枸杞开沟机智能监测装置
技术领域：
本实用新型涉及智能农机机械技术领域，特别涉及一种枸杞开沟机智能监测装置。
背景技术：
枸杞在种植时，需要采用开沟机先进行开沟作业，然后进行栽植枸杞苗，枸杞种植的开沟作用，采用现有的开沟机进行，现有的枸杞开沟机采用机械部分和动力牵引部分完成，动力牵引部分带动机械部分进行开沟作业，枸杞种植的开沟作业时直线行驶，并控制开沟的深度，现有技术的开沟机需要人工通过驾驶牵引机进直线行驶，从而实现直线开沟作业，此过程，操作人员很难准确的控制牵引机直线行驶，并控制开沟的深浅，如此，影响枸杞的精准种植。
发明内容：
有鉴于此，有必要提供一种枸杞开沟机智能监测装置。
一种枸杞开沟机智能监测装置，包括开沟机械机构、悬挂架、液压动作油缸、角度传感器、测距传感器和车载定位终端机，悬挂架悬挂配装在牵引机的后端，开沟机械机构与悬挂架铰接，液压动作油缸的筒底配装在悬挂架，活塞杆伸出端与开沟机械机构配装，角度传感器配装在液压动作油缸处，测距传感器配装在悬挂架处，角度传感器和测距传感器通过串口与车载定位终端机连接。
优选的，开沟机械机构包括固定架、开沟链条、主动链轮轴、主动链轮、从动链轮和链轮固定架，固定架与悬挂架铰接，固定架上配装减速器，减速器的动力输入端与牵引机的动力输出端连接，减速器的动力输出端与主动链轮轴连接，主动链轮配装在主动链轮轴上，链轮固定架的前端与固定架固定连接，后端与从动链轮配装，开沟链条配装在主动链轮和从动链轮上，开沟链条上可拆卸式配装若干开沟齿，液压动作油缸的活塞杆伸出端与固定架的下端铰接。
优选的，枸杞开沟机智能监测装置还包括云数据平台、智能农机信息化管理平台和WEB终端监控中心，车载定位终端机通过4G通信与云数据平台通信连接，云数据平台与智能农机信息化管理平台通信连接，智能农机信息化管理平台与WEB终端监控中心通信连接。
优选的，车载定位终端机包括显示模块、定位模块、传感器信号处理模块和通信模块，显示模块、定位模块和通信模块分别与传感器信号处理模块通信连接，通信模块通过4G通信网络与云数据平台通信连接。
优选的，定位模块包括定位板电路板、定位芯片BD982、双排插针接线器、限流电路、信息插座连接器、防静电芯片、信号传输指示灯电路、信号接收指示灯电路和存放电保护电路，定位芯片BD982、双排插针接线器、限流电路、信息插座连接器、防静电芯片、信号传输指示灯电路、信号接收指示灯电路和存放电保护电路集成在定位板电路板上；双排插针接线器、信息插座连接器、防静电芯片、信号传输指示灯电路、信号接收指示灯电路和存放电保护电路与定位芯片BD982相应的引脚连接，限流电路与信息插座连接器连接。
优选的，定位芯片BD982包括引脚GND、引脚RTK_LED、引脚POWER_OFF、引脚GNSS_PPS、引脚VCC、引脚GNSS_COM3_RX、引脚GNSS_EVENT1、引脚POWERLED、引脚SAT_LED、引脚GNSS_COM2_CTS、引脚RESET_IN、引脚GNSS_COM2_RTS、引脚GNSS_COM2_RX、引脚COM1_CTS、引脚GNSS_COM2_CTS、引脚GNSS_COM2_TX、引脚COM1_RTS、引脚GNSS_COM1_RX232、引脚GNSS_COM3_TX、引脚GNSS_COM1_TX232、引脚USB、引脚TD_P、引脚RD_P、引脚TD_N、引脚RD_N、引脚GNSS_COM4_RX232和引脚GNSS_COM4_TX232,双排插针接线器的芯片与引脚GNSS_COM2_TX和引脚GNSS_COM2_RX连接，双排插针接线器的芯片包括UARTTXD端和UARTPXD端，防静电芯片与定位芯片BD982的引脚TD_P、引脚RD_P、引脚TD_N和引脚RD_N连接，信息插座连接器的芯片与定位芯片BD982的又一组引脚TD_P、引脚RD_P、引脚TD_N和引脚RD_N连接，信息插座连接器的芯片与限流电路连接，定位芯片BD982的引脚VCC与3V3端连接，存放电保护电路包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2的一端与3V3端连接连接，另一端分别与接电线GND端连接。
