一種多功能農機深松智能監管系統及方法與流程
本發明屬于遠程監控技術領域，具體涉及一種多功能農機深松智能監管系統及方法。
背景技術：
現有的智能化深松整地作業質量監控技術中由于均采用超聲波測量法測量松地深度，受地面凹凸不平和秸稈集結成堆的原因，會導致不能測量真實地面，反應耕地深度真實性有難度，抗干擾能力弱；沒有充分考慮農機作業時土地環境的復雜性，當土地表面不平整或者秸稈等雜物時，利用超聲波測距傳感器來測量耕地深度的準確性得不到保障；缺少實時監測農機作業畫面的功能，使監管人員不能很全面的了解作業現場的實時狀況，降低了監控中心監管人員的決策水平；沒有設置語音報警提醒功能，有時會使駕駛員不能及時掌握作業相關信息；沒有在機具上設置辨識裝置，監管系統對于機具的基本信息不能夠自動的識別，監管系統不能更好地獲取機具的有效信息，以規范駕駛員使用規定的機具進行作業。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提出一種多功能農機深松智能監管系統及方法。
本發明的技術方案是：
一種多功能農機深松智能遠程監管系統，包括：主控制器、顯示面板、GPS模塊、GPRS模塊、攝像頭、語音報警裝置、傾角傳感器、機具識別裝置；
所述主控制器、顯示面板、GPRS模塊、語音報警裝置設置于駕駛室內，GPS模塊安裝于駕駛室外側，所述GPRS模塊的天線設置于駕駛室外側，所述攝像頭安裝于駕駛室后測，所述傾角傳感器安裝于犁臂上，所述機具識別裝置安裝于機具表面；
所述GPS模塊的輸出端連接GPRS模塊的輸入端，所述攝像頭、傾角傳感器、機具識別裝置通過RS485連接主控制器，所述主控制器的輸出端連接顯示面板的輸入端、GPRS模塊的輸入端、語音報警裝置的輸入端，所述主控制器的電源端連接農機電瓶的輸出端，所述GPRS模塊通過無線網絡連接智能移動設備和數據中心計算機。
所述主控制器，用于接收機具識別信息、犁臂的角度信息、GPS定位信息、作業圖像信息，根據犁臂的角度信息與作業深度之間的關系采用分段線性插值算法得到犁臂的角度與作業深度的函數關系，從而根據犁臂的角度信息得到其對應作業深度值，根據GPS定位信息確定作業面積，將機具識別信息、GPS定位信息、作業圖像信息、作業深度值和作業面積傳輸至顯示面板、智能移動設備和數據中心計算機，并在機具識別錯誤、深度不達標時發送報警信號至語音報警裝置；
所述顯示面板，用于顯示機具識別信息、報警提示信息、作業深度值和作業面積；
所述GPS模塊，用于將農機GPS定位信息傳輸至主控制器；
所述GPRS模塊，用于實現主控制器與智能移動設備和數據中心計算機之間的通訊；
所述攝像頭，用于實時監控機具的工作狀態，并在接收到主控制器的拍照指令時拍攝機具作業圖像信息，傳輸至主控制器；
所述語音報警裝置，用于根據主控制器的控制，在機具識別錯誤、深度不達標時進行報警；
所述傾角傳感器，用于采集犁臂的角度信息，傳輸至主控制器；
所述機具識別裝置，用于獲取機具識別信息，傳輸至主控制器。
所述語音報警裝置，包括語音控制器和報警喇叭。
采用多功能農機深松智能遠程監管系統進行農機深松智能遠程監管的方法，包括以下步驟：
S1：在機具開始工作時，通過傾角傳感器采集犁臂的角度信息，傳輸至主控制器，通過主控制器對機具進行標定：標定機具在地表以及地下不同作業深度工作時對應的犁臂的角度信息，根據犁臂的角度信息與作業深度之間的關系采用分段線性插值算法得到犁臂的角度與作業深度的函數關系；
S2：通過機具識別裝置獲取機具識別信息至主控制器，主控制器獲取機具種類和規格；
S3：通過GPS模塊得到機具的GPS定位信息；
S4：通過攝像頭實時監控機具的工作狀態，在接收到主控制器的拍照指令時拍攝機具作業圖像信息，傳輸至主控制器；
