一种穗状玉米产量实时监测系统 【技术领域】
本发明涉及一种穗状玉米产量实时测量装置。具体是指一种安装在玉米收获机上的基于田间计算机和冲量式传感器的穗状玉米实时测产系统。属于测量装置技术领域。
背景技术
作物产量是评估农业生产效率的一个重要因素，而获取农作物小区产量信息，建立小区产量空间分布图，则是实施“精确农业”的起点。作物产量是指某特定条件下单位面积耕地的产出，它是作物生长在众多环境因素和农田生产管理措施综合影响下的结果，是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措施的基础；小区产量空间分布图经过统计分析处理后，可显示整个地块的潜在趋势，为来年(来季)的栽培管理提供决策支持。
产量数据的获得和产量差异分析在整个精确农业体系中起着一个承上启下的作用，它既是精确农业一个工作循环的结束，又是下一个循环的开始。因此，产量实时监测系统是实施精确农业的关键环节之一，可以为精确农业的实施提供准确的产量分布信息。
基于上述原因，需要一种可以用来实时监测作物产量的测产系统。近年来，测产系统在国外已形成多种商品化的成果，这些产量监测系统主要应用于粒状谷物收获机械。例如：美国凯斯公司的“先进农业”系统，美国约翰·迪尔公司的“绿色之星”系统等。但是这些产品主要针对颗粒状农作物，如：小颗粒谷物、粒状玉米、大豆、水稻和草籽等。上述测产系统应用于玉米测产作业时，适合玉米籽粒在含水量≤20％的条件下进行脱粒收获。而我国农村由于农艺和气候的限制，在玉米的含水量≥30％的时候就开始摘穗收获，此时玉米含水量过高不适合脱粒。本发明设计的穗状玉米测产系统，就是在这一前提下提出的。
【发明内容】
本发明的目的在于填补现有玉米测产技术中的空白，提供一种适应中国国情的、农机与农艺相结合的穗状玉米实时监测系统。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：
一种穗状玉米产量实时监测系统，包括以田间计算机为核心的主控制器1、速度采集系统2、穗状玉米导向装置5、产量传感器6、割台高度传感器7、存储卡9、电源10和GPS接收机8，主控制器1和存储卡9为一整体固定于收获机驾驶室内，速度采集系统2安装在收割机车轮上，导向装置5安装在收获机的升运器12顶端，冲量式产量传感器6安装于导向装置5的下部，割台高度传感器7安装在玉米割台上，GPS接收机8固定在收获机顶部，所述的速度采集系统2、传感器以及GPS接收机8各部件均通过屏蔽导线11与主控制器1相连。
所述得主控制器1进行系统初始设置，并通过显示界面观察系统工作状态和实时产量信息。
所述的速度采集系统2由无源霍尔元件式接近开关3和码盘4组成。
所述的穗状玉米导向装置5由弧形挡板13、缓冲滑板14、侧挡板15和滑道16组成，侧挡板15设在升运器12的外侧面并与其在同一平面上，滑道16为筒状结构，其轴线所在平面与升运器12轴线所在平面垂直布置，且α角为45°，侧挡板15与升运器12固定连接，弧形挡板13与升运器12顶平面相切，两者固定连接，升运器12下平面通过缓冲滑板14或直接与滑道16固定连接。
所述的冲量式产量传感器6采用冲量式谷物流量传感器，并通过割台高度传感器7感知割台状态。
所述的电源10采用拖拉机自带+12V电瓶，为整个系统提供稳定可靠的直流电源。
通过采样试验得出穗粒比换算模型，由粒穗比换算模型得出粒状玉米产量。
PFA田间计算机作为主控制器，玉米收获机在收获过程中，所收获穗状玉米通过自制的导向装置以一定的角度和速度冲击冲量传感器；传感器将冲量信号转化为电压信号并传送给主控制器，控制器经过转换显示实时籽粒产量值；主控制器将采集到的田间产量信息与同一时刻收割机所处的经纬度数据进行匹配融合，即可得出每一个位置点局部范围内的产量信息；速度传感器采集收获机行进速度、行进距离，通过事先给出的作业幅宽得出收获总面积；主控制器界面可显示小区产量、累计收获产量、实时地图、经纬度和速度信息等。以上数据均存储于CF存储卡中，与GIS系统配合可以生成产量图，指导来年田间变量投入作业。
