技术领域：
本发明涉及智能农机信息化管理技术领域，特别涉及一种枸杞专用植保机作业信息监测系统。
背景技术：
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枸杞在种植过程中，需要定期进行植保作业，现有技术中的枸杞专用植保机上配装动作臂，植保机动作臂用于固定配装喷药管，动作臂为折叠式，喷药时需要对动作臂展开，然后进行喷药，喷药植保作业结束后，折叠动作臂，现有技术的植保机不能进行喷药的实时监测，且不能实现喷药量和植保作业的动作臂的展开状态的监测，对喷药量进行均匀设置喷洒，使得植保作业的工作效率比较低。
技术实现要素：
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有鉴于此，有必要提供一种枸杞专用植保机作业信息监测系统。
一种枸杞专用植保机作业信息监测系统，包括信息化管理平台、车载定位终端、控制器、角度传感器和液体流量计，角度传感器配装在植保机动作臂上，用于测量动作臂展开的宽度，并将宽度量信息传输至控制器，液体流量计配装在植保机的输液管上，用于测量动作臂上输液管的截面的药液量，并将药液量信息传输至控制器，角度传感器和液体流量计分别与控制器通信连接，控制器与车载定位终端通信连接，车载定位终端与信息化管理平台通信连接；控制器用于接收药液流量信号和角度信号，并将药液流量信号和角度信号进行处理，并将处理后的数据发送至车载定位终端；控制器配装在植保机上，车载定位终端配装在植保机的驾驶室内，车载定位终端对数据进行处理并显示，并将数据信息通过以太网发送至信息化管理平台，信息化管理平台将数据进行汇总并显示。
优选的，车载定位终端包括定位模块、车载控制模块、通信模块、显示模块和供电模块，定位模块、通信模块、显示模块和供电模块与车载控制模块连接，供电模块用于向车载定位终端的运行供电，定位模块用于接收卫星对植保机的位置信息，并将位置信息发送至车载控制模块，显示模块用于显示位置信息、角度数据信息和药液流量数据信息。
优选的，定位模块包括gps接收机，gps接收机接收植保机的地理位置信息，确定植保机的位置状态，并将位置信息发送至车载控制模块，车载控制模块接收位置信息，并将位置信息处理，并发送至显示模块进行显示。
优选的，信息化管理平台包括中心服务器、后台数据库、显示器、计算机和输入装置，中心服务器内存储后台数据库，计算机通过网络与中心服务器的后台数据库连接，计算机与显示器和输入装置电信连接；车载定位终端的通信模块通过gprs移动无线通信传输与中心服务器通信连接。
优选的，控制器包括控制箱体和控制电路板，控制电路板包括集成芯片、pio接口、时钟电路、复位电路和蜂鸣报警电路，集成芯片包括pa0引脚、pa1引脚、pa2引脚、pa3引脚、pa4引脚、pa5引脚、pa6引脚、pa7引脚、pa8引脚、pa9引脚、pa10引脚、pa11引脚、pa12引脚、pa13引脚、pa14引脚、pa15引脚、pb0引脚、pb1引脚、pb2引脚、pb3引脚、pb4引脚、pb5引脚、pb6引脚、pb7引脚、pb8引脚、pb9引脚、pb10引脚、pb11引脚、pb12引脚、pb13引脚、pb14引脚、pb15引脚、pc13引脚、pc14引脚、pc15引脚、f0引脚、f1引脚、f6引脚、f7引脚、vbat引脚、vdd引脚、vdda引脚、nrst引脚、boot0引脚、vssa引脚和vss引脚；
pa2引脚、pa3引脚分别与usart2-tx端和usart2-rx端连接，pa4引脚和pa5引脚分别与gy1-1端和gy1-2端连接，pa6引脚与flow2端连接，pa8引脚与flow1端连接，pa9引脚与usart1-tx端连接，pa10引脚与usart1-rx端连接，pa13引脚与swd端连接，pa14引脚与swc端连接；
pb0引脚与gy2-1端连接，pb1引脚与gy2-2端连接，pb7引脚与buzzer端连接；
f0引脚与osc-8-in端连接，f1引脚与osc-8-out端连接；
vbat引脚、vdd引脚、vdda引脚与vcc-3.3电压输入端连接；
nrst引脚与复位电路连接；vssa引脚和vss引脚与gnd端连接；
