基于北斗GPS双模定位的新型农机作业面积测量装置的研制

李 照

0 引言

随着我国农业生产逐步规模化、集约化，农机装备水平不断提升，农机服务组织日益壮大，服务领域不断拓宽，新型农机作业面积测量装置正是在农机作业越来越社会化、作业面积对农机作业收入影响日益显著的大背景下，为精确测量作业面积、快速计算作业价格、方便农机手实际操作，从而提升农机作业整体收益而研制的。该装置在提升面积测量精度的前提条件下尽可能降低成本，以高性价比的STM32F103R微处理器为核心，以北斗GPS双模定位为主要测量方式，定时接收卫星定位信号，并通过坐标变换算法转换为用户坐标，同时采用液晶显示和锂电池供电，可在任何场景下清晰地将有效信息展示给用户，方便农机手在野外和夜间农机作业中使用。

1 STM32F103R微处理器简介

意法半导体公司生产的STM32F103R是基于Cortex-M3架构的32位微控制器，具有低成本高性能的特点，可用于微小型便携式智能化设备，其CPU的主频高达72 MHz。STM32F103R的硬件资源包括：高达128 K字节的Flash、20 K字节的SRAM、2个高速I2C、3个快速USART、4个通用定时器，以及42个GPIO引脚，能够满足该装置对硬件资源的需求。

2 系统硬件设计

2.1 总体方案设计

该系统硬件以STM32F103R 32位微处理器为核心，测量模块采用北斗GPS双模定位芯片VK25BDMT；显示模块采用JLX12864G液晶模块；电池供应采用3.7 V锂电池供应工作所需电能；开关按键采用薄膜按键，美观方便；验钞功能使用蓝光LED，照明功能采用白光LED。系统的硬件总体结构如图 1所示。

图 1 硬件总体结构图

2.2 北斗GPS双模定位模块

2.2.1 VK25BDMT芯片介绍

根据农机手在野外全天候农机作业需要快速精确地获得作业田块的面积从而计算作业费用的设计要求，选择北斗GPS双模定位芯片VK25BDMT来进行定位测量。VK25BDMT芯片是由香港微科电子公司推出的一种北斗GPS双模定位芯片，VK25BDMT的重量约为14克，内部建立具备快速定位及追踪33颗卫星能力的北斗GPS芯片，内置备份电池，内置高增益LNA，双路LDO，PCB镀金工艺，具有非常高的性价比，信号更好更稳定。串口默认输出为9600波特率，采用NMEA 0183 卫星通信标准，电路连接非常方便可靠。

2.2.2 定位测量

该装置将VK25BDMT芯片输入的卫星定位数据转换成当地实际位置，并实时显示给用户。当测量开始后，装置自动记录用户所行走的运动轨迹，并实时计算轨迹面积，在测量中遇到信号不足时，自动在北斗和GPS两套卫星定位系统切换，确保测量精度。测量结束后，自动生成轨迹图和田块面积，并提供多次测量的平均值，提高测量精度。除了自动测量外，该装置还提供手动测量功能，用户可以自由确定测量点，最后计算出测量点面积，用途非常广泛。

2.3 液晶显示模块

2.3.1 JLX12864G液晶模块

JLX12864G是深圳晶联讯电子公司生产的便携式设备用液晶模块，可以显示128列×64行点阵单色图片，或显示4行16×16点阵的汉字，或显示8行8×8点阵的英文、数字、符号。其特点：一是结构轻、薄、带背光。二是IC采用UC1701X，功能强大，稳定性好。三是功耗低。不带背光10 mW，带背光不大于100 mW。四是指令功能强。五是接口简单方便。采用4线SPI串行接口。六是工作温度范围宽。在-20℃～70℃之间。七是可靠性高。寿命为50 000小时(25℃)，非常适合该装置显示用。

2.3.2 液晶显示控制

该装置根据需要主要显示汉字、英文字符、数字等，因此系统需要存储16×16字库用来显示“经度”“纬度”等汉字信息，存储8×16字库用来显示英文字符和数字信息。由于JLX12864G采用了防强光照射的技术，即使在中午太阳照射下，也能清晰地显示各种信息。在夜间使用时，通过按键实现背光灯开关切换，背光开后可以清晰显示各种信息，30 s无按键响应则装置又会自动关闭背光灯以节约电源。

2.4 锂电池供电模块

以往的测量装置往往采用干电池作为便携式供电设备，有着明显的不足，那就是工作成本比较高，往往用几个小时就需要更换电池。采用可充电的锂电池模块，则可以减少电池使用成本，增加电池续航能力。该装置采用3.7 V锂电池组，标准容量2 600 MAH，可供装置连续工作20 h以上。锂电池采用充电保护电路，安全可靠，5 V电源输入连续充4 h就可充满，反复充电可达2 200次，降低了装置的电池使用成本。增加电源监控模块，可在锂电池电压低时报警提醒，从而防止供电不足导致装置不能正常工作。

2.5 验钞LED模块

农机手农忙时经常在夜间作业，装置需要具备能在黑暗环境识别真假钞的功能。该装置采用高亮度蓝光LED(波长为395～400 nm)，可利用固定波长紫外光检测人民币的纸质。由于真假人民币材质不同，假钞在紫外线的照射下会出现荧光反应，真钞则没有荧光反应。通过验钞功能按钮的开关控制，实现验钞LED灯的开关，启动或关闭验钞功能，操作非常方便。

3 系统软件设计

3.1 软件开发工具

该装置采用ARM公司推出的MDK4.0集成开发环境进行系统软件设计，编程语言是嵌入式C语言，可运用软件设计模式，迅速开发应用程序。MDK4.0集成开发环境是一款具有强大内置编辑功能的多内核编译调试工具，支持ARM、51、AVR内核等多种嵌入式微控制器，实现从工程建立和管理、编译、链接、标代码的生成，到软件仿真、硬件仿真等完整的软件设计与开发流程，非常适合作为嵌入式、便携式设备的软件开发平台。

3.2 软件功能设计

该系统软件主要由测量界面、功能界面等组成。测量界面如图2所示，“就绪”表示已搜索到卫星信号，仪器就绪。“000”表示已保存的测量点数量。“12:18”表示当前时间为12时18分。“MZR”表示测量仪参数，M为测量类型（M：测面积，J：测距离），Z为测量方式（Z：自动测量，S：手动测量）。“08”表示当前搜索到的卫星数量。“经度”后面的数据，表示东经120度11.5005分。“纬度”后面的数据，表示北纬30度16.2080分。

图 2 软件测量界面

功能界面由测面积、测距离、测周长、测海拔、查记录、自动测、设单价等八个基本功能组成，可以完成农机作业的面积测量、单价设定和总价计算，操作方便直观。功能界面如图 3所示。

4 结束语

图 3 软件功能界面

该装置是以STM32F103R微处理器为核心，采用先进的北斗GPS双模定位技术研制的一种集测量、计算、存储管理于一体的新型农机作业面积测量装置，可以实现全天候对不同形状的田块进行面积测量，方便农机手跨区播种、插秧、病虫害防治、收割等作业使用。经实际测试，该装置具有测量精度高、可靠性好、携带使用方便、续航能力强的特点，可用于我国农机作业面积的测量，方便农机手进行作业面积的精确测量，提高作业收益。

[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北航空航天大学出版社,2005:200-208.

[2]赖于树.ARM处理器与应用开发[M].电子工业出版社,2007:25-32.