信息综合与实时处理技术在精确农业中的应用——变量施肥自动控制系统的研制

论文分类号 TN911.2 单 位 代 码 10183 密 级 内 部 研 究 生 学 号 200713 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 信息综合与实时处理技术在精确农业中的应用 变量施肥自动控制系统的研制 the Application of the Information Synthesis and Real Time Processing Technology in the Precision Agriculture 作者姓名：杜 巧 玲 专 业：信号与信息处理 导师姓名：张 书 慧 及 职 称：副 教 授 论文起止年月：2001年09月到 2003年01月 提 要 精确农业是以信息科学发展为基础，结合地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)、遥感技术(RS)、计算机自动控制系统、网络抽样技术、产量监测器、作物模拟模型等核心技术，形成的一套农业管理系统。前3S系统(GPS、GIS和RS)用于及时采集田间信息，经过信息处理形成田间状态图，来反映田间肥、水、病、虫和产量的不均匀分布；后3S(ES专家系统、SS模拟系统和DSS决策支持系统)根据前3S的信息生成优化决策。 本文主要解决精确农业中的变量施肥问题。 变量施肥技术，是指根据田块的不同要求，有针对性地撒施不同配方及不同量的混合肥。本文讲述了利用信息综合技术将电子信息技术，GPS，GIS和传感器技术应用于精确农业实现实时变量施肥。GPS、GIS、IC卡及传感器技术实时采集田间每一操作单元的信息，设计并完成自动控制系统，根据GPS、GIS、IC卡及传感器采集的信息实时进行信息处理，完成精确农业中的变量施肥的问题。 目 录 第一章 绪论.6 1.1精确农业国内、外发展概况.6 1.1.1精确农业的国外发展概况.7 1.1.2精确农业的国内发展概况.9 1.2变量施肥在精确农业中的意义.10 1.3本文的研究目的及意义.10 1.4本文的研究内容.12 第二章 自动变量施肥机构控制因素.13 2.1影响施肥量的主要因素.13 2.2控制实时施肥量的主要因素.15 2.3本章小结.15 第三章 自动变量施肥机构硬件设计.16 3.1 GPS精确定位系统.18 3.1.1 GPS（全球定位系统）.18 3.1.2 DGPS技术.19 3.1.3 GPS在变量施肥中的重要地位.19 3.1.4 Trimble AgGPS132差分接收机.19 3.2 IC卡存储器.21 3.2.1 GIS系统在精确农业中的作用.21 3.2.2 IC卡存储器.22 3.2.3 AT24CXX系列IC卡.23 3.3 旋转编码传感器及键盘.24 3.3.1 旋转编码传感器.24 3.3.2键盘.25 3.4 液晶显示器.26 3.5本章小结.27 第四章 自动变量施肥机构软件设计.28 4.1信息接收和处理方式.29 4.2 NMEA-0183格式.29 4.3 RS232接口.33 4.3.1接收机的串口设定.33 4.3.2单片机的串口接收.33 4.4 网格识别.35 4.5 IC卡和单片机之间数据传输.37 4.5.1 IC卡存储格式设定.37 4.5.2 IC卡读写.38 4.6人机接口.42 4.6.1键盘.42 4.6.2液晶显示模块.42 4.7看门狗技术.43 4.8控制脉冲输出.44 4.9本章小结.46 第五章 标定试验.48 5.1实验条件.48 5.2实验结果.48 5.3实验数据处理与误差分析.52 5.3.1排肥器转速与排肥量一次曲线拟合.52 5.3.2 施肥量、转速及速度分析.54 5.4 本章小结.56 第六章 变量施肥控制器性能测试与分析.57 6.1网格识别能力分析.57 6.1.1静态识别能力分析.57 6.1.2动态识别能力.57 6.2自动变量施肥控制器误差分析.58 6.2.2误差来源及减少误差的方法.58 6.2.3精度校验实验数据分析.59 6.3本章小结.68 第七章 全文总结.69 致 谢.71 参考文献.72 第一章 绪论 信息化（Information），智能化（Intellectual），综合化（Integrated）称为三“I”，是信息科学最本质的内涵，也是面向二十一世纪的希望。