优选的，限流电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第三电容C3，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的一端分别与100BT1端、100BT2端、100BT3端和100BT4端连接，第一电阻R1、第二电阻R2的另一端与第五电阻R5的一端连接，第三电阻R3和第四电阻R4的另一端分别与第六电阻R6的一端连接，第五电阻R5和第六电阻R6的另一端与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端与接电线GND连接，100BT1端、100BT2端、100BT3端和100BT4端分别与信息插座连接器的芯片的引脚100BT1、引脚100BT2、引脚100BT3和引脚100BT4连接；
信号传输指示灯电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一发光二极管D1和第一三极管Q1；第七电阻R7的一端与3V3端连接，另一端与第一发光二极管D1的一端连接，第一发光二极管D1的另一端与第一三极管Q1的集电极连接，第一三极管Q1的发射极与接地线GND连接，第一三极管Q1的基集分别与第八电阻R8和第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端与接地线GND连接，第八电阻R8的另一端与定位芯片BD982的引脚SAT_LED连接；
信号接收指示灯电路包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第二发光二极管D2和第二三极管Q2；第十电阻R10的一端与3V3端连接，另一端与第二发光二极管D2的一端连接，第二发光二极管D2的另一端与第二三极管Q2的集电极连接，第二三极管Q2的发射极与接地线GND连接，第二三极管Q2的基集分别与第十一电阻R11和第十二电阻R12的一端连接，第十二电阻R12的另一端与接地线GND连接，第十一电阻R11的另一端与定位芯片BD982的引脚RTK_LED连接。
优选的，传感器信号处理模块包括电源供电电路、MCU处理电路、SWD接口、UART接口和传感器接口，MCU处理电路包括芯片STM32、晶振电路、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9，芯片STM32的引脚VDD与电源供电电路的3V3端连接，芯片STM32的引脚BOOT0与第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端与接电线GND连接，芯片STM32的引脚PF0与引脚PF1与晶振电路连接，芯片STM32的引脚NRST与第十四电阻R14的一端连接，第十四电阻R14的另一端与电源供电电路的3V3端连接，芯片STM32的引脚VDDA与电源供电电路的3V3端连接，并与第六电容C6和第七电容C7的一端连接，第六电容C6和第七电容C7的另一端与接电线GND连接，芯片STM32的引脚PA4与LED端连接，第八电容C8和第九电容C9的一端分别与芯片STM32的引脚VDD和电源供电电路的3V3端连接，另一端分别与芯片STM32的引脚VSS连接，并与接电线GND连接；
芯片STM32的引脚SWCLK和引脚SWDIO与SWD接口连接，芯片STM32的引脚TX和引脚RX与UART接口连接，芯片STM32的引脚PA6、引脚PA7和引脚PB1与传感器接口连接；
晶振电路包括第四电容C4、第五电容C5和晶振器Y1，晶振器Y1的一端与芯片STM32的引脚PF0连接，另一端与芯片STM32的引脚PF1连接，第四电容C4的一端与晶振器Y1的一端连接，第四电容C4的另一端与接地线GND连接，第五电容C5的一端与晶振器Y1的另一端连接，第五电容C5的一端与接地线GND连接。
优选的，电源供电电路包括高压调整芯片、第十电容C10和第十一电容C11,高压调整芯片包括引脚Vin、引脚Vout和引脚GND，引脚Vin与5V供电端连接，引脚Vout输出3V电压，引脚Vout与芯片STM32的引脚VDD连接，引脚GND与接地线连接，第十电容C10的一端与引脚Vin连接，另一端与接地线连接，第十一电容C11的一端与引脚Vout连接，另一端与接地线连接，芯片STM32的引脚LED与第三发光二极管D3的一端连接，第三发光二极管的另一端与一电阻R连接的一端连接，电阻R的另一端与3V电压端连接。
优选的，通信模块为双排插针通信接口。
对于开沟机来说，开沟机能否按直线行驶，以及开沟深度，开沟深度深浅能否控制的问题大大存在。因此，本实用新型首先确保开沟机作业时沿直线前进，除此之外，由于枸杞农业的特殊作业要求，开沟深度必须要大于0.8M。作业开始前，由操作员通过车载定位终端机的触摸显示屏设定本次开沟作业的开沟深度。车载定位终端机的微处理器通过测距传感器结合的监测方式来计算开沟深度，测距传感器安装于悬挂架下方，测量出开沟机械机构悬挂距离地面的高度。在作业中，通用车载定位终端机将根据距离传感器和角度传感器的返回值计算出当前的开沟深度，并与开始作业前设定好的开沟深度值进行对比，在差距过大时，车载定位终端机的触摸显示屏上发出提示信息。如此，采用本实用新型，实现了枸杞开沟作业的直线开沟和开沟深度实时监测。