pio接口包括pio1接口、pio2接口、pio3接口、pio4接口、pio5接口、pio6接口和pio7接口，pio1接口与usart1-tx端和usart1-rx端连接，pio2接口与usart2-tx端和usart2-rx端连接，pio3接口与swd端、swc端和nrst端连接，其中nrst端与gnd端连接，pio4接口与flow1端连接，pio5接口与flow2端连接，pio6接口与gy1-1端和gy1-2端连接,pio7接口与gy2-1端和gy2-2端连接；
时钟电路与osc-8-in端和osc-8-out端连接，复位电路与nrst端连接,蜂鸣报警电路与buzzer端连接。
优选的，pio1接口为四个引脚，引脚1与gnd端连接，引脚2与usart1-tx端连接，引脚3与usart1-rx端连接，引脚4与vcc-5连接；pio2接口为三个引脚，引脚1与usart2-rx端连接，引脚2与usart2-tx端连接，引脚3与gnd连接；pio3接口包含五个引脚，引脚1与swd端连接，引脚2与swc端连接，引脚3与nrst端连接，引脚4与gnd连接，并与电容c1的一端连接，引脚5与vcc-3.3连接，并与电容c1的另一端连接；pio4接口包括三个引脚，引脚1与vcc-5连接，引脚2与flow1端连接，引脚3与gnd连接；pio5接口包括三个引脚，引脚1与vcc-5连接，引脚2与flow2端连接，引脚3与gnd连接；pio6接口包括四个引脚，引脚1与vcc-3.3连接，引脚2与gy1-1端连接，引脚3与gy1-2端连接，引脚4与gnd连接；pio7接口包括四个引脚，引脚1与vcc-3.3连接，引脚2与gy2-1端连接，引脚3与gy2-2端连接，引脚4与gnd连接。
优选的，flow1端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与vcc-3.3连接，flow2端与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与vcc-3.3连接。
优选的，蜂鸣报警电路包括电阻r3、电阻r4、三极管q1、二极管d1和报警器p1，buzzer端与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与三极管q1的基极连接，三极管q1的发射极与gnd连接，集电极与报警器连接，二极管d1的一端与三极管q1的集电极连接，二极管d1的另一端与报警器连接，并与vcc-3.3连接，电阻r4的一端与三极管q1的基极连接，另一端与gnd连接。
优选的，osc-8-in端与晶振器的一端连接，并与电容c2的一端连接，电容c2的另一端与gnd连接，osc-8-out端与晶振器的另一端连接，并与电容c3的一端连接，电容c3的另一端与gnd连接。
本发明通过角度传感器和液体流量计实时监控植保机的农药喷洒量和动作臂的机械位置，并将信息传输至控制器，控制器对数据信息进行处理，并将处理后的数据发送至车载定位终端，车载定位终端接收信息，并将信息进行显示，并将信息上传至信息化管理平台，操作人员可以通过信息化管理平台对植保机的位置信息和作业信息进行实时监控，采用本发明实现了植保机的药量喷洒情况和动作臂展开情况进行实时监控，并实时进行相应的调整，使得植保作业能够精准的喷洒农药，提高了植保的工作效率。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为枸杞专用植保机作业信息监测系统的结构示意图。
图2为枸杞专用植保机作业信息监测系统的控制器的集成芯片结构原理示意图。
图3～图9为控制器的pio接口的电路结构原理图。
图10为控制器的flow1端和flow2端电路接线结构示意图。
图11为控制器的蜂鸣报警电路的接线结构原理示意图。
图12为控制器的时钟电路的接线原理示意图。
图13为角度传感器测量动作臂进行软件绘制的理想化模型图。
图14为角度传感器测量动作臂进行软件绘制的水平线的夹角图。
图15为角度传感器测量动作臂进行软件绘制的重力各轴分量图。
图16为角度传感器测量动作臂进行软件绘制的勾股定理分量图。
图中：信息化管理平台1、车载定位终端2、控制器3、角度传感器4和液体流量计5、动作臂a、输液管b。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
本发明提供了以下具体的实施例。