本发明包括：田间计算机为基础的主控制器、速度采集系统、穗状玉米导向装置、产量传感器、割台高度传感器、GPS接收机、屏蔽导线、存储卡、电源。
部件及其连接关系为：主控制器和存储卡是一个整体，外观为PFA田间计算机，通过螺丝固定于收获机驾驶室内；速度采集系统由无源霍尔元件式接近开关和码盘组成，使用时将接近开关和码盘设置在收割机车轮上，通过累计车轮转数及其滑移率或滑转率得出行进距离，通过测定单位时间内车轮转数计算得出收获机速度值，并通过屏蔽导线与主控制器相连；导向装置设置在收获机升运器顶端，以最佳角度进行安装；冲量式产量传感器安装于导向装置的底部，冲量传感器与导向装置构成一定夹角和距离，冲量传感器通过屏蔽导线与主控制器相连；割台高度传感器安装在玉米割台上，通过屏蔽导线与主控制器相连，通过监测割台升降判断收获机作业与否；GPS接收机固定在收获机顶部，通过屏蔽导线与主控制器相连，接收收获机所处位置的经纬度信息进行实时定位；电源来自拖拉机的+12V直流电源，通过导线与主控制器相连。
本发明在主控制器的统一调度下工作。割台高度传感器是系统工作的逻辑开关，负责监控收获机割台的升降状态，割台高度传感器的临界值根据收获机结构参数自行设置，如果割台高度传感器检测到割台高度小于所设定的临界值，则证明割台放下、收获机开始工作。此时，割台高度传感器发信号给主控制器，通知系统开始数据采集；反之，如果割台高度传感器检测到割台高度高于临界值，则通知主控制器停止采集数据，系统进入待机状态。速度传感器通过测定单位时间内车轮转数计算得出收获机速度值，通过累计车轮转数计算出收割机行驶距离，再与收获机作业幅宽相乘得出收获总面积。导向装置将收获机所收获的穗状玉米以正确的角度、速度冲击冲量传感器。主控制器通过冲量传感器实时采集穗状玉米的质量，经与收获面积耦合计算得出穗状玉米产量数据，将产量数据与GPS经纬度信息结合可得出收获机所处位置局部范围内(小区)的产量信息。小区产量信息导入GIS系统，即可绘制出产量分布图。在收获机作业期间，主控制器接收并融合速度传感器、冲量传感器、割台高度传感器和GPS接收机地信息，结合玉米籽粒的含水量计算出当前产量和小区产量分布数据，并将数据以后缀vld的文件形式存储于CF卡中。同时，主控制器也将各传感器采集到的各种信号数据存储于CF卡中，便于作业完毕导入计算机进行深入处理。
本发明的优点是：适应于中国国情的农艺需求，可以实时的得出穗状玉米小区产量数据，并将数据存储于CF卡中；数据导入GIS系统可以根据作业地图生成处方图，用于评估田块管理、测产并为来年的变量投入作业提供参考依据；所设计的导向装置有效地解决冲量传感器测量穗状玉米存在较大误差的问题；填补了国内外穗状玉米产量实时监测领域的空白，为玉米作物在精确农业上的实施提供指导，也为改进田块管理和测产提供可靠依据。
本发明实现了穗状玉米产量的实时在线测量，为玉米作物实施精确农业作业提供了一种有效可行的测产装置。发明中所设计的导向装置可以有效的保证穗状玉米以同一角度冲击传感器，提高穗状玉米测产的精度。
【附图说明】
图1为本发明在玉米收获机上的设置示意图；
图2为本发明的系统结构框图；
图3为本发明的导向装置示意图；
图4为本发明的工作原理示意图；
图5为本发明的导向装置角度示意图。
图中：1、主控制器 2、速度采集系统 3、速度传感器 4、码盘 5、穗状玉米导向装置 6、产量传感器 7、割台高度传感器 8、GPS接收机 9、存储卡(CF卡)10、电源 11、屏蔽连接线 12、升运器 13、弧形挡板 14、缓冲滑板 15、侧挡板 16、滑道
【具体实施方式】