将多种高新技术结合应用，实现信息的交叉与综合，必将有利于各学科的信息化、智能化、综合化程度的进一步提高。 农业生产正从传统的作业管理形式向现代化农事操作技术与管理的形式发展，精确农业就是这一发展的必然结果。 精确农业（Precision Agricultural or Precision Farming）是指由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其驱动力来自于对农业耕作中客观存在的作物生长环境和实际产量空间分布明显差异性的认识，其实质是农业智能化技术与自动控制技术相结合形成的一种先进农业技术体系。这种农业技术体系数字信息技术网络化、智能化、数字化综合应用的体现，前3S（遥感技术RS、地理信息系统GIS和全球定位系统GPS）集成与后3S（农业专家系统ESA、模拟系统SS、决策支持系统DSS）形成一整套农业信息技术的集成，可以认为这是信息技术在农业上应用的高级阶段。其核心是实时测知作物个体或小群体或平方米尺度小地块生长及疫病的状况，进而确定针对性农业措施，在取得最优效果和付出最低代价的同时减少污染、保护生态，实现农业的可持续发展。精确农业将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向，美国未来学家杂志社刊登的美国乔治华盛顿大学专家在对21世纪前10年内十大技术发展趋势的预测中说：精确农业将成为新世纪农业最大的发展趋势，是市场要求农业做出的必然选择。 1.1精确农业国内、外发展概况 国际水稻所的科学家认为，精确农业，在发达国家是指运用GPS、RS和GIS系统，在建立农田土壤肥力资料和产量与施肥的对应关系变量模型的基础上，将农田按几个平方米为单位进行变量施肥和预测。而在东南亚发展中国家的主要涵义是农业生产的精细化和农民对其土地基本情况了解掌握和管理自主性的提高。在此基础上，针对具体地块的具体情况对其土地进行因地制宜的施肥、灌水及病虫害综合管理，从而达到最佳的投入和产出比。 1.1.1精确农业的国外发展概况 精确农业，这门技术是1995年在美国开始的。当时，那里的一些联合收割机装备了全球卫星定位系统。通过电子传感器和全球定位卫星，这些农机在收获季节可以不间断记录下几乎每平方米的产量及其它信息。例如种子的湿度。有些数据可以利用专门的电脑软件由农场的计算机加以处理，农场就可以据此绘制出农场各地块产量的地图。经过年复一年的试验，农业劳动者们就会发现同一块地块内肉眼所觉察不到的那些变化，而且这些发现都是得到确认的。由于取得了这些成果，很多农业劳动者剔除了一些产量低的作物品种，在增产潜力大的土地上增加了播种量。 进入90年代，精确农业在欧美发达国家发展很快，已初具规模。在美国，以土地平坦，经营规模大的中西部大平原地区发展最快，自1995年以来，每年召开一次“信息农业学术讨论会”，重点讨论信息、GIS、GPS、自动控制等与精确农业有关的技术。目前已涉及到施肥、植物保护、精量播种、耕作和水分管理等各有关领域。在北美的精确农业技术，又以在施肥上的应用最为成熟。在美国和加拿大的大型农场上，农场主在农业技术人员指导下，应用GPS取样器将田块按坐标分格取样，约0.52公顷取一土壤样品，分析各取土单元格（田间操作单元）内土壤理化性状和各大、中、微量养分含量，应用GPS和GIS技术，做成该地块图、土壤图、各年的土壤养分图等。同时在联合收割机上装上GPS接收器和产量测定仪，在收获的同时每隔1.2秒GPS定点一次，同时记载当时当地的产量，然后用GIS做成当季产量图。所有这些资料，均用来作为下一年施肥种类和数量的决策参考。作施肥决策时，调用数据库内所有有关资料进行分析，主要按照每一操作单元（0.52公顷）的养分状况和上一季产量水平，参考其他因素，确定这一单元内的各种养分施肥量，应用GIS，做成各种肥料施用的施肥操作指挥系统（GIS施肥操作图层）。