基于GPS的多功能農(nóng)田面積測量儀的結(jié)構(gòu)和性能

　　目前，在國內(nèi)外市場上已有不同型號(hào)的便攜式 GPS手持機(jī)銷售，如 Magellan -315 型手持式GPS 接收機(jī)、Gamin 手持式接收機(jī)及法國生產(chǎn)的 SP24 型 CPS 手持式接收機(jī)，但該類“GPS 手持機(jī)”在測量農(nóng)田地塊面積時(shí)均較麻煩，只用數(shù)字顯示測量面積值，并無地塊形狀圖形顯示功能，且使用操作僅有英文提示，顯得很不方便，這對于中國廣大農(nóng)民朋友來說是一種缺陷。而對于現(xiàn)在的高端ＧＰＳ農(nóng)田面積測量儀（如使用ＡＲＭ芯片），雖功能較多，但價(jià)格也相當(dāng)高，且使用復(fù)雜。
　　本課題總結(jié)了裘正軍和楊術(shù)明等人在GPS 農(nóng)田面積測量上的研究成果，擬利用GPS 的定位功能，采用低成本的 GPS 模塊、SPCE061A 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤及LCD 液晶顯示等部件，研制多功能農(nóng)田面積測量儀，實(shí)現(xiàn)對任意形狀農(nóng)田地塊面積的快速GPS 測量，并實(shí)時(shí)顯示所測地塊的位置、圖形、面積，任一點(diǎn)的大地坐標(biāo)，任意兩點(diǎn)間的距離等。除此還具有指南針、溫濕度檢測、科學(xué)計(jì)算器等功能。該多用途 GPS 農(nóng)田面積測試儀將是農(nóng)民朋友、農(nóng)機(jī)機(jī)手和科技人員測試農(nóng)田地塊面積的便攜式工具。
　　系統(tǒng)軟件功能
　　該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)上可分為三個(gè)層次，分別為：主界面層次、功能模塊層次、子功能層次。六大主要功能做成六大程序模塊供主程序調(diào)用，在模塊程序內(nèi)部集成了各自的子功能，如圖4 所示。為了方便整體程序的編寫，作為接口芯片的 89C52 程序設(shè)計(jì)完全遵循一個(gè)接口芯片通信協(xié)議編寫，溫度傳感器讀取、鍵盤掃描和 GPS 數(shù)據(jù)讀取及提取集成于 89C52 內(nèi)。其通過中斷請求將數(shù)據(jù)上傳到 SPCE061A 單片機(jī)，因此可以防止程序流程不至于混亂。對于測量多邊形的每一個(gè)點(diǎn)時(shí)，如果選擇的是自動(dòng)錄入GPS坐標(biāo)，測量儀會(huì)在這個(gè)點(diǎn)上接收6次該點(diǎn)GPS坐標(biāo)然后取其平均值，對于誤差較大的點(diǎn)系統(tǒng)自動(dòng)刪除該點(diǎn)。故測量每個(gè)點(diǎn)時(shí)，需等待測量儀提示接收坐標(biāo)完成后才能移動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)測量。如果是選擇手動(dòng)錄入GPS 坐標(biāo)，系統(tǒng)界面上會(huì)顯示每一個(gè)點(diǎn)接收到的每一個(gè)坐標(biāo)值，以等待使用者的判定該值是否有效，并且在這種模式下可以錄入已知的坐標(biāo)點(diǎn)或刪除某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

　　圖4 系統(tǒng)程序架構(gòu)
　　系統(tǒng)主界面是開機(jī)后首先出現(xiàn)的操作界面，主要功能對六大功能模塊的選擇調(diào)用，屬于主界面層次。當(dāng)進(jìn)入到主操作界面以后，利用鍵盤選擇要使用的功能模塊，主機(jī)操作界面的操作效果如圖 5 所示。a）圖為系統(tǒng)功能顯示界面，b）圖為瀏覽到測面積選項(xiàng)時(shí)的界面，可以通過按下確定鍵進(jìn)入測面積界面。

　　圖5 操作界面
　　測量儀性能測試

      多功能農(nóng)田面積測量儀的樣機(jī)及其主板如圖6 所示。為了驗(yàn)證面積測試裝置的精確性，進(jìn)行面積實(shí)地測量，得出系統(tǒng)的誤差。溫濕度傳感器為數(shù)字式傳感器，內(nèi)部含有標(biāo)定，無需驗(yàn)證其精度。

　　圖6 樣機(jī)實(shí)圖
　　試驗(yàn)地點(diǎn)取為河南科技大學(xué)校本部南院足球場。使用面積測量儀操場進(jìn)行實(shí)地測量，利用皮尺測量操場的實(shí)際面積，操場的長度數(shù)值為 189.3m，寬度為93.4m。
　　將兩者進(jìn)行對比得出面積測試裝置的誤差。沿著操場的鐵柵欄圍成的矩形，首先拋棄東南方向的點(diǎn)，采集操場矩形三個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行面積測量，該地塊為直角三角形，三角形面積為原操場面積的一半，然后再測量整個(gè)操場矩形面積。以上試驗(yàn)共做六次，試驗(yàn)采用取平均值的辦法降低試驗(yàn)誤差，驗(yàn)證測量儀性能。數(shù)據(jù)分析見表 1。
　　有表1 知這兩塊面積測量誤差均小于 1%，而且隨著測量面積的增大，誤差會(huì)進(jìn)一步縮小。

　　表1 面積測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
　　該測量儀能夠進(jìn)行農(nóng)田位置的定位，地塊長度及面積的測量，田塊形狀的顯示，同時(shí)具有獲得該地的溫濕度參數(shù)及數(shù)學(xué)計(jì)算器等功能。這不僅滿足了市場、農(nóng)戶對農(nóng)田面積的基本測量，還滿足了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)對收獲地塊面積測試的基本要求，該測量儀性能穩(wěn)定，運(yùn)算快速，面積等各參數(shù)測量誤差不大，滿足一般農(nóng)田測量精度要求。同時(shí)，該儀器的設(shè)計(jì)成功也驗(yàn)證了兩個(gè)單片機(jī)結(jié)合使用方案的正確性和合理性。測量儀使用方便、快捷、易用和全天候，定會(huì)受到用戶和市場的歡迎，也為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)性能的智能集成監(jiān)控打下基礎(chǔ)，走一條適合我國國情的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)之路。