Разработка аппаратно-программного комплекса для ведения точного земледелия

№101-1,

сельскохозяйственные науки

В данной работе рассматривается разработка аппаратно-программного комплекса (АПК), который будет использоваться для ведения точного земледелия. При этом его стоимость должна быть ниже аналогичных систем при сохранении вышеуказанной точности позиционирования или близкой к ней. Описана структурная схема АПК и алгоритм функционирования. На основе выше изложенных структурных схем и алгоритмов будет разработан АПК с использованием наиболее популярных интерфейсов передачи данных для сопряжения с внешними устройствами (ПК, удаленный сервер, источники хранения информации и т. д.).

Похожие материалы

Введение

В последнее время при выполнении земледельческих работ особое внимание уделяется точности и качеству. Таким образом, появляется возможность добиваться максимального результата. Эффективность сельскохозяйственных работ может быть снижена из-за невозможности правильно дозировать удобряющие вещества для определенного участка земли, а также сложных погодных условий (дождь, недостаточная освещенность, пыль, туман). Добиться повышения интенсивности прироста урожая можно за счет высокой точности засевания земли. Такой подход позволяет избежать повторного внесения семян в один и тот же участок почвы и выдержать оптимальное расстояние между различными аграрными культурами. Совместное использование информационно-вычислительных систем и спутниковой навигации не только решает данные проблемы, но и делает труд сельскохозяйственного работника качественным и максимально эффективным с экономической точки зрения.

Для повышения точности земледелия были созданы специальные приборы, которые значительно повысили скорость работ за счет корректировки движения и автоматизации оборудования, улучшили процедуру ориентирования на участке и снизили неоправданные затраты, связанные с неправильным или излишним возделыванием участка земли.

Такие компании, как Teejet и Trimble, являются лидерами в сфере производства навигационного оборудования, используемого в сельском хозяйстве. Высокотехнологичные устройства этих американских компаний обеспечивают высокую точность позиционирования (до 5 см). В Европе одним из крупнейших производителей подобной техники является фирма Muller Electronik. Оборудование получает поправки от метеоспутника, что позволяет добиться точности позиционирования до 20 см. Для улучшения этого параметра устанавливается дополнительная базовая станция или используется такой вид поправок, как OmniStar. Дороговизна подобного оборудования обусловлена не только высокой точностью позиционирования, но и сильной связью разрабатываемого ПО с определенным видом сельскохозяйственной техники.

Целью данной работы является разработка аппаратно-программного комплекса (АПК), который будет использоваться для ведения точного земледелия. При этом его стоимость должна быть ниже аналогичных систем при сохранении вышеуказанной точности позиционирования или близкой к ней.

Структурная схема АПК для точного земледелия

Структурная схема АПК представлена на рисунке 1. Главным элементом системы является блок функционирования. В его обязанности входит координация работы всех блоков и модулей, получение и обработка сигналов, изменение режима работы комплекса, а также формирование запросов от блока к блоку на основании программного алгоритма.

Структурная схема навигационного оборудования.
Рисунок 1. Структурная схема навигационного оборудования.

От спутниковой системы сигнал поступает на GSM-модуль, который определяет координаты, и передает информацию относительно движения машины и ее местоположения блоку функционирования АПК. Также на GSM-модуль приходят сигналы от блока функционирования о необходимой конфигурации модуля, режиме его работы и способе принятия поправок.

При работе комплекса постоянно поддерживается соединение между GSM-модулем и удаленным сервером, что позволяет обеспечивать бесперебойную передачу данных о текущем состоянии АПК и местоположении транспортного средства.

Для реализации алгоритмов функционирования Bluetooth-канала предусмотрен ВТ-модуль. Этот прибор способен отправлять и принимать данные от беспроводных устройств управления, находящихся на небольшом расстоянии. Например, одним из таких устройств является удаленная клавиатура.

Вся информация относительно обработки земельного участка, настроек АПК и трека следования обрабатывающего оборудования хранится в блоке хранения информации.

Блок отображения информации служит для визуализации текущего состояния АПК и помогает механизатору контролировать состояние комплекса и его передвижения.

Также конструкцией АПК предусмотрены блок звукового оповещения. Он служит для звукового информирования механизатора при наступлении определенного события (отклонение от маршрута, нажатие на клавишу, установка соединения со спутником и т. д.).

С помощью блока управления через блок функционирования механизатор может настраивать оборудования и переключаться между режимами работы. Для этих целей используется удаленная или вторичная клавиатура.

Блок сопряжения имеет несколько наиболее распространенных внешних интерфейсов, которые служат для подключения ряда устройств. Структура этого элемента АПК представлена на рисунке 2.

Подключение АПК к ПК осуществляется через USB-интерфейс. Делается это для обновления ПО оборудования или копирования данных о работе устройства.

Также АПК можно подключить к механизмам управления оборудованием (расходомеры, распрыскиватели, дозаторы). Для этого предназначен CAN-интерфейс.

Структурная схема блока сопряжения с внешним устройством.
Рисунок 2. Структурная схема блока сопряжения с внешним устройством.

С помощью беспроводных интерфейсов осуществляется формирование запросов к функциональному блоку с целью сопряжения удаленных объектов (сервер, клавиатура) и АПК.

Система имеет высокую степень защиты. Корпус АПК не пропускает пыль и влагу. Поэтому его можно эксплуатировать в сфере сельского хозяйства в условиях сильной запыленности и влажности. Элементная база, которая используется при изготовлении АПК, имеет довольно широкий диапазон рабочих температур от -400С до +800С. Также АПК способен выдерживать серьезные динамические нагрузки, которые характерны для кабины транспортных средств. Четко нажать на нужную кнопку, когда машина находится в движении, довольно сложно. Поэтому была разработана специальная выносная клавиатура со звуковым оповещением. При выборе ширины экрана учитывались оптимальные параметры видимости обрабатываемого участка. Экран не должен снижать обзор для механизатора из кабины.