附图说明：
图1为枸杞开沟机智能监测装置的开沟机械机构结构示意图，
图2为枸杞开沟机智能监测装置的模块结构示意图，
图3为定位芯片BD982引脚连接的结构示意图，
图4为双排插针接线器芯片连接结构示意图，
图5为信息插座连接器的芯片的结构示意图，
图6为防静电芯片的结构示意图，
图7为信号接收指示灯电路原理的结构示意图，
图8为信号传输指示灯电路原理示意图，
图9为存放电保护电路原理示意图，
图10为限流电路的电路原理示意图，
图11为芯片STM32引脚连接结构示意图，
图12为SWD接口芯片引脚连接示意图，
图13为UART接口芯片引脚连接示意图，
图14为传感器接口芯片引脚连接示意图，
图15为电源供电电路原理示意图，
图16为芯片STM32指示灯连接示意图，
图中：开沟机械机构1、固定架10、开沟链条11、主动链轮轴12、主动链轮13、从动链轮14、链轮固定架15、开沟齿a、悬挂架2、液压动作油缸3、角度传感器4、测距传感器5、车载定位终端机6、云数据平台7、智能农机信息化管理平台8、WEB终端监控中心9。
具体实施方式：
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实用新型提供了以下具体的实施例。
请同时参阅图1及图2，枸杞开沟机智能监测装置包括开沟机械机构1、悬挂架2、液压动作油缸3、角度传感器4、测距传感器5和车载定位终端机6，悬挂架2悬挂配装在牵引机的后端，开沟机械机构1与悬挂架2铰接，液压动作油缸3的筒底配装在悬挂架2，活塞杆伸出端与开沟机械机构1配装，角度传感器4配装在液压动作油缸3处，测距传感器5配装在悬挂架2处，角度传感器4和测距传感器5通过串口与车载定位终端机6连接。
开沟机械机构1包括固定架10、开沟链条11、主动链轮轴12、主动链轮13、从动链轮14和链轮固定架15，固定架10与悬挂架2铰接，固定架10上配装减速器，减速器的动力输入端与牵引机的动力输出端连接，减速器的动力输出端与主动链轮轴12连接，主动链轮13配装在主动链轮轴12上，链轮固定架15的前端与固定架10固定连接，后端与从动链轮14配装，开沟链条11配装在主动链轮13和从动链轮14上，开沟链条11上可拆卸式配装若干开沟齿a，液压动作油缸3的活塞杆伸出端与固定架10的下端铰接。
枸杞开沟机智能监测装置还包括云数据平台7、智能农机信息化管理平台8和WEB终端监控中心9，车载定位终端机6通过4G通信与云数据平台7通信连接，云数据平台7与智能农机信息化管理平台8通信连接，智能农机信息化管理平台8与WEB终端监控中心9通信连接。
在本实施方式中的角度传感器设计为GY-61系列，GY-61角度传感器是小尺寸、低功耗、完整的三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，能以±3g的满量程范围测量加速度。它可以测量倾斜监测应用中的静态重力加速度，以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。角度传感器的技术参数如表1所示：
表1，角度传感器技术参数表
本实施方式中，测距传感器设计为激光雷达单点测距传感器TFmini Plus，该传感器是一款小型化，单点测距的产品，基于TOF(飞行时间)原理，配合独特的光学、电学、算法设计，主要实现稳定、精准、高灵敏度和高速的距离测量的功能，该测距传感器本身除了具有TFmini的低成本、小体积、测距远等特点外，还增加了IP65等级防护，测距精度更高，对于室外强光、不同温度、不同反射率等不同环境下适应性更强，更低功耗，探测频率也更加灵活，兼容UART和I2C通信接口，可通过指令进行切换。测距传感器的技术参数如表2所示：
表2，激光雷达单点测距传感器技术参数
本实施方式中，牵引机的柴油机经过皮带将转动传递到离合器后，驱动行走变速箱、传动轴、后桥等来实现链条式开沟机的向前或向后的直线运动，本实用新型的主要功能是通过角度传感器、激光雷达单点测距传感器实现对开沟机相关数据的采集。在此基础上，完成了开沟机采集设备的硬件原理图设计，在完成硬件原理图设计的基础上，又进一步根据车载定位终端机能够具有设置、采集和通信等功能需要进行了PCB的详细设计，通用车载定位终端机实时显示开沟深度，当开沟深度过深或者过浅时，通用车载定位终端机的屏幕上显示告警信息并发出提示，开沟机的作业信息通过智能农机信息化管理平台。本实施方式中，车载定位终端机的PCB板具体设计如下：
