAN总线上还可以挂接各种智能传感器ECU，如谷物流量传感器ECU、谷物含水量传感器ECU、割台高度传感器ECU、谷物温度传感器ECU、地速传感器ECU、升运器转速传感器ECU，还可以挂接DGPS模块，变量作业控制ECU，根据实际进行的产量监测和变量作业的不同要求，可以是以上各结点中的任意一种，也可以是它们的组合。

当本实用新型和整个CAN总线系统工作时，各智能传感器ECU可以实时获取它们相应传感器(谷物流量、割台高度、谷物含水率、谷物温度、收割机前进速度、净粮升运器提升速度)的信息，DGPS模块可以获取地块位置信息，中央处理器1根据这些测量的信号计算谷物单位面积产量，同时向显示单元6传送控制信号显示这些处理后的信息，并根据DGPS模块3接收的GPS信号计算出每一测试点的经纬度值(可通过坐标转换为X、Y坐标)，也在显示单元显示出来，从而实现产量监测；所有这些信号经过中央处理器1的处理，可通过存储器7记录和存贮这些数据，再经过后续处理，用产量图软件生成产量分布图，并根据作物管理决策支持系统最终形成作物管理处方图，将处方图存储于存储器7中，中央处理器1通过读取存储器7中的处方图生成控制命令并发送给变量作业控制ECU，引导变量作业机械进行变量作业，从而实现变量作业，做到“处方农作”，提高了经济效益，减少了环境的污染，可用于精细农业生产实践。

以下对本实施例的基于CAN总线的用于产量监测和变量作业的智能控制终端的各部分进行详细的说明。

参见图3、4，图3为本实用新型实施例的组成详细示意框图，图4为本实用新型实施例的电路原理图。

为了满足基本技术要求，考虑到控制终端所处环境的恶劣程度以及系统升级的方便，同时降低开发成本，基于CAN总线的用于产量监测和变量作业的智能控制终端使用的中央处理器采用了型号为P87C591的工业级单片机U1。这款微处理器是增强型51系列单片机，具有开发简单、功能强大、升级方便的特点。它采用了强大的80C51指令集并成功的包括了Philips半导体SJA1000CAN控制器的PeliCAN功能。P87C591完全履行CAN2.0B规范并提供一个直接从SJA1000独立CAN控制器的软件移植路径，它包括了SJA1000具有的所有功能，并在此基础上又增添了增强的CAN接收中断和扩展的验收滤波器功能，支持系统维护、诊断，系统优化以及接收FIFO特性。它还集成了6路10位A/D转换单元，用于满足CAN总线系统中的谷物流量传感器ECU、谷物温度传感器ECU、谷物水分传感器ECU、割台高度传感器ECU的模拟信号的输入，这样就不需要外扩A/D转换单元，同时又留有扩充的余地。它的引脚数为44个，但很多I/O口都可以工作在不同的模式，具有不同的功能，体积小，功能齐全，是CAN总线系统中智能结点的理想微处理器。

在本实施例中，为了增强挂接在CAN总线系统中的智能控制终端结点的抗干扰能力，P87C591的TXDC和RXDC并不是直接与U7CAN总线收发器82C250的TXD和RXD相连，而是通过U9、U10高速光电耦合器6N137后与82C250相连，并且光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD通过U11电源隔离模块IA0505S-1W完全隔离，这样就很好的实现了总线上各CAN结点间的电气隔离。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻R3和R4与CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容CC4和CC5，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根CAN总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管D3和D4，当输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用。82C250的Rs脚上接有一个斜率电阻R5，电阻的大小可以根据总线通信的速度适当调整。

由于智能控制终端需要记录和保存来自总线上各智能传感器ECU采集到的数据和DGPS位置信息，所记录的数据多且记录时间长，所以系统要求具备足够大的存储容量的存储介质作为此控制终端的存储器；并且，控制终端还必须能够读取此存储器内的作物管理处方图来指导变量作业。因此，本系统选用了U盘作为存储设备，U盘通过U盘文件读写模块RP1——CH375HM以数据总线和地址总线方式与单片机U1连接。U盘具有携带方便、存储量大、掉电后数据不丢失、即插即用等优点，而且能够很方便的被PC机读取。由于U盘读写模块采用的是并口扇区读写模式，读写速度快，因此，本实用新型还扩展了电32K的RAM——62256 U3作为数据临时存储器和U盘读写模块的数据缓冲区。此外，智能控制终端所接收到的传感器数据应反映出此刻相应的时间，控制终端选用了时钟芯片U6——DS12C887作为实时时钟提供准确的时间信息，DS12C887也是通过数据总线和地址总线方式与单片机U1连接。智能控制终端还将此实时时钟显示在其主界面上，使得人机界面更加友好。

在本实施例中，由于P87C591只有16K的内部程序存储器空间，而整个控制终端软件超过了16K，因此，扩展了64K的电擦写E²PROM——W27C512 U4作为控制终端的程序存储器。3-8译码器74LS138 U5用来产生有效的地址信号，从而选中相应的芯片，使其工作。地址锁存器74LS573 U2用来锁存地址信号。

在本实施例中，由于液晶显示器需要1A以上的工作电流，因此电源单元采用了大功率的DC-DC模块U8——XR10/12S05。它可以将9～18V输入电压转换为稳定的5V电压，并且最大能够产生2A的电流，足够满足智能控制终端的功耗。

