智能机载测亩仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无人遥控农药喷洒飞机实际作业中对不规则地块的面积及相关 价格等参数进行自动检测的设备和方法。 技术背景
[0002] 随着农业发展的需要，各种农机产品竞相产生，无人遥控农药喷洒飞机就是其中 的一种。遥控农药喷洒飞机给土地喷洒农药提供了极大便利，节省了人力，也提高了工作效 率，然而其工作内容单一，只是机械地给田地喷洒农药，无法估算田地的面积和喷洒农药费 用，而现有的土地面积测量仪等软件虽能实现面积的估算和相关费用计算，却无法与农机 进行通信、实现实时数据传输；并且现有的土地测量仪器和软件的测量方式均是采用边界 测量法，即要求测量人沿被测土地边缘环行一周，才能计算出面积。目前市场上现有的检测 器体积大，精度低，携带不方便，而且不宜上机携带，操作复杂，效率低，成本高。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对上述缺陷设计一种既能完成对土地面积的测量和遥控飞机 作业费用的计算，也能与遥控飞机采集数据进行对接，实时处理采集数据的智能机载测亩 仪。
[0004] 本发明的技术方案是：本智能机载测亩仪整机系统由硬件部分和PC机软件部分 组成；其测量方法是，飞机绕地块作业，机载硬件每隔3-5秒采集地块经纬度数据，通过无 线收发模块下传数据，PC机获得测量数据，在PC机上运行软件，处理测量数据，计算出土地 面积和相关费用，再次通过无线收发模块将结果上传到机载硬件上显示； 本智能机载测亩仪硬件部分由机载硬件模块和PC机硬件模块组成，其中机载硬件有 GPS模块、STC89C52单片机、Si4432无线收发模块、IXD1602液晶显示屏、电源模块、三个非 自锁按键;PC机硬件模块是Si4432无线收发模块； STC89C52单片机程序代码由汇编语言编写，其流程是：开始进行初始化操作，单片机 发送指令给GPS模块，控制其采集数据；单片机检测是否有数据传来，该数据或来自GPS模 块，或来自PC机Si4432无线收发模块，若有，则接收并存储数据；单片机控制液晶显示屏显 示相关数据；检测是否有外部中断，若有，则下载数据；同时单片机将数据传送给机载无线 收发模块，机载无线收发模块再将数据下传给PC机无线收发模块； 本智能机载测亩仪PC机软件部分的设计思路为，先获取飞机采集数据点，再从这些数 据点中找出边界点，然后用数学方法即三次样条函数来模拟其边界曲线，进而求取模拟边 界的面积等参数；由以下步骤组成， 1. 程序初始化 设置参数的初始值、设置运行界面居中显示等； 2. 获取飞机下传的测量数据 测量数据存放在excel表格中，软件通过读取excel表格来获取程序需要的测量数据； 飞机下传的测量数据格式为：第一列为数据点的行号；第二、三列为机载硬件GPS模块测量 地块的经纬度坐标数据；第四列数据全置为0,同时得到数据矩阵rss ; 3. 用chalineO函数来获取数据的边界点 chaline ()函数要事先定义才能调用；由chaline ()函数得到边界点的行号，从而得 到边界点坐标； 4. 用三次样条函数来模拟其边界曲线 对于边界不规则土地面积的计算，用三次样条函数来模拟其边界曲线； 5. 核算总费用 计算出地块的面积s (m2)，已知工本单价Vl (元/m2)和人工劳务费用V2 (元/m2)， 求出该块土地喷洒农药的总费用V (元)，计算关系为V = S*vl*v2; 6. 退出程序 计算结束后退出程序，采用问题对话框。
[0005] 本发明的有益效果： 本发明采用国际通用的51单片机作为处理核心，工作稳定。同时该设计使用的国际 通用的TF16E GPS模块具有精度高功耗低，具有很强的稳定性。本智能机载测亩仪采用的 Si4432是一款低于IGHz高性能射频收发器。其主要针对工业、科研和医疗（ISM)以及短距 离无线通信设备（SRD)。Si4432输出功率可达+20dBm，接收灵敏度达到-121dBm，可提供对 数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示（RSSI)、空闲信道评估（CCA)、唤醒定时器、 低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能的硬件支持，具有很强 的适用性。本发明可以同时在PC端运行编写的土地面积、工时费用计算软件，能够在飞机 喷洒作业的同时实时进行采集数据和观察，方便使用，具有很强的通用性，并且具有相关费 用计算的功能可以选用。本发明解决了传统测亩仪需要沿被测土地边界运行一周和农业无 人机农药喷洒运行轨迹的矛盾、传统分析不规则面积采用直线拟合带来的测定准确率差、 效率低的固有缺陷。
【附图说明】
[0006] 图1-整机系统测量原理框图。
[0007] 图2-硬件部分原理框图。
[0008] 图3-STC89C52单片机电路图。
[0009] 图4-单片机复位电路图。
[0010] 图5-GPS模块电路图。
[0011] 图6-机载Si4432无线通信模块电路图。
[0012] 图7- IXD12864液晶显示屏模块电路图。
[0013] 图8-按键模块电路图。
[0014] 图9-机载硬件模块电路总图。
[0015] 图10- PC机硬件模块电路图。
[0016] 图11-单片机程序流程图。
[0017] 图12-软件部分程序流程图。
[0018] 图13-软件运行初始界面。
[0019] 图14-软件处理数据后的界面。
【具体实施方式】
