基于多传感器的秸秆打捆机计数监测系统

来源：职称论文发表咨询网作者：田编辑时间：2020-08-15 16:49

　　摘要:为实现打捆机作业数量的精准计数，对其他打捆机计数方法进行分析，设计了基于多传感器的秸秆打捆机计数监测系统。系统以STC15W4K61S4为微处理器为核心，集成角度传感器模块、霍尔传感器模块及全网通模块，可实现对打捆机作业量的精准计数与实时查看，并根据卡尔曼滤波算法对角度传感器舱门检测进行优化，实现打包计数精准上传。系统测试结果表明:使用接近开关计数方法计数误差为5．3%，未进行滤波处理的计数误差为2．5%，使用卡尔曼滤波器后计数误差为0%，使用卡尔曼滤波器优化后的角度值进行舱门检测可使打捆机打包计数精准度达到100%。最后，对系统进行了实地作业试验，结果表明:系统在长时间作业情况下工作效果良好，满足系统设计需求。

　　关键词:秸秆打捆机;计数系统;传感器;卡尔曼滤波

基于多传感器的秸秆打捆机计数监测系统

　　引言

　　每年各地秋收后会产生大量秸秆，就地焚烧造成空气污染和资源浪费，秸秆打捆机［1］的出现实现了对秸秆的回收利用［2］。对作业田地打包数量的统计可解决对每公顷地秸秆产量估测、秸秆包的去向分配及来年作业农机分配等问题。近年来，国内学者对打捆机作业监控进行了研究。康康［3］等利用多传感器和GIS实现对农机作业面积统计和农机状态的监测。贾全忠［4］利用STM32、嵌入式CDMA通信技术及全球定位系统实现对农机实时信息的收集和监测调度。上述研究都集中于车辆作业面积和农机车辆状态的监测，未针对打捆机的精确计数进行监测;而计数工作目前大部分地区依旧以手工记录为主，会出现漏记与数据管理不当的问题。国内也有学者对此问题提出了解决方案，如李建军［5］等利用传感器技术与PLC控制系统实现对网络型圆草捆打捆机进行控制与监测，利用接近开关监测缠网完成和舱门变化来确定1次打包作业完成;但打捆机在作业过程中因震动明显舱门会出现缝隙，收稿日期:2019－01－14基金项目:吉林省科技发展计划项目(20160623016TC，20170204038NY，20170204017NY);国家大学生创新创业训练计划项目(201710193040)作者简介:孙艺哲(1993－)，男，山西运城人，硕士研究生，(E－mail)sunyizhe1226@163．com。通讯作者:宫鹤(1976－)，男，长春人，副教授，硕士生导师，(E－mail)gonghe@jlau．edu．cn。接近开关检测到变化后会直接判定1包作业完成，产生误判。针对此问题，基于物联网技术设计了一套秸秆打捆机计数监测系统，采用角度传感器监测舱门吐包时的角度变化，结合缠网信息判定1包作业完成。同时，利用卡尔曼滤波算法对角度数据进行滤波处理，防止抖动问题对打包数量造成误差。作业完成后，上传数据至服务器端，在服务器应用Web和Android技术实现远程监测和查看，实现对打捆机作业精准计数与远程管理，使打捆机作业向信息化与智能化发展［6－7］。

　　1系统结构及原理

　　1．1系统结构基于物联网的秸秆打捆机监测系统拓扑图如图1所示。

　　1．2卡尔曼滤波算法度变化

　　作业过程中，大田路况复杂，作业车辆自身存在抖动，会导致角度传感器在采集数据时出现毛刺信息，造成打包误判。因此，加入卡尔曼滤波算法对采集数值进行滤波，减少毛刺信息［8－12］，来规避误判操作的发生。

　　2系统设计

　　2．1采集节点硬件设计

　　硬件终端主要由主控芯片、全网通模块和安装在打捆机上的传感器组成。因设备供电由拖拉机电瓶提供，所以针对不同传感器工作电压设计了电平转换电路，实现12V电平转5V电平、3．3V电平，从而给主控芯片和传感器供电。硬件结构图如图2所示。

　　主控芯片实现对采集数据处理和打包判断。传感器选用高精度传感器对农机作业过程中各项数据进行采集，全网通模块实现数据的上传。图3为硬件终端实物图。

　　2．2系统软件设计

　　整套系统软件分为两部分:①硬件终端以Keil5为开发环境，采用单片机C语言开发;②远程服务器程序主要用来进行数据接收、解析、分析及存储等功能，同时构建人机交互界面，实现远程监测的目的。

　　3系统测试

　　为验证加入卡尔曼滤波算法后是否提高了对作业完成动作判断的准确率，于2018年10月在农安新农乡镇前韩家进行了实地测试。图7为现场作业图片。