参阅图1、图2所示，本发明包括：田间计算机为核心的主控制器1、速度采集系统2(由速度传感器3和码盘4组成)、穗状玉米导向装置5、产量传感器6、割台高度传感器7、GPS接收机8、存储卡(CF卡)9、电源10、屏蔽连接线11。其连接关系为：主控制器1和存储卡9是一个整体，外观为PFA田间计算机，通过螺丝固定于收获机驾驶室内；速度采集系统2由无源霍尔元件式接近开关3和码盘4组成，使用时将接近开关3和码盘4设置在收割机车轮上，通过测定单位时间内车轮转数(考虑滑移率)计算得出收获机速度值，通过累计车轮转数得出行进距离；导向装置5设置在收获机升运器12顶端，以最佳角度进行安装；冲量式产量传感器6安装于导向装置的底部，冲量传感器与导向装置5构成一定夹角和距离；割台高度传感器7安装在玉米割台上，通过监测割台升降判断收获机作业与否；GPS接收机8固定在收获机顶部，接收收获机所处位置的经纬度信息进行实时定位；电源10采用拖拉机自带+12V电瓶。各传感器以及GPS接收机8通过屏蔽导线11与主控制器1相连。主控制器接收并融合速度采集系统2、产量传感器6、割台高度传感器7和GPS接收机8的信息，计算出当前产量和小区产量分布数据，并将数据以后缀vld文件形式存储于CF卡9中。
速度采集系统2采用无源非接触霍尔元件式传感器。产量传感器6采用拦截式冲量传感器。割台高度传感器7采用行程开关监测割台状态。
参阅图3、5所示，穗状玉米导向装置5包括弧形挡板13、缓冲滑板14、侧挡板15和滑道16。弧形挡板13和侧挡板15用于防止穗状玉米落在在滑道16之外；穗状玉米甩出升运器12时，弧形挡板13和缓冲滑板14起到一定的缓冲作用。侧挡板15设在升运器12的外侧面并与其在同一平面上，滑道16为筒状结构，其轴线所在平面与升运器12轴线所在平面垂直布置，且α角为45°，侧挡板15与升运器12固定连接，弧形挡板13与升运器12顶平面相切，两者固定连接，升运器12下平面通过缓冲滑板14或直接与滑道16固定连接。
本发明使用时，首先通过主控制器1进行人机交互操作，设置地块号、车次信息。主控制器可以同时显示系统工作状态、当前位置和实时产量等信息。收获作业开始后，开启系统，进入等待状态，当割台放下进行收割作业时触发割台高度传感器7，割台状态信号经由屏蔽线11传至主控制器1，通知系统开始数据采集。随着收获机的作业行走，速度采集系统2采集车轮转动脉冲，并通过屏蔽导线11将脉冲信号传递至主控制器1。由主控制器1根据所得脉冲和事先设定的车轮直径，算出单位时间内的行走速度V和行走距离L；然后由收获机单位时间内的行走距离L和割幅D，得到某一时间内的收获面积S＝L·D。导向装置5设置在升运器顶部出口处，负责将升运器输送过来的玉米穗以同一方向、以近似自由落体的方式冲击产量传感器6。产量传感器6设置在导向装置的底部，负责采集穗状玉米的冲量数据，并将冲量信号转化为电压信号形式，经屏蔽导线11传递到主控制器1。主控制器1根据产量传感器6的输出计算出穗状玉米的质量信息m，然后结合收获面积S＝L·D。对所收获地块玉米进行采样，得出穗状玉米的粒穗比k(k为粒穗比系数，不同地块、品种粒穗比不同，必须实地采样得到)。主控制器1通过屏蔽导线11接收GPS接收机8发出的经纬度信息，将单位时间的产量和经纬度信息融合，得到该小区的产量分布数据。收获机行进到地头或收获作业暂停时，割台升起，割台高度传感器7发出停止信号，系统停止数据采集工作，进入待机状态。主控制器1在获取到小区产量分布数据的同时，将所显示信息(包括：经纬度数据、速度信息、产量信息、地块和车次信息等)存储在CF卡中。
电源10负责为主控制器1、速度采集系统2、产量传感器6、割台高度传感器7、GPS接收机8提供+12V直流电源。
本发明可以适用于同种型号的玉米收获机，对导向装置进行改装可适用于多种型号的玉米收获机。本发明填补了国内外对于穗状玉米测产的空白，为玉米作业实施精确农业变量投入提供了技术支持。