S5：通過主控制器間隔一定時間讀取一次犁臂的角度信息、GPS定位信息，根據犁臂的角度與作業深度的函數關系，確定當前的作業深度值，根據GPS定位信息確定作業面積，將機具識別信息、GPS定位信息、作業圖像信息、作業深度值和作業面積傳輸至顯示面板、智能移動設備和數據中心計算機；
S6：顯示面板顯示機具識別信息、報警提示信息、作業深度值和作業面積；
S7：在機具識別錯誤、深度不達標時主控制器發送報警信號至語音報警裝置，語音報警裝置進行報警，并在顯示面板中顯示報警提示信息。
本發明的有益效果：
本發明提出一種多功能農機深松智能監管系統及方法，利用傾角傳感器通過測量犁臂下擺的角度，來測量作業時的深度值，在單片機軟件中配合使用分段線性插值算法，可以大大提高測量精確度與穩定性。與超聲波測距類傳感器相比，不受地面不平秸稈肥料擁堵對耕深測量結果的影響；配合機具識別裝置使用，機具識別裝置內保存有機具的基本信息，包括機具的類別、機具有效作業寬度等；如果其它種類的農機作業也需要使用本監管系統時，只需安裝相應的識別裝置即可，例如深松時安裝機具識別裝置，播種時也可以安裝播種機識別器，從而擴大了本監管系統的應用范圍；通過增加語音報警裝置可以對不同的作業狀態信息進行不同的有效提醒，主要有機具識別信息、耕深信息、可以有效避免司機在作業時只顧觀察路況，沒有看顯示面板而造成不能及時掌握作業信息的情況；使用了攝像頭裝置，可以定時采集作業畫面并上傳，作為輔助手段使監管人員更好地了解實地作業狀態。
附圖說明
圖1為本發明具體實施方式中多功能農機深松智能遠程監管系統示意圖；
其中，1-主控制器，2-顯示面板，3-GPS模塊，4-GPRS模塊，5-攝像頭，6-語音報警裝置，7-傾角傳感器，8-機具識別裝置，9-犁臂，10-機具；
圖2為本發明具體實施方式中多功能農機深松智能遠程監管系統結構框圖；
圖3為本發明具體實施方式中主控制器的結構示意圖；
其中，11-單片機，12-LCD和指示燈接口電路，13-語音模塊驅動電路，14-GPRS模塊接口電路，15-攝像頭接口電路，16-機具識別模塊接口電路，17-數據存儲器，18-電壓轉換電路、19-傾角傳感器接口電路，20-按鍵；
圖4為本發明具體實施方式中多功能農機深松智能遠程監管系統電路連接圖；
圖5為本發明具體實施方式中多功能農機深松智能遠程監管方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明具體實施方式加以詳細說明。
一種多功能農機深松智能遠程監管系統，如圖1所示，包括：主控制器1、顯示面板2、GPS模塊3、GPRS模塊4、攝像頭5、語音報警裝置6、傾角傳感器7、機具識別裝置8。
主控制器1、顯示面板2、GPRS模塊4、語音報警裝置6設置于駕駛室內，GPS模塊3安裝于駕駛室外側，GPRS模塊4的天線設置于駕駛室外側，攝像頭5安裝于駕駛室后測，傾角傳感器7安裝于犁臂9上，機具識別裝置8安裝于機具10表面。
如圖2所示，GPS模塊3的輸出端連接GPRS模塊4的輸入端，攝像頭5、傾角傳感器7、機具識別裝置8通過RS485連接主控制器1，主控制器1的輸出端連接顯示面板2的輸入端、GPRS模塊4的輸入端、語音報警裝置6的輸入端，主控制器1的電源端連接農機電瓶的輸出端，GPRS模塊4通過無線網絡連接智能移動設備和數據中心計算機。
主控制器1，用于接收機具識別信息、犁臂的角度信息、GPS定位信息、作業圖像信息，根據犁臂的角度信息與作業深度之間的關系采用分段線性插值算法得到犁臂的角度與作業深度的函數關系，從而根據犁臂的角度信息得到其對應作業深度值，根據GPS定位信息確定作業面積，將機具識別信息、GPS定位信息、作業圖像信息、作業深度值和作業面積傳輸至顯示面板2、智能移動設備和數據中心計算機，并在機具識別錯誤、深度不達標時發送報警信號至語音報警裝置6。