[0020] -、智能机载测亩仪整机系统及测量方法 本智能机载测亩仪整机系统由硬件部分和PC机软件部分组成；其测量方法是，飞机绕 地块作业，机载硬件每隔3-5秒采集地块经纬度数据，通过无线收发模块下传数据，PC机获 得测量数据，在PC机上运行软件，处理测量数据，计算出土地面积和相关费用，再次通过无 线收发模块将结果上传到机载硬件上显示。整体系统原理框图如图1所示。
[0021] 二、硬件部分的组成 1、本设计的硬件部分由机载硬件模块和PC机硬件模块组成，其中机载硬件主要有GPS 模块、STC89C52单片机、Si4432无线收发模块、IXD1602液晶显示屏、电源模块、三个非自锁 按键(启动、手动下载数据、关闭）等组成；PC机硬件模块主要是由Si4432无线收发模块与 PC机组成，用来接收和发送数据。
[0022] 具体地，当飞机绕地块喷洒农药时，单片机控制GPS模块每隔3-5秒采集一组地块 经纬度数据：即采用GPS全球卫星定位系统能够提供实时的经度、纬度、高程等导航和定位 信息，利用GPS的定位功能，得出各个点的坐标，再通过数学方法计算出地块面积等参数； 飞机作业完毕后，GPS模块采集若干组数据，暂存在单片机中；单片机再将数据发送给机载 Si4432无线收发模块；机载Si4432将该数据发送到PC机Si4432无线收发模块；PC机接 收到数据后，再将数据交给PC机软件处理；软件运行得到的结果沿原路返回，同时单片机 控制LCD液晶显示屏显示结果；三个按键分别负责机载硬件模块的启动、关闭和数据下载。 本设计硬件部分原理框图如图2所示。
[0023] 2、机载硬件电路各功能模块设计 (1)STC89C52 :本设计采用STC89C52单片机为主控芯片。STC89C52是STC公司生产的 一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，为通用的单 片机，具有良好的处理能力。
[0024] STC89C52单片机主要控制GPS模块、Si4432无线收发模块和IXD液晶显示屏。 STC89C52单片机如图3所示。
[0025] (2)单片机复位电路：复位是单片机的初始化操作，当程序运行错误(如程序"跑 飞"）或操作错误使系统处于"死锁"状态时，可按复位键，使单片机或系统摆脱"跑飞"状态 而重新启动。复位电路如图4所示。
[0026] (3)GPS模块：本设计采用的GPS模块为集成了 RF射频芯片、基带芯片和核心CPU， 并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。目前GPS模块的GPS芯片大部分还是以全球 市占率第一的SiRFIII系列为主。
[0027] GPS模块由单片机控制，当飞机作业时，单片机控制GPS模块每隔3-5秒采集一组 数据，并将该数据暂存在单片机中。GPS模块电路如图5所示。
[0028] (4)机载Si4432无线通信模块：Si4432是一款低于IGHz高性能射频收发器。其 主要针对工业、科研和医疗（ISM)以及短距离无线通信设备（SRD)。SI4432输出功率可达 +20dBm，接收灵敏度达到-121dBm，可提供对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指 示（RSSI)、空闲信道评估（CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通 用输入/输出口等功能的硬件支持，具有很强的适用性。
[0029] 机载Si4432无线通信模块主要用来发送单片机中的数据和接收PC机的结果数 据。它可将采集的数据发送给PC机硬件模块来传输，还可将PC机硬件模块传来的数据交 给单片机来处理。机载Si4432无线通信模块电路如图6所示。
[0030] (5) IXD12864液晶显示屏：IXD液晶显示屏与单片机的IO 口相连，该液晶显示屏 可以显示汉字，左边显示设置的测量项目，右边显示得到的相应数据和计算的地块面积和 费用等结果，便于测量的观察。LCD12864液晶显示屏模块电路如图7所示。
[0031] (6)按键模块：本设计采用三个按键来控制整个电路，S2为电路启动开关，按下该 键，电路供电；S3为手动下载数据开关，按下该键，可以下载采集的数据或测量结果；S4为 电路关闭开关，按下该键，电路断电，停止工作。按键模块电路如图8所示。
[0032] (7)电源接口：单片机的工作电压为5V，可通过两节干电池组为单片机供电，同时 设计一个电源指示灯，配合启动按键即可确定电路供电是否正常：当开关按下时，指示灯变 亮说明电源供电正常。
[0033] 机载硬件模块电路总图如图9所示。
[0034] 3、PC机硬件模块电路设计 PC机硬件模块由PC机和Si4432无线通信模块组成，两者通过串口连接起来。PC机 Si4432无线通信模块与机载Si4432无线通信模块共同组成整个硬件系统的双向无线传输 装置，完成数据的双向传输。PC机硬件模块电路原理图如图10所示。
[0035] 4、单片机程序代码由汇编语言编写，根据硬件系统的功能来设计程序，程序设计 流程图如图11所示。STC89C52单片机程序流程是：开始进行初始化操作，单片机发送指令 给GPS模块，控制其采集数据；单片机检测是否有数据传来，该数据或来自GPS模块，或来 自PC机Si4432无线收发模块，若有，则接收并存储数据；单片机控制液晶显示屏显示相关 数据；检测是否有外部中断，若有，则下载数据；同时单片机将数据传送给机载无线收发模 块，机载无线收发模块再将数据下传给PC机无线收发模块。
[0036] 三、软件部分程序设计和运行 1、程序设计 该软件处理来自飞机采集的数据，得到欲求的结果。它由MATLAB Gn编程开发，可实 现读取测