然后转移到施肥机上，指挥变量平衡施肥。变量施肥机有用传统的施肥机改装的一次作业施一种肥料的简易型和新研制的大型多种肥料同时变量施肥的机具两种类型。 目前，精确农业在发达国家已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业，并被广泛承认是可持续发展农业的重要途径，精确农业技术的研究与实践受到广泛重视。虽然目前还没有形成完整的精确农业体系，但部分设备和技术已经成熟和形成，并已进入在生产实际中实验推广阶段。如美国19931994年在明尼苏达州1农场进行了精确农业技术实验取得了巨大成功，用GPS指导施肥的作物产量比传统平衡施肥的产量提高30%左右，经济效益大大提高；此后开展了广泛的精确农业技术实验示范研究，建立了精确农业研究中心。近五年来，世界上每年都举办相当规模的“国际精确农业学术研究会”和有关装备技术产品展览会，已有上千关于精确农业的专题学术报告，作物生产管理也开始应用精确农业技术。其中，在美国中西部地区精确农业技术应用的最为广泛，主要用于甜菜、玉米和大豆等作物的种植，至1995年约有5%的作物面积不同程度上应用了精确农业技术。到1998年末，在美国主要农业区，采用这项集成技术的农场，包括只采用某一项组分技术的占农场总数的20%以上。据专家预测，美国约在2005年全面进入精确农业时代。欧盟各国、加拿大、韩国等国家都十分重视精确农业的研究和应用。不仅发达国家对精确农业的技术实践非常重视，巴西、马来西亚等国也已开始精确农业的试验示范应用。 美国、英国、澳大利亚、加拿大、德国等国家的一些著名大学相继设和研究成果见诸于重要国际学术会议或专业刊物。在国际互联网上设有多个专题网址，可及时检索到有关精确农业研究的最新信息。 日本的精确农业将卫星技术用于农业生产。在日本农林水产省和一些大型农业机械生产厂家正合作研究将卫星技术用于农业生产，计划在2002年前开发出利用卫星定位系统的农业机械。这项技术是将农田按一定面积均等划分并分别编号,装配有卫星接收系统和土质检测传感器的新型农机经过划分好的地段时,卫星能将农机所在的位置及气象情况等有关信息输送到农机上的计算机内 计算机再结合土质传感器提供的该地段土质情况,将数据进行综合处理,控制喷洒装置,根据该地段的具体。 1.1.2精确农业的国内发展概况 我国从20世纪80年代开始RS和GIS，以及水稻、小麦、棉花、玉米等主要农作物和鸡、猪、牛的生产管理的农业专家系统的应用研究，90年代部分成果达到应用水平。“3S”系统在我国主要应用于农业资源环境和灾害动态监测方面的研究。比如中国农业科学院草原研究所应用遥感和地理信息技术建立的“中国北方草地草畜平衡动态监测系统”是我国草地的资源管理由过去常规方法上百人10年完成的工作量只需7人即可完成，经3年运转，节约经费1,669万元4。 随着现代农业对综合配套技术应用的迫切需要，随着数据库、系统模拟、人工智能、管理信息系统、决策支持系统、计算机网络以及3S等单项技术在农业领域的应用日趋成熟，各种信息技术的组合和集成，越来越受到人们的关注。技术集成和信息的综合利用是当今农业信息技术发展的主要特征之一。我国于“七五”，“八五”期间，国家科委、农业部先后支持了一些农业专家系统（实质上是信息管理、数据库管理、计算机技术和农业专家技术综合运用的集合）及其工具、作物生长发育模型、农业生产管理系统的开发研究。先后出现了诸如品种选育专家系统，农业规划专家系统，饲料配方专家系统，植物、动物染色体专家系统，作物病虫害防治专家系统，农业规划专家系统，农业经济管理专家系统等。1996年，“863”计划批准了北京农林科学院、吉林大学和长春市农科院、中科院合肥智能所分别承担小麦、玉米、水稻3种作物的智能化农业信息技术应用示范工程，并相应在北京市、吉林省、安徽省、云南省建立4个国家级智能化农业信息技术应用示范区，取得了明显的经济效益3。 我国计算机农用实时控制与模型模拟技术的研究起步晚，到目前为止，实时控制处理方面主要有作物育种，栽培的环境控制和一些农产品加工工序控制处理等。