请参阅图1，枸杞专用植保机作业信息监测系统，包括信息化管理平台1、车载定位终端2、控制器3、角度传感器4和液体流量计5，角度传感器4配装在植保机动作臂a上，用于测量动作臂a展开的宽度，并将宽度量信息传输至控制器3，液体流量计5配装在植保机的输液管b上，用于测量动作臂a上输液管b的截面的药液量，并将药液量信息传输至控制器3，角度传感器4和液体流量计5分别与控制器3通信连接，控制器3与车载定位终端2通信连接，车载定位终端2与信息化管理平台1通信连接；控制器3用于接收药液流量信号和角度信号，并将药液流量信号和角度信号进行处理，并将处理后的数据发送至车载定位终端2；控制器3配装在植保机上，车载定位终端2配装在植保机的驾驶室内，车载定位终端2对数据进行处理并显示，并将数据信息通过以太网发送至信息化管理平台1，信息化管理平台1将数据进行汇总并显示。
车载定位终端2包括定位模块、车载控制模块、通信模块、显示模块和供电模块，定位模块、通信模块、显示模块和供电模块与车载控制模块连接，供电模块用于向车载定位终端的运行供电，定位模块用于接收卫星对植保机的位置信息，并将位置信息发送至车载控制模块，显示模块用于显示位置信息、角度数据信息和药液流量数据信息。
定位模块包括gps接收机，gps接收机接收植保机的地理位置信息，确定植保机的位置状态，并将位置信息发送至车载控制模块，车载控制模块接收位置信息，并将位置信息处理，并发送至显示模块进行显示。
信息化管理平台1包括中心服务器、后台数据库、显示器、计算机和输入装置，中心服务器内存储后台数据库，计算机通过网络与中心服务器的后台数据库连接，计算机与显示器和输入装置电信连接；车载定位终端的通信模块通过gprs移动无线通信传输与中心服务器通信连接。本发明中车载定位终端通过gps接收机接收植保机的地理位置信息，确定植保机的位置和运行状态，通过gis显示模块实时显示；本发明通过中心服务器与车载定位终端之间通过无线通信方式进行数据传送，信息化管理平台1通过网络与中心服务器的数据库进行连接，实时接收中心服务器发来的数据，将植保机的动作臂展开角度信息和输液管喷药量信息进行处理，并对植保机进行实时监控。
请同时参阅图2至图12，控制器3包括控制箱体和控制电路板，控制电路板包括集成芯片、pio接口、时钟电路、复位电路和蜂鸣报警电路，集成芯片包括pa0引脚、pa1引脚、pa2引脚、pa3引脚、pa4引脚、pa5引脚、pa6引脚、pa7引脚、pa8引脚、pa9引脚、pa10引脚、pa11引脚、pa12引脚、pa13引脚、pa14引脚、pa15引脚、pb0引脚、pb1引脚、pb2引脚、pb3引脚、pb4引脚、pb5引脚、pb6引脚、pb7引脚、pb8引脚、pb9引脚、pb10引脚、pb11引脚、pb12引脚、pb13引脚、pb14引脚、pb15引脚、pc13引脚、pc14引脚、pc15引脚、f0引脚、f1引脚、f6引脚、f7引脚、vbat引脚、vdd引脚、vdda引脚、nrst引脚、boot0引脚、vssa引脚和vss引脚；
pa2引脚、pa3引脚分别与usart2-tx端和usart2-rx端连接，pa4引脚和pa5引脚分别与gy1-1端和gy1-2端连接，pa6引脚与flow2端连接，pa8引脚与flow1端连接，pa9引脚与usart1-tx端连接，pa10引脚与usart1-rx端连接，pa13引脚与swd端连接，pa14引脚与swc端连接；
pb0引脚与gy2-1端连接，pb1引脚与gy2-2端连接，pb7引脚与buzzer端连接；
f0引脚与osc-8-in端连接，f1引脚与osc-8-out端连接；
vbat引脚、vdd引脚、vdda引脚与vcc-3.3电压输入端连接；
nrst引脚与复位电路连接；vssa引脚和vss引脚与gnd端连接；
pio接口包括pio1接口、pio2接口、pio3接口、pio4接口、pio5接口、pio6接口和pio7接口，pio1接口与usart1-tx端和usart1-rx端连接，pio2接口与usart2-tx端和usart2-rx端连接，pio3接口与swd端、swc端和nrst端连接，其中nrst端与gnd端连接，pio4接口与flow1端连接，pio5接口与flow2端连接，pio6接口与gy1-1端和gy1-2端连接,pio7接口与gy2-1端和gy2-2端连接；
时钟电路与osc-8-in端和osc-8-out端连接，复位电路与nrst端连接,蜂鸣报警电路与buzzer端连接。