在本实施例中，输入单元5、与显示单元6由一款触摸屏和一个液晶显示屏集成在一起而成，通过它可以输入需要设置的参数，可以显示采集到的数据。单片机U1通过它的通用串行接口控制这两个设备，U1的RXD接收触摸屏传来的数据，通过对这些数据的判断和处理，计算出此时触摸的位置，并根据此位置执行相应的操作。U1的TXD用来发送控制命令给液晶显示器，使其显示相应的界面。系统选用北京金创业公司的KY系列智能液晶终端，终端显示屏型号为KY-D94AN-10，黑白2色、640×480分辨率、9.4英寸。这是一款带冷阴极荧光灯CCFL背光，采用半透射半反射原理，在强光直射和黑暗环境下都能够使用，并且具有宽温度范围，能够很好的适应于田间恶劣的环境。终端触摸屏也是采用金创业公司的电阻式压力式触摸屏。它采用强化玻璃底材，耐撞力强，操作压力为15g～150g，分辨率是1024×1024，操作环境的温度0℃-65℃、相对湿度0％-95％RH。这款触摸屏具有超薄、透明度高、分辨率高、使用寿命长等特点，也能够很好的适应于田间操作。在此基础上开发设计了具有方便性、简单化、亲和性的人机操作界面。

图5是系统上电后的界面，为主界面。该界面中显示软件功能类型、版本信息和时间。在界面的下方是六个主要功能切换按钮：主菜单、变量作业、产量数据、GPS数据、设置、关机。触摸按钮可以直接进入相应的界面。“主菜单”即系统上电后的开机画面；“GPS数据”是GPS信息显示界面，在这里显示出接收到的GPS信息，即联合收割机的坐标信息：经度、纬度和速度，这些数据对生成产量分布图有很重要的作用。“关机”是关机提示界面，点击“关机”按钮可以正常关闭系统，同时为了防止误操作，设计时增加了一个关机确认界面，提示用户判断是否要进行关机操作。

点击“设置”可以进入参数设置界面，参见图6。在这里可以对要收获的地块命名，并对收获该地块时所用的每一辆车做标记(车次名)，同时可以根据联合收割机收获时的割幅状态设置相应的割幅宽度。为了方便输入，设计采用了“软键盘”输入方式，屏幕上设计了10个数字、24个字母和小数点，同时还有退格和确定按钮。用户设置时只需直接点击相应的数字和字母就可完成录入。这样设计使得操作简单、方便、直观。

点击“产量数据”按钮进入产量数据显示界面，参见图7。在这里显示了所有传感器采集、处理后的数据。谷物产量项用来显示已经收割的谷物的总产量；谷物流量项实时显示当前谷物的流量；谷物湿度和温度项分别反映此刻谷物的温湿度；地速项代表联合收割机运行的速度；割台高度是收割机是否工作的状态标志；升运器速度项表明了运送谷物颗粒的升运器转动的速度。此界面的右半部分设计有两个按钮：“空转标定”按钮用来对产量传感器进行静态标定，以提高收获时的测量精度；“产量清零”按钮用来将谷物总产量清零，重新开始收割；“开始/停止存储”按钮用来控制系统是否将数据存储到U盘中。这是个两用按钮，当点击“开始存储”时，系统开始将采集到的数据存储到U盘中，同时按钮显示变成“停止存储”，再次点击，可以控制停止存储操作，并且按钮显示又变回“开始存储”。

点击“变量作业”按钮进入变量作业控制界面，参见图8。在这里显示了一个地块的处方图信息，用实心黑色圆圈和箭头来代表拖拉机或者变量作业机械，并且当拖拉机前进时，此图标也根据实际的地块面积和显示器上显示的地块面积的比例相应前进。当它行进到地块某个位置时，控制终端根据其所在位置的处方图信息来指导变量作业。界面的左下角显示了南北和东西方向。此界面的右边设计有三个按钮：“开始”按钮用来控制系统开始进行变量作业；“停止”按钮用来控制系统停止变量作业；“返回”按钮将返回到系统主界面。

整个系统界面设计本着操作简单、直观、方便、实用、人性化的原则，很好的满足了实际需要。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，包括：

一用于处理数据和控制功能的中央处理器(1)；

其特征在于，还包括：

一用于输入数据的输入单元(5)，与所述中央处理器(1)的串行输入端连接；

一用于显示信息和变量作业界面的显示单元(6)，与所述中央处理器(1)的串行输出端连接；

一用于存储数据和读取处方图数据的存储器(7)，所述存储器(7)通过数据线和地址线与所述中央处理器(1)连接；

一高速光电耦合器(9)，与所述中央处理器(1)连接；

一用于CAN报文接收和发送的CAN总线收发器(4)，所述CAN总线收发器(4)通过所述高速光电耦合器(9)与所述中央处理器(1)的CAN接口连接；

一用于产生实时时钟的时钟单元(8)，通过数据总线与所述中央处理器(1)连接；

一稳压电源，为各部分电路提供电源。

2、根据权利要求1所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述的CAN总线收发器(4)通过一高速光电耦合器(9)与中央处理器(1)的CAN接口连接，一小功率电源隔离模块对该高速光电耦合器(9)的输入电源进行隔离。

3、根据权利要求1所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述中央处理器(1)扩展有存储器。

4、根据权利要求1所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述存储器(7)为U盘，该U盘通过U盘读写模块以数据总线和地址总线与中央处理器(1)连接。

5、根据权利要求1所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述输入单元(5)为按键或触摸屏。

6、根据权利要求1所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述显示单元(6)为液晶显示器。

7、根据权利要求1所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述时钟单元(8)为内置钮扣电池的实时时钟芯片，通过数据总线和地址总线与所述中央处理器(1)连接。

8、根据权利要求1所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述稳压电源为产生5V输出电压的DC-DC模块，模块输入电压范围为9～18V。

9、根据权利要求3所述基于CAN总线用于产量监测和变量作业的智能控制终端，其特征在于，所述中央处理器(1)扩展的存储器为数据存储器或程序存储器。

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