此外，也从国外引进了少量先进的实时控制处理系统，有的进行了部分二次开发。模型模拟技术方面开始从作物种植、生长、病虫防治预报，农产量预测，农业生态环境等方面入手开发。 总的说来，我国在精确农业的应用研究方面取得了不少研究成果，但在整体水平上，特别是实用上与发达国家差距很大。农用实时控制处理开发成果少，应用范围窄，数据采集和监测手段落后，速度慢，精度低，以开发的系统功能弱，使用效率不高，不适应推广和使用。 1.2变量施肥在精确农业中的意义 精确农业首先要定量认识田间产量、土壤肥力、苗情长势等分布的时空差异性，然后研究这些差异之间的相互关系，最终根据研究成果进行定位作物生产管理，即根据空间差异性的分布，因地制宜，按需要变量调整种子、化肥、农药等农资的使用，从而达到减少投入，增加产量，提高农资利用率，减少环境污染的目的。而变量施肥技术（VRF-Variable Rate Fertilizing）是精确农业的主要方面，主要研究内容是了解与描述土壤肥力的空间分布，并根据土壤肥力与作物产量关系进行决策，生成变量施肥处方图以指导田间作业。 变量施肥技术的田间应用是指根据田块的不同要求，有针对性地撒施不同配方及不同量的混合肥的实时控制技术。所以为取得良好的经济效益和环境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要，变量处方施肥是我们未来施肥的发展方向。 变量施肥技术的田间作业具体工作如下：田间各小区所需肥料的比率及单位面积施用量，都事先存入计算机；获取田间当前位置信息；控制撒播施肥量。这样就防止了化肥的过量使用以及由此而产生的环境污染，提高了作物产量和品质。 变量施肥技术的应用可以带动农业施肥技术及田间管理商业化的发展。变量施肥的田间操作，主要由变量施肥机来完成。这种机器是一台装配有GPS系统和计算机的拖拉机。当拖拉机在田间行驶时，通过GPS的准确定位和计算机的提示，然后将N、P、K等肥料按精确量一一施入田里。利用田间经验、专家知识、作物生长经验模型与作物生长模拟模型相结合的集成系统，可以生成变量施肥处方图。将处方图与全球定位系统相结合，实时控制施肥机实现变量施肥的田间操作。从而极大地提高农业资源的利用率，提高农业产量和减少环境污染。 1.3本文的研究目的及意义 众所周知，每一块田地其不同位置的土壤条件是不一样的，有的地方土壤比较肥沃，有的比较贫瘠。传统的施肥方式是在一片地块内使用一个平均施肥量。但实际上土壤肥力在不同的地块 （像元大小为0.52hm2）、不同时段 （上一茬残留肥力和消耗 ）差别较大，所以平均施肥就会造成部分地区肥力不足而部分地区肥力过量。如果在这样的一块地里，平均施肥，即每处的施肥量都一样的话，那在土壤肥沃的地块有可能所施肥量过多造成营养过剩，而在有的地块所施肥量又过少，造成肥量不足，这样就使得产量不是很高，产出投入比不是很大。 自动变量施肥技术（Variable Rate Fertilization）实现了在每一操作单元上因土因作物全面平衡施肥，因而大大地提高了肥料利用率和施肥经济效益，增加了产出投入比。同时，减少了肥料的浪费以及多余肥料对环境的不良影响。实现了因土、因作物、因时全面平衡施肥，取得了明显的经济和环境效益。1994年 5，明尼苏达大学在明尼苏达州汉斯卡农场实验研究表明：传统农业每公顷施肥为119.8kg，而变量施肥平均为82kg。明尼苏达的扎卡比森甜菜农场采用精确变率施肥技术减少了氮肥用量，肥料投入每公顷平均减少15.52美元，收益平均每公顷增加358.32美元。 我国的化肥投入突出问题是结构不合理，利用率低。化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成养分投入比例失调，增加了肥料的投入成本。我国肥料平均利用率较发达国家低10%6以上，氮肥为3035%，磷肥为1025%，钾肥为4050%。肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且是环境污染特别是水体富营养化的直接原因之一，众所周知的太湖、滇池的富营养化，其中来自肥料面源污染负荷高达1/31/2。随着人们环境意识的加强和农产品由数量型向质量型的转变，变量施肥将是提高土壤环境质量，减少水和土壤污染，提高作物产量和质量的有效途径。 利用电子信息技术，将相关领域的技术综合应用于精确农业，实现变量施肥田间作业是将精确农业技术由理论向实践转化重要的一步。变量施肥技术的田间作业的实现，将大大提高生态环境质量，提高土地利用率，施化肥投入与作物产出比率合理化，从而提高经济效益。精确农业技术最终是为了更好地利用耕地资源潜力，科学利用投入，提高产量降低生产成本，减少农业活动带来的不良的环境后果，实现作物生产系统的可持续发展。 先进的农业生产技术对农业机械提出了更高要求，实施精确农业，发展智能化农业机械势在必行。农业机械不仅是一种先进的生产工具和手段，更是一种体现农业科技含量和生产力水平的现代工程技术，是一种农业生产技术的载体。先进的农业生产技术的大面积、大规模实施，只有通过先进的农业机械才能实现。 精确农业要求农机作业可按精确定时，精确定量，精确定位实施，使资源得到合理有效利用，并且减少环境污染，也就是根据田地里土壤肥力，墒情，杂草和病虫害等条件的不同而采取不同的作业。这是传统机械无法完全胜任的。而要人去完成大面积大规模的精确作业既费力也不及时，也是不可能的。所以农业机械必须向信息化、智能化、综合化发展，这也是变精确农业思想为现实的途径。 1.4本文的研究内容 本系统是吉林省科技厅委托吉林大学承担的科研项目“精确农业自动变量施肥技术研究”（吉科合字 第20000201-3-1号）中的重要组成部分。 本系统以生物与农业工程学院研制的施肥机为基础，利用电子信息技术将GPS、GIS和传感器技术与精确农业的变量施肥技术结合起来，通过单片机对各种信息的综合与实时处理，实现施肥机自动变量施肥。 本文的主要内容： 1、深入分析影响施肥量的各种因素，确定了变量施肥的方案。查找施肥量、施肥机具前进速度和排肥器转速三者之间的关系，建立了变量施肥机构的数学模型。 2、以步进电机为执行结构，单片机为信息综合、实时处理器，将各种控制信息接收处理，通过控制排肥器的转速达到按给定施肥量及当前机具速度变量施肥的目的。 3、分析实验数据，查找误差原因。 第二章 自动变量施肥机构控制因素 影响施肥量的主要因素有化肥的物理特性、排肥器类型和运动参数、机具前进速度；控制自动变量施肥机构实时变量施肥的主要因素有机具当前的坐标位置、相应操作单元的专家系统决策数据及机具当前的行进速度。 2.1影响施肥量的主要因素 影响施肥量的主要因素有以下三方面： 一、化肥的物理特性 使用机具施肥时，肥料的物理特性影响肥料能否均匀地从料斗、分布器施入土壤。固体化学肥料的物理特性主要包括松散性、架空性、成块性和流动性等。松散性用休止角表示，休止角越大则松散性越好，肥料就越容易从排肥机构中排除。架空性是指吸水性很强的晶体状和粉状化肥，当含水量增加到一定程度后，在肥料的下部形成空穴的现象，架空性对施肥作业影响很大，严重时难于施肥。成块性是指有些化肥在含有相当多的水分后，受到机械的搅动作用形成块状的现象，这种性状使施肥不均，甚至使排肥器不能排肥。流动性是指在单位时间里，在一定的孔口面积排出的肥量。松散性好、不易架空、不易成块、流动性好的化肥，易于实现机具均匀施肥。颗粒度好的化肥流动性好，能保证肥料均匀地从料斗、分布器施入土壤。 二、排肥器类型和运动参数 本论文是基于农业生物工程学院研制的施肥机来实现变量施肥机的自动控制部分。这个施肥机的排肥器采用外槽轮式排肥器，以下为外槽轮式排肥器的主要参数： 外槽轮排肥器每转的排肥量为： )(21nctafdLqqq += + （2-1） )(21gqq带动层的排量排肥器每转强制层和、式中： 数种子对凹槽的填充系种子容量槽轮的工作长度槽轮直径acmgcmLcmd)/()()(3)(2cmf每个凹槽的端面积 )(cmt槽的截距)(cmnc计算系数带动层的特性系数或 式中a和nc是随转速而改变的，如果用)()( nncna、分别代表两个系数是转速的函数，那么，排肥器在每分钟的排肥量为： nnnctfnadLQ )()( += （2-2） 上式表明，影响施肥量的参数有两个：一个是排肥器的轴向长L,它与施肥量成正比；另一个是排肥器的转速n，转速升高，施肥量增大。 