基于嵌入式电子测量的农机开发

景琴琴，詹跃明，郭松梅

(重庆能源职业学院，重庆 402260)

0 引言

我国的农业机械化发展相较于西方国家来说晚了许多年，以至于美国、英国等西方发达国家早已经实现机械化的农业生产，而我国的农业生产虽然农机设备的普及率较高，但仍不如西方发达国家，并且远未实现非西方国家的精准农业。现阶段，我国的农业发展方向是精准农业，其离不开嵌入式电子测量等先进科学技术的辅助。精准化农业可以提高农业的生产生活效率，大大降低农业的生产成本，能够提高农作物的质量，保证农作物的新鲜和绿色，从而确保农作物天然无公害，符合现在人们对天然无公害的农作物的生活需求及农业可持续发展要求，也符合我国大的可持续发展战略，更符合习主席近年来提出的“绿水蓝天”的要求。

从农作物的选种开始到农作物的收获，是一个较长的生长时间，需要用嵌入式电子测量的农机去帮助和辅助农民选种、耕田、施肥、除害虫、浇水及收获等。目前，嵌入式电子测量农机的普及率较低，很难满足我国农业在此方面的大量需求[1]。

电子测量技术有着许多不可比拟的优越性，许多非电量的测量也可以通过传感器转换成电信号再利用电子技术进行测量。许多人们不能去测量或者无法直接测量的地方，都可以用嵌入式电子测量的方式去测量，从而实现对电参数的稳态测量。

随着科学的进步，许多新型技术(如单片机、嵌入式技术和PC机等)都作为核心被应用在农业机械的监控上。单片机的功能过于简单，以其为核心的监控系统扩展和升级难度大，运行稳定性也不理想。以PC机为核心的监控系统成本太高，同时冗余的功能多，影响了推广范围。与这两种技术相比，嵌入式技术的系统集成具有较为明显的优势。

我国现阶段的农业现状以大平原农业为主，辅之以山区农业、畜牧业和渔业，作业环境复杂，所需机械各类繁多，发展精准农业势在必行，从而促进了电子技术及计算机技术的广泛应用。

嵌入式电子测量农机能够根据需要合理地选择仪器及测量方法，判断并排除在农产品的成长过程中出现的各种问题，且能够对测量数据进行统计分析，大大提高了农业的生产效率。

1 农机系统组成和原理

嵌入式电子测量的农机以嵌入式处理器为核心，由蓄电池提供电源，显示终端则在农机驾驶室。驾驶员可以利用全新的电子驾驶技术和电子测量技术对农产品进行测量，收集农产品的各个参数信息，将农产品的生长时机所需的营养成分和其他条件要求传输给微处理器。微处理器对数据进行分析总结，对参数的数据进行实时显示。控制面板能够显示数据，传递给驾驶员，驾驶员可根据返回的数据对农产品进行分析及操作。系统的应用程序和操作软件安装在储存器中[2]，其构成如图1所示。

2 系统硬件设计

该系统以微处理器为核心，加上嵌入式的硬件设备和软件操作程序，安装在农机上。该处理设备运用高级芯片来收集农产品生长所需的数据(如温室大棚的蔬菜所需要的温度及水分等)。基于嵌入式电子测量的农机显示器要求高清设备，能够更好、更全面地去显示农机采集设备所收集的信息，给驾驶员更加清楚的行动指令，从而确保农机操作的精确化。

电子采集设备需要使用3.5V的电压设备，农机的12V蓄电池作为其电源设备。显示设备采用电子液晶显示器，也需要用12V的农机蓄电池作为电源。微处理器外界显示屏用于数据的显示，显著提高了屏幕的清晰程度和屏幕效果。同时，显示设备内装有电子闹钟系统，若数据不足之时，电子闹钟系统则会自动提醒驾驶员处理，避免了时间差问题[3]。

控制面板需要驾驶员根据个人使用习惯对按键进行排版设定，让驾驶员能够在第一时间内根据显示数据做出最快的处理。控制面板和储存器并联设置，这样显示器显示的数据能够在第一时间进行备份。这些数据对于同一类农产品、相同环境下的成长是至关重要的，储存器需要及时进行数据的分析和处理，并在数据分析和处理完之后在第一时间内进行储存。该储存设备需要有较大的容量，这样才能够让数据进行永久性地保留。

系统数据线选择光缆，使数据的分析处理结果在第一时间内进行传递，且该数据的传递线也需要有着较强的抗干扰能力，才能够让数据在传递过程中保持相对安全，不至于在传递过程中出现被干扰的现象[4]。

图1 农机系统的组成部分

3 软件和算法

目前，嵌入式系统的操作系统主要有面向控制及通信的实时操作系统，但基于嵌入式电子测量的农机的系统需要能够进行高端设备处理且能够对产品进行升级及数学公式的运算，从而增加监控的信息种类。

以拖拉机为例，路径规划与跟踪模块根据已规划垄行及当前拖拉机GPS位置信息，动态实时显示拖拉机的工作位置、作业路径及垄行跟踪偏差，并及时提示驾驶员调整驾驶策略，以保障拖拉机准确巡航。路径回放功能过程再现与检查：系统通过AB直线垄行预规划的方法决策拖拉机在田间的工作路径并进行跟踪显示，当拖拉机垄行跟踪偏差大于作业要求时，系统需重新规划路径。

嵌入式电子测量的农机部件有很多，结构复杂，但在中心内部微处理器的帮助之下，驾驶员能够更好地了解和处理出现的一些问题。同时，运用软件能处理对产品的调查。首先是产品的数据分析，可对农产品的生产、成长有很大的帮助，运用数学公式对农产品数据进行分析处理，从而更加精确地去计算农产品所需要的营养成分。微处理器需要和储存器更好地配合，微处理器需要能够及时有效地去分析数据，并运行CPU处理数据，从而对数据进行更加良好的处理分析。

4 系统测试

本产品将更多地应用于农业生产之中，应用于转基因农业发展，应用于温室大棚生产，这样生产生活的运营形势才能得到更好的转变[5]。

基于嵌入式电子测量的农机能够更好用于农业及相关领域，能够为农业发展提供更好的帮助，对于我国的农业发展有更多的借鉴意义。如果系统能够在温室大棚农业中测量大棚内部的温度、湿度及CO2含量，及时地对大棚内部环境进行反馈，从而实现对大棚内部环境及时有效的调整。测试发现：嵌入式电子测量农机在工作流程中更加流畅，作业效率极高，测量越来越精确，效果令人满意[6]。测试结果如表1所示。

表1 嵌入式电子测量的农机温室大棚测试

Table 1 Agricultural machinery system test of embedded electronic measurement in greenhouse

速度/m·s-1蔬菜作业效率/hm2·h-1故障次数花卉作业效率/hm2·h-1故障次数1.20.3510.4301.60.4200.5311.80.4800.610

5 结论

基于嵌入式技术和电子测量技术，介绍了一个依托于嵌入式电子测量的农机应用技术，用于对农产品的数据测量。

系统以嵌入式电子测量为主，以微处理器为核心，由显示器、控制面板、连接器和储存器等部件构成，应用效果良好，降低了农产品生产成本，提高了资源的利用率及自动化水平。基于嵌入式电子测量的农机有更好的市场前景，频率范围宽，测量量程广，测量精准度高，测量速度快、易于实现遥测和长期不间断测量，相对于原来的农机有着很大的优越性[7]，是精准农业的发展方向。