pio1接口为四个引脚，引脚1与gnd端连接，引脚2与usart1-tx端连接，引脚3与usart1-rx端连接，引脚4与vcc-5连接；pio2接口为三个引脚，引脚1与usart2-rx端连接，引脚2与usart2-tx端连接，引脚3与gnd连接；pio3接口包含五个引脚，引脚1与swd端连接，引脚2与swc端连接，引脚3与nrst端连接，引脚4与gnd连接，并与电容c1的一端连接，引脚5与vcc-3.3连接，并与电容c1的另一端连接；pio4接口包括三个引脚，引脚1与vcc-5连接，引脚2与flow1端连接，引脚3与gnd连接；pio5接口包括三个引脚，引脚1与vcc-5连接，引脚2与flow2端连接，引脚3与gnd连接；pio6接口包括四个引脚，引脚1与vcc-3.3连接，引脚2与gy1-1端连接，引脚3与gy1-2端连接，引脚4与gnd连接；pio7接口包括四个引脚，引脚1与vcc-3.3连接，引脚2与gy2-1端连接，引脚3与gy2-2端连接，引脚4与gnd连接。
flow1端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与vcc-3.3连接，flow2端与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与vcc-3.3连接。
蜂鸣报警电路包括电阻r3、电阻r4、三极管q1、二极管d1和报警器p1，buzzer端与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与三极管q1的基极连接，三极管q1的发射极与gnd连接，集电极与报警器连接，二极管d1的一端与三极管q1的集电极连接，二极管d1的另一端与报警器连接，并与vcc-3.3连接，电阻r4的一端与三极管q1的基极连接，另一端与gnd连接。
osc-8-in端与晶振器l1的一端连接，并与电容c2的一端连接，电容c2的另一端与gnd连接，osc-8-out端与晶振器的另一端连接，并与电容c3的一端连接，电容c3的另一端与gnd连接。
枸杞专用植保机作业信息监测系统的控制器3采用stm32f030c8t6单片机，stm32f030c8t6单片机是一款基于arm内核的32位mcu，内部包含了cpu，存储器，gpio，定时器，中断系统，系统时钟电路以及系统总线，丰富合理的外设，合理的功耗，合理的性价比，吸引着一大批用户。在本发明中，考虑到数采集传感器对定时器需求较大，经过筛选，最终确定了stm32f030c8t6这一款单片机，它具备1个高级控制定时器，1个基本定时器，5个通用定时器以及2个看门狗定时器和1个系统嘀嗒定时器，完全能够满足工程设计的需要，另外在adc的配置方面，它配备了12位adc通道的转换单元，不仅满足了现有传感器的需求，也预留了很多扩展传感器的接口，stm32f030c8t6单片机具有较好的数据处理运算和运行可靠稳定。
本发明的控制器3的控制电路板中针对传感器、电源线进行了优化设计，使得电路板的走线合理，模拟、数字部分有良好的隔离和屏蔽，信号线之间紧凑有序，间距相同，最终保证了植保机信息化改造设备良好的硬件性能，在电路板空闲部位打孔，保证双面地平面电平相同，增加屏蔽性能。
本发明中角度传感器4为adxl335倾角传感器，adxl335倾角传感器用于检测植保机的动作臂的展开倾斜角度，倾斜角度是表示零件上两要素相对方向保持任意给定角度的正确状况。本发明中的倾角传感器的任务是对某一时刻机械臂展开宽度，也就是农药喷洒宽度覆盖面积宽度通过倾角传感器应用勾股定理换算得来，本发明的控制器器采用stm32f030c8t6处理器控制，倾角传感器采集倾角信息，传给处stm32f030c8t6理器，stm32f030c8t6处理器通过预先编写的程序进行记录分析换算，计算出当前工作时刻的两侧的动作臂展宽度也就是农药喷洒覆盖面积的宽度，stm32f030c8t6处理器将宽度信息上车载定位终端显示，根据农机行进速度得到喷洒面积，实现工作过程数据化。
本发明中的液体流量计5为yf-b10工业霍尔流量传感器，流量是指单位时间内通过输液管道某一截面的物料数量，本发明的液体流量计的任务是对某一时刻通过输液管截面的农药量进行测量。通过液体流量计采集流量信息，传给stm32f030c8t6处理器。stm32f030c8t6处理器通过预先编写的程序进行记录分析，计算出开始工作到当前时间的累计流量，上报车载定位终端显示，从而确定农药量喷洒的适宜程度，实现工作过程数据化。
本发明中，角度传感器4和液体流量计5依据环境适应能力、测量精度、线性度、灵敏度、响应速度、稳定性和功耗进行选择，本发明中选用的传感器为：