三、机具前进速度 传统的施肥机构一般是利用地轮通过传动机构驱动排肥器。不考虑排肥器转速高时排肥量的非线性增加，于是，施肥量与机具前进速度呈线性关系。机具速度发生变化时，单位面积的施肥量并没有明显的变化。 当采用其他的执行机构代替地轮驱动排肥器时，施肥机每公顷的施肥量为： vBNqQ600= （2-3） min)/(gq排肥器的排肥量式中： )/( hkmv机具前进速度 )(mB施肥机行距 排肥器个数N 从式（2-3）中可以看出，当其他的条件确定的时候，机具的前进速度与施肥量成反比的。因此，当排肥器不用地轮驱动时，变量施肥机设计必须考虑机具前进速度对施肥量的影响。 2.2控制实时施肥量的主要因素 控制自动变量施肥机构实时施肥量的主要因素（如图2-1）有机具当前的坐标位置、相应操作单元的专家系统决策数据、及机具当前的行进速度。 本机构中机具当前坐标位置由Trimble AgGPS132接收机确定。专家系统决策数据是在机具实时作业前，经过土壤采样提前测出每块土壤肥力，再由专家系统决策出对应不同作物应该撒施多少肥料，形成处方图，将处方图数据存入存储器，以备机具实时作业时提取。机具当前的行进速度是作为反馈信号提供给控制机构。控制器综合这三方面信息，实时处理，得到控制排肥轴转速的控制变量。 2.3本章小结 本章深入分析了影响施肥量的主要因素，确定了变量施肥系统的控制因素，为变量施肥系统的进一步设计做好了基础。 自动变量施肥控制机构 定位信号当前机具速度 专家决策信息 控制变量输出 图2-1影响施肥量的实时因第三章 自动变量施肥机构硬件设计 本系统将变量施肥的控制因素（机具当前位置、相应操作单元的施肥量、机具前进速度），经过信息的综合与实时处理，最后输出控制排肥轴步进电机转速的脉冲信号。此脉冲信号随机具当前位置所对应操作单元的施肥量和机具前进速度的改变而改变，这样就达到了变量施肥的目的。自动变量施肥控制系统框图如图3-1所示，原理框图如图3-2所示。 传感器 前进速度反馈 显示 当前网格及对应施肥量 信息综合与实时处理芯片 GPS串口 定位信息输入 IC卡 施肥量查找 键盘 经验施肥量输入 步进电机控制器 控制脉冲输出 图3-1变量施肥机控制系统框图Titl1274F04LED2LED1OUTA027OUTB031OUTA126OUTB130OUTA225OUTB229OUTA324OUTB328DB012BD23DB113DB214SL032DB315SL133DB416SL234DB517SL335DB618DB719RL038RL139IRQ4RL21RL32CS22RL45RD10RL56WR11RL67A021RL78CLK3SHIFT36RESET9CNTL/S378279EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C5210K*4R1 IN13R2 IN8T1 IN11T2 IN10R1OUT12R2OUT9T1OUT14T2OUT7C1+1C1 -3C2+4C2 -5MAX232CPE(16)WDIWDOGNDVCCRESETPFOPFIMR813L+5104X1104X19013*312M30PX230PX210KGND+5VDDIRQDATAB BZ /BZCSWRVLCD10K50K+5+532768H蜂鸣器RDLCM103ON- OFFVin1GND2+5V3MC7805Vin1GND2+15V3MC7815+24VGND+5V传感器反馈IC卡SDAIC卡SCL控制脉冲输出IC卡中断GPSGPS本系统需要有两个外部中断（即IC卡中断，键盘中断），一个串口中断图3-2 变量施肥控制系统原理图 用于接收GPS定位信息，并且还需要三个定时计数器。基于以上几个要求，选用AT89C52型号的单片机作为控制芯片。