本實施方式中，如圖3所示，主控制器1包括單片機11、LCD和指示燈接口電路12、語音模塊驅動電路13、GPRS模塊接口電路14、攝像頭接口電路15、機具識別模塊接口電路16、數據存儲器17、電壓轉換電路18、傾角傳感器接口電路19和按鍵20。
顯示面板2通過LCD和指示燈接口電路12連接單片機11，GPRS模塊4通過GPRS模塊接口電路14連接單片機11，攝像頭5通過攝像頭接口電路15連接單片機11，語音報警裝置6通過語音模塊驅動電路13連接單片機11，傾角傳感器7通過傾角傳感器接口電路19連接單片機11，機具識別裝置8通過機具識別模塊接口電路16連接單片機11，數據存儲器17通過IIC總線連接單片機11，單片機11通過電壓轉換電路18連接農機電瓶。
本實施方式中，單片機11的型號為STC15W4K58S4。
LCD和指示燈接口電路12由總線驅動器組成。
語音模塊驅動電路13，包括光電隔離器和三極管驅動電路。
語音模塊驅動電路13與單片機11之間采用光電耦合器連接，可以有效保護單片機，以免受到外部高電壓、強電流的沖擊而損壞，提高了它的安全等級，延長了使用壽命。
GPRS模塊接口電路14為第一TTL-RS232電平轉換電路。
攝像頭接口電路15，包括第二TTL-RS232電平轉換電路和第一RS232-485電平轉換電路。
機具識別模塊接口電路16為TTL-485電平轉換電路。
電壓轉換電路18將農機車載電瓶電壓轉換至本系統所需的電壓標準。
傾角傳感器接口電路19，包括第三TTL-RS232電平轉換電路和第二RS232-485電平轉換電路。
如圖4所示，攝像頭5通過第一RS232-485電平轉換電路和第二TTL-RS232電平轉換電路連接單片機11的串口3，傾角傳感器7通過第二RS232-485電平轉換電路和第三TTL-RS232電平轉換電路連接單片機11的串口4，機具識別裝置8通過TTL-485電平轉換電路連接單片機11的串口1，數據存儲器17通過IIC總線連接單片機11的I/O口，顯示面板2通過總線驅動器連接單片機11的I/O口，語音報警裝置6通過光電隔離器和三極管驅動電路連接單片機11的I/O口，GPRS模塊4通過第一TTL-RS232電平轉換電路連接單片機11的串口2。
數據存儲器17，用于在網絡信號不好時暫存機具識別信息、GPS定位信息、作業圖像信息、作業深度值和作業面積數據。除了在正常工作時可以保存采集的重要信息以外，在系統突發掉電的情況下可以及時的存儲關鍵信息，以保證下次重啟時，重要的信息不丟失，極大的提高了系統的可靠性。
顯示面板2，用于顯示機具識別信息、報警提示信息、作業深度值和作業面積。
顯示面板2當犁地作業深度在小于20CM時，紅色指示燈亮起；作業深度在20CM和25CM之間時，綠色指示燈亮起；作業深度超過25CM時，藍色指示燈亮起。
GPS模塊3，用于將農機GPS定位信息傳輸至主控制器1。
GPRS模塊4，用于實現主控制器1與智能移動設備和數據中心計算機之間的通訊。
攝像頭5，用于實時監控機具10的工作狀態，并在接收到主控制器1的拍照指令時拍攝機具10作業圖像信息，傳輸至主控制器1。
語音報警裝置6，用于根據主控制器1的控制，在機具識別錯誤、深度不達標時進行報警。
語音報警裝置6，包括語音控制器和報警喇叭。
傾角傳感器7，用于采集犁臂的角度信息，傳輸至主控制器1。
機具識別裝置8，用于獲取機具識別信息，傳輸至主控制器1。可以記錄機具10的詳細信息，包括機具的種類、型號、尺寸。機具識別裝置8有效面緊貼于機具10表面安裝，也可以根據不同的農具安裝不同的機具識別裝置8，從而對不同的農機作業(如播種，深松)進行監管。只需將機具識別裝置8的輸出端插接到主控制器1主板上，即可對其他的作業進行監管，快捷方便，應用性廣泛。