液体流量计5型号为：yf-b10，通讯方式为：电压、电流、rs485,工作电压为：dc5～15v；
角度传感器4，型号为：gy-61，通讯方式为：模拟量输出，工作电压为：3v～5v。
传感器的选择是农机监控设备得以稳定运行的重要保障。在本发明中植保机中的角度传感器选择gy-61系列，gy-61角度传感器是小尺寸、低功耗、完整的三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，能以±3g的满量程范围测量加速度。它可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度，以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。
本发明中的倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计，经常用于系统的水平角度变化测量。请参阅图13，adxl335倾角传感器使用过程中，可以根据不同的使用环境选择合适的带宽范围，x轴和y轴的带宽范围为0.5hz至1600hz，z轴的带宽范围为0.5hz至550hz。在这部分系统中，adxl335倾角传感器安装在臂展运动的一测，根据臂展特点将整个臂展过程建立为理想化的m动作模型。首先要得到m模型运动某一时刻的α角。整个过程由控制器adc不担任主要处理任务。将采集回来的模拟电压量转换成数字量最终得到角度值。
已知展开角度α，展开宽度:l＝2×(h×sin∠α)。
请同时参阅图14、图15、图16，推导得α角：如果芯片水平静置，x、y方向的重力分量为0g，而z轴方向的重力分量为g，则x＝0；y＝0；z＝g。若各边与水平方向有一些夹角，x轴方向的加速度大小为ax，其与水平线的夹角为α1，与重力加速度的夹角α；同理，y轴方向的加速度为ay，与水平线的加速度为β1，与重力加速度g的夹角为β；z轴方向的加速度为az，与水平线的加速度为γ1，与重力加速度g的夹角为γ。
基于以上分析，它们的关系为：
α＝90°-α1，β＝90°-β1，γ＝90°-γ1
g在各轴方向上的分量为：ax＝gcosα，ay＝gcosβ，az＝gcosγ；
数据代入得：ax＝gcosα＝gcos(90°-α1)＝gsinα1，
同理ay＝gsinβ1，az＝gsinγ1，
各垂直虚线大小分量为g×g＝ax×ax+gcosα1×gcosα1则gcosα1＝sqrt(g×g-ax×ax)，
gcosβ1＝sqrt(g×g-ay×ay)，
gcosγ1＝sqrt(g×g-az×az).
根据立体几何中，g相当于立方体的对角线，ax、ay、az相当于三条边，如右图所示，虚线大小等于ay×ay+az×az，所以根据勾股定理
ax×ax+ay×ay+az×az＝g×g
(以x轴为例)sinα1＝ax/g，
cosα1＝sqrt(g×g-ax×ax)/g，那么，tanα1＝(ax/g)/[sqrt(g×g-ax×ax)/g]＝ax/sqrt(g×g-ax×ax)＝ax/sqrt(ay×ay+az×az)。
同理
tanβ1＝ay/sqrt(ax×ax+az×az),
tanγ1＝az/sqrt(ax×ax+ay×ay)。
最终推导出：弧度＝θπr/180得到θ＝弧度×180/πr(r＝1)
此处推导公式得到的θ角，就是我们要用到的α角。
在实际的应用过程中，展开宽度的计算并非完全的理想化模型，在这个过程中，数据的处理采用了分段计算，采集了多个数据点，结合理论公式拟合出臂展宽度公式。
电磁流量计作为流量传感器，采集流量脉冲信息，经放大器放大后送到ad转换器。ad转换器将连续的模拟量转化为stm32f030c8t6处理器能接受的离散的数字量。stm32f030c8t6处理器收到流量信号后，在控制软件的作用下，判断主机传来的信息，做出对采集数据接收或上报的处理。
本发明控制器的控制流程为：系统初始化，串口、定时器和adc初始化，串口1是否接收到握手指令，否，继续接收串口1是否接收到握手指令，是，向车载定位终端的车载控制器发送植保机的数据个数，然后控制角度传感器和液体流量计分别采集动作臂展开宽度和输液管的流量，将获得的臂展宽度和流量值转换成字节暂存，然后发送至串口1是否接收到通信指令，是，向车载定位终端的车载控制器上报状态数据帧，否，重新进行角度和流量数据的采集。