AT89C52是低功耗，高性能的微处理芯片，芯片内部有8K字节程序存储器，256个字节RAM，3个16位定时器，6条中断线。对于本系统89C52内部的8K程序存储空间已经足够，因此不需要进行存储器扩展。本系统中，AT89C52接12MHz晶振，指令执行的机械周期为1s。 3.1 GPS精确定位系统 3.1.1 GPS（全球定位系统） GPS（Global Positioning System）是一个无线电空间定位系统，它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候的、高精度的、连续的、实时的三维坐标(经度、纬度、海拔)、三维速度(xyz轴)和时间定位信息，地球表面和上方任何地点可以无源方式同时接收用于定位导航。作为一个出色的军民“双用途”技术，GPS全球定位系统近年来获得了飞速的发展。军用：采用精测码（P码Precision Code）进行精密定位业务，民用：采用粗测码（C/A码Coarse/Acguistion Code 粗测/截获码）进行标准定位业务。C/A码的定位误差在50100米，精确时间时340毫微秒，是对全世界公开的。P码的定位精度在5米以内。 GPS全球导航定位技术的基础是精确的时间和位置信息。GPS定位是通过获得若干卫星的位置及用户离卫星的距离来计算用户的位置的。也就是每一颗卫星连续不断地向GPS信号接收机发送可跟踪的唯一编码序列，GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波。卫星发射两个载波频率L1=1,575.42MHz，L2=1,227.6MHz，在L1载波上调制有1.023MHz的伪随机噪声码，称为粗捕获码，又称标准定位信号SPS或C/A码，和10.23MHz的伪随机噪声，成为精码，又称精确定位信号PPS或P码，以及50b/s的导航电文。在L2载波上只调制有P码和导航电文。使用P码的导航精度高，仅供美国军方及特许用户使用。目前商品化的GPS接收机者使用C/A码，供一般用户使用。GPS全球定位导航系统将构成未来的公用事业的基础，可为地球上任何一个地方准确定位，且定位精度很高。用GPS信号可以进行海空导航、车辆定位、工程测量、动态观测、设备安装、时间标准、速度测量等等。 3.1.2 DGPS技术 为了降低叠加在C/A码上的随机抖动干扰即SA技术对定位精度的影响，提高定位精度，目前常见的方法是用差分接收（DGPS）。差份技术实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。采用C/A码接收，用户的GPS接收及精度都在100米左右，采用差份技术后改善因各种误差所影响的定位精度，定位精度提高到10米甚至1米。 3.1.3 GPS在变量施肥中的重要地位 GPS系统在精确农业实施过程中异常重要，它一方面将农田各种信息给予精确定位，输入GIS；另一方面也是农机作业轨迹的依据。为了得到农田边界信息，必须要在农场界线处进行GPS定点，测得高精度的坐标数据，标定农场的基本形状。 动态GPS定位的主要作用为： (1) 指挥农机行走。根据GIS提供的场区电子地图经纬度范围(也可用坐标表示)，利用农机上的GPS天线，每隔一定时间接收一组GPS定位数据，通过软件，将自行农机实际行动轨迹显示在电子地图上，使其在场区范围内自由行走。若电子地图上设计有行走路线，则按设计的轨迹行走。该项工作的难点在于GPS与GIS接口调试及软件的开发。 (2) 指挥农机作业。依据农业信息采集系统和专家系统提供的农业作业路线及变更作业方式的空间位置（给定X、Y之内），农机自动完成耕地、播种、施肥、中耕、灭虫、灌溉、收割等工作，包括耕地深度、施肥量、灌溉量的控制等。除GSP和农机具等硬设备外，还包括GPS与自行农机接口调试。 (3) 周边环境不定期监测的定位。周边地区有突发性灾害，如冰雹、虫害等，可由动态GPS将范围记录下来，为农业专家系统提供有益的空间信息。 