本實施方式中，機具識別裝置可以采用犁具識別器播種機識別器收割機識別器等。
采用多功能農機深松智能遠程監管系統進行農機深松智能遠程監管的方法，如圖5所示，包括以下步驟：
S1：在機具開始工作時，通過傾角傳感器采集犁臂的角度信息，傳輸至主控制器，通過主控制器對機具進行標定：標定機具在地表以及地下不同作業深度工作時對應的犁臂的角度信息，根據犁臂的角度信息與作業深度之間的關系采用分段線性插值算法得到犁臂的角度與作業深度的函數關系。
本實施方式中，標定機具在地表面、地下20cm、地下25cm時對應的犁臂的角度信息。
機具地表面對應的犁臂角度信息用于判斷機具是否已經工作，機具在地下20cm對應的犁臂角度信息用于判斷耕地深度是否達標，機具在地下25cm對應的犁臂角度信息用于判斷耕地深度是否超出所要求的范圍。正常的耕地深度為20-25cm，耕地深度大于25cm或者小于20cm時都屬于不在正常耕地深度范圍內。
根據犁臂的角度信息與作業深度之間的關系采用分段線性插值算法得到犁臂的角度與作業深度的函數關系。
本實施方式中，將作業深度在18cm-28cm分為5段，即18cm-20cm、20cm-22cm、22cm-24cm、24cm-26cm、26cm-28cm，首先分別測得深度值為18cm、20cm、22cm、24cm、26cm、28cm時的傾角傳感器的角度值，將對應傾角傳感器的角度值記錄為a、x1、x2、x3、x4、b。得到插值點(a，18)，(x1，20)，(x2，22)，(x3，24)，(x4，26)，(b，28)。
此處作業深度計算算法確定在18cm-28cm的耕深范圍，比之前提到的正常耕深范圍20cm-25cm要大的原因是考慮到實際使用時，在正常范圍的端點附近處(即20cm和25cm處)，也要比較準確的計算出深度信息，避免較大的誤差存在。
通過插值點用折線段連接逼近傾角傳感器與深度值的實際函數關系Ih(x)。
設已知節點a＝x0＜x1＜x2＜x3＜x4＜x5＝b上的函數值f0＝18，f1＝20，f2＝22，f3＝24，f4＝26，f5＝28，記hk＝xk+1-xk，h＝maxhk，求一折線函數Ih(x)滿足：
(1)Ih(x)∈C[a，b]；
(2)Ih(x)＝fk(k＝0，1，...，n)；
(3)Ih(x)在每個小區間[xk，xk+1]上是線性函數。
Ih(x)為分段線性插值函數。
Ih(x)在每個小區間[xk，xk+1]上可表示如式(1)所示：
其中，fk，fk+1為相鄰兩個節點對應的深度值。
S2：通過機具識別裝置獲取機具識別信息至主控制器，主控制器獲取機具種類和規格。
S3：通過GPS模塊得到機具的GPS定位信息。
S4：通過攝像頭實時監控機具的工作狀態，在接收到主控制器的拍照指令時拍攝機具作業圖像信息，傳輸至主控制器。
S5：通過主控制器間隔一定時間讀取一次犁臂的角度信息、GPS定位信息，根據犁臂的角度與作業深度的函數關系，確定當前的作業深度值，根據GPS定位信息確定作業面積，將機具識別信息、GPS定位信息、作業圖像信息、作業深度值和作業面積傳輸至顯示面板、智能移動設備和數據中心計算機。
本實施方式中，根據GPS定位信息確定作業面積具體過程為：
利用GPS模塊能得出拖拉機的行駛軌跡，再根據機具識別裝置里設置好的機具的有效作業寬度就能算出作業面積，作業面積＝行駛長度*有效作業寬度。這在一定程度上既降低了硬件的復雜程度，也減少了系統的成本。
S6：顯示面板顯示機具識別信息、報警提示信息、作業深度值和作業面積；
S7：在機具識別錯誤、深度不達標時主控制器發送報警信號至語音報警裝置，語音報警裝置進行報警，并在顯示面板中顯示報警提示信息。
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