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的便攜式 GPS手持機銷售，如 Magellan -315 型手持式GPS 接收機、Gamin 手持式接收機及法國生產(chǎn)的 SP24 型 CPS 手持式接收機，但該類“GPS 手持機”在測量農(nóng)田地塊面積時均較麻煩，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，但價格也相當高，且使用復雜。
　　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，實現(xiàn)對任意形狀農(nóng)田地塊面積的快速GPS 測量，并實時顯示所測地塊的位置、圖形、面積，任一點的大地坐標，任意兩點間的距離等。除此還具有指南針、溫濕度檢測、科學計算器等功能。該多用途 GPS 農(nóng)田面積測試儀將是農(nóng)民朋友、農(nóng)機機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)計上可分為三個層次，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)計完全遵循一個接口芯片通信協(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，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點時，如果選擇的是自動錄入GPS坐標，測量儀會在這個點上接收6次該點GPS坐標然后取其平均值，對于誤差較大的點系統(tǒng)自動刪除該點。故測量每個點時，需等待測量儀提示接收坐標完成后才能移動到下一個點測量。如果是選擇手動錄入GPS 坐標，系統(tǒng)界面上會顯示每一個點接收到的每一個坐標值，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點或刪除某個坐標點進行計算。

　　圖4 系統(tǒng)程序架構(gòu)
　　系統(tǒng)主界面是開機后首先出現(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。當進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時的界面，可以通過按下確定鍵進入測面積界面。

　　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及其主板如圖6 所示。為了驗證面積測試裝置的精確性，進行面積實地測量，得出系統(tǒng)的誤差。溫濕度傳感器為數(shù)字式傳感器，內(nèi)部含有標定，無需驗證其精度。

　　圖6 樣機實圖
　　試驗地點取為河南科技大學校本部南院足球場。使用面積測量儀操場進行實地測量，利用皮尺測量操場的實際面積，操場的長度數(shù)值為 189.3m，寬度為93.4m。
　　將兩者進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，采集操場矩形三個頂點進行面積測量，該地塊為直角三角形，三角形面積為原操場面積的一半，然后再測量整個操場矩形面積。以上試驗共做六次，試驗采用取平均值的辦法降低試驗誤差，驗證測量儀性能。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，誤差會進一步縮小。

　　表1 面積測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計
　　該測量儀能夠進行農(nóng)田位置的定位，地塊長度及面積的測量，田塊形狀的顯示，同時具有獲得該地的溫濕度參數(shù)及數(shù)學計算器等功能。這不僅滿足了市場、農(nóng)戶對農(nóng)田面積的基本測量，還滿足了精準農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機對收獲地塊面積測試的基本要求，該測量儀性能穩(wěn)定，運算快速，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，該儀器的設(shè)計成功也驗證了兩個單片機結(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，定會受到用戶和市場的歡迎，也為進一步實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機作業(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農(nóng)業(yè)之路。