3.1.4 Trimble AgGPS132差分接收机 GPS信号接收机是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的卫星信号节后设备。它对所接收到的GPS信号进行放大、变换和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出三维位置、速度和时间。在作业过程中，使用者通过GPS信号接收机面板上的控制键盘，可以从视屏显示窗上读取所要求的数据和信息，数据接口一般均为通用接口，如数据传输接口为RS-232C.。 Trimble AgGPS132差分接收机（如图3-3）具有亚米级差分改正精度，易于安装，并可以连接包括产量监视器、可调速率播种机、应用控制器及便携田间计算机在内的多种精确农业机械，是适合精确农业中使用的差分GPS接收机。 Trimble AgGPS132差分GPS接收机采用了The Choice技术。该技术将一个GPS接收机、一个信标差分接收机和一个卫星差分接收机集成在同一外壳内。这些接收机通过一根电缆公用一个组合天线。这一配置极大地提高了差分GPS改正的精度、可靠性和可用性。 这种接收机可输出工业标准的NMEA- 0183电文。用户可选的输出包括位置、速度、导航和状态信息。标准配置的接收机每秒输出一次位置，时延很短。对于在快速运动车辆的应用，AgGPS 132可选择每秒输出十次位置，时延小于100毫秒。 AgGPS 132接收机有两个RS232串口，利用其中之一可以向本控制系统传送位置信息。RS-232C有9条信号线（DB9口）。本系统中使用MAX232芯片将GPS串口与89C52连接起来。GPS信号通过RS-232C串口，经由MAX232进行电平转换，传送到单片机，再经过单片机内部解码得到当前机图3-3 AgGPS132接收机及天线天线接收机具位置信息。MAX232与RS-232C串口和单片机之间是通过MAX232的引脚8（R2 IN）与RS-232C的引脚2（接收数据）相连，MAX232的引脚9（R2 OUT）与89C52的RXD相连，引脚10（T2 IN）与89C52的TXD相连引脚，7（T2 OUT）与RS-232C的引脚3（发送数据）相连。串口通讯设定为：1位起始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位，波特率为9600bps。 3.2 IC卡存储器 3.2.1 GIS系统在精确农业中的作用 GIS是精确农业技术实施的核心，是精确农业集成系统的关键技术。GIS是人们在计算机硬件、软件环境里，使大量描述客观事物、关系和过程的各种数据，按照它们的地理坐标或修整位置，输入编辑、存储更新、量测运算、查询检索、分析处理、模型应用、动态模拟、决策支持、模型应用、显示制图和报表输出，从而帮助人们实现认识、利用和改造客观世界的某种或某些任务目标的一种信息系统。GIS在精确农业中的作用主要体现在提供数据收集、数据分析、决策和变率施用处理等方面。 在精确农业中，GIS将作为空间决策工具，提供决策模型、变量投入技术VRT（Variable Rate Technology）和GPS集成决策系统。GIS在精确农业中主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量的空间分布等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换于表达等，为分析差异性和实施调控提供处方信息。他将纳入作物栽培管理辅助决策支持系统，与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化农作物专家系统一起，并在决策者的参与下根据产量的空间差异性，分析原因、做出诊断、提出科学处方，落实到GIS支持下形成的田间作物管理处方图，指导科学的调控操作。 但是，在进行实时变量施肥过程中，处方图是不可能实时得到的。处方图必须先在PC机上，通过GPS、GIS和专家系统集成软件分析得到。将得到的处方图保留在存储介质上，作为变量施肥控制系统的重要信息数据。在需要时，由控制器从存储介质上提取。 3.2.2