АПК предназначен для установки в автотракторной технике. Эти машины имеют мощный источник питания, поэтому нет необходимости разрабатывать методы экономии электроэнергии. Единственная проблема, которую необходимо решить — скачки напряжения, возникающие в процессе работы электрогенератора транспортного средства. Даже при скачках до 50 В и провалах до 3 В разработанное оборудование способно работать стабильно. Также стоит отметить, что АПК может выдерживать отключение питания на срок до 1 с.

Алгоритм функционирования АПК

Сразу после включения АПК осуществляет быстрое самотестирование и проводится проверка работоспособности самых важных элементов комплекса. Длится эта процедура порядка от 20 секунд до 1 минуты. В процессе проверки GSM-модуль связывается со спутником для получения точности вычисления координат. Погрешность составляет максимум 5 м. В стандартном режиме работы АПК обрабатывает поправки с метеоспутников и получает точность определения координат до 15 см.

После завершения процесса инициализации на экран выведется информация о точности вычисления координат и наличии спутников. Прежде всего, АПК определит собственные координаты с учетом заданной погрешности. После этого активируется рабочий режим. Все используемые настройки сохраняются во флеш-память. Для того чтобы изменить конфигурацию АПК или оборудования необходимо открыть основное меню и внести соответствующие корректировки в настройки.

АПК имеет конфигурационное меню. С его помощью механизатор может скорректировать следующие параметры АПК:

  • Режим работы.
  • Конфигурация оборудования.
  • Обновление ПО.
  • Яркость подсветки.

При активации рабочего режима начнет отображаться параметры функционирования АПК и местоположение системы точного земледелия. В этом режиме при выборе пункта «удобрение» во время движения будет показываться шлейф обработанного поля. Если шлейф захватит уже пройденный участок, то механизатор будет извещен об этом посредством звукового уведомления. В этом случае он должен будет скорректировать траекторию движения ТС для повышения эффективности и экономической целесообразности обработки территории. Сигнал также будет подаваться в случае смещения от ранее обработанного участка. Наряду с этим осуществляется расчет обработанной площади. Еще один способ узнать площадь поля — проехать его по периметру. Сравнив эти результаты можно сделать вывод о качестве внесения удобрения, что позволит в дальнейшем более эффективно проводить работы, учитывая внесенные корректировки.

Одновременно на экране АПК отображается трек настоящего движения транспорта на переднем плане и ранее сохраненных треков на заднем. Сопоставив эти два графических изображения можно добиться более равномерной обработки участка. Проведя анализ нескольких результатов, делает вывод о правильности обработки поля. В случае необходимости вносятся соответствующие корректировки.

АПК поддерживает следующе режимы работы:

  • Обработка участка.
  • Повторная обработка.
  • Измерение площади.
  • Измерение пути.

АПК сопрягается с другим оборудованием посредством популярных беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных.

Для подключения АПК к ПК целесообразно использовать USB-интерфейс, обеспечивающий необходимую скорость соединения. Также с его помощью можно перенести данные об обработанном участке (скорость движения машины, трек движения, время обработки и т. д.).

Довольно распространенным является Bluetooth-интерфейс. Он предназначен для передачи информации ну удаленный ПК или подключения удаленных средств управления, например, дистанционной клавиатуры.

Если существует необходимость в передачи данных на больше расстояния, то в этом случае используется GSM-модуль или радиомодуль. Наличие в структуре АПК подобных устройств позволяет в режиме реального времени наблюдать за обработкой земельного участка и сохранять все получаемые данные по обработке поля.

CAN-интерфейс относится к категории промышленных. Через него осуществляется управление оборудованием машины. Делается это следующим образом: сформированный запрос отправляется на контроллер, установленный непосредственно на оборудовании, и выполняется управление. Предположим, что необходимо открыть заслонку разбрызгивателя и зафиксировать ее в определенном положении. Сформированный запрос, содержащий адрес оборудования, отправляется в линию связи АПК с оборудованием. Контроллер принимает запрос, проводит его обработку и подает соответствующую команду электродвигателю выполнить действие, содержащееся в запросе. После выполнения двигателем нужного действия контроллер подготавливает ответ и отправляет его в линию связи АПК. После обработки ответа на дисплее в кабине транспортного средства появляется информация о текущем состоянии оборудования, от которого поступили данные. Если действие было выполнено успешно, то на экране будут отображены параметры совершенного действия. В противном случае механизатор увидит информацию о наиболее вероятной ошибке.

Заключение

На основе выше изложенных структурных схем и алгоритмов АПК будет разработан с использованием наиболее популярных интерфейсов передачи данных для сопряжения с внешними устройствами (ПК, удаленный сервер, источники хранения информации и т. д.). Данный АПК будет обладать следующими функциональными возможностями:

  • Расчет площади обработанного земельного участка.
  • Сохранение информации об обработанном участке.
  • Передача информации об обработанном участке не внешний сервер или другое устройство.
  • Отображение положения автотракторной техники на участке в настоящее время.
  • Запись треков движения машины в режиме реального времени.
  • Корректировка движения ТС с учетом выбранного режима работы.
  • Управление внешним оборудованием (плуги, разбрызгиватели, дозаторы и т. д.) посредством промышленного протокола передачи данных.