请同时参阅图3至图16，车载定位终端机6包括显示模块、定位模块、传感器信号处理模块和通信模块，显示模块、定位模块和通信模块分别与传感器信号处理模块通信连接，通信模块通过4G通信网络与云数据平台通信连接。
定位模块包括定位板电路板、定位芯片BD982、双排插针接线器、限流电路、信息插座连接器、防静电芯片、信号传输指示灯电路、信号接收指示灯电路和存放电保护电路，定位芯片BD982、双排插针接线器、限流电路、信息插座连接器、防静电芯片、信号传输指示灯电路、信号接收指示灯电路和存放电保护电路集成在定位板电路板上；双排插针接线器、信息插座连接器、防静电芯片、信号传输指示灯电路、信号接收指示灯电路和存放电保护电路与定位芯片BD982相应的引脚连接，限流电路与信息插座连接器连接。
定位芯片BD982包括引脚GND、引脚RTK_LED、引脚POWER_OFF、引脚GNSS_PPS、引脚VCC、引脚GNSS_COM3_RX、引脚GNSS_EVENT1、引脚POWERLED、引脚SAT_LED、引脚GNSS_COM2_CTS、引脚RESET_I N、引脚GNSS_COM2_RTS、引脚GNSS_COM2_RX、引脚COM1_CTS、引脚GNSS_COM2_CTS、引脚GNSS_COM2_TX、引脚COM1_RTS、引脚GNSS_COM1_RX232、引脚GNSS_COM3_TX、引脚GNSS_COM1_TX232、引脚USB、引脚TD_P、引脚RD_P、引脚TD_N、引脚RD_N、引脚GNSS_COM4_RX232和引脚GNSS_COM4_TX232,双排插针接线器的芯片与引脚GNSS_COM2_TX和引脚GNSS_COM2_RX连接，双排插针接线器的芯片包括UARTTXD端和UARTPXD端，防静电芯片与定位芯片BD982的引脚TD_P、引脚RD_P、引脚TD_N和引脚RD_N连接，信息插座连接器的芯片与定位芯片BD982的又一组引脚TD_P、引脚RD_P、引脚TD_N和引脚RD_N连接，信息插座连接器的芯片与限流电路连接，定位芯片BD982的引脚VCC与3V3端连接，存放电保护电路包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2的一端与3V3端连接连接，另一端分别与接电线GND端连接。
限流电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第三电容C3，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的一端分别与100BT1端、100BT2端、100BT3端和100BT4端连接，第一电阻R1、第二电阻R2的另一端与第五电阻R5的一端连接，第三电阻R3和第四电阻R4的另一端分别与第六电阻R6的一端连接，第五电阻R5和第六电阻R6的另一端与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端与接电线GND连接，100BT1端、100BT2端、100BT3端和100BT4端分别与信息插座连接器的芯片的引脚100BT1、引脚100BT2、引脚100BT3和引脚100BT4连接；
信号传输指示灯电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一发光二极管D1和第一三极管Q1；第七电阻R7的一端与3V3端连接，另一端与第一发光二极管D1的一端连接，第一发光二极管D1的另一端与第一三极管Q1的集电极连接，第一三极管Q1的发射极与接地线GND连接，第一三极管Q1的基集分别与第八电阻R8和第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端与接地线GND连接，第八电阻R8的另一端与定位芯片BD982的引脚SAT_LED连接；
信号接收指示灯电路包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第二发光二极管D2和第二三极管Q2；第十电阻R10的一端与3V3端连接，另一端与第二发光二极管D2的一端连接，第二发光二极管D2的另一端与第二三极管Q2的集电极连接，第二三极管Q2的发射极与接地线GND连接，第二三极管Q2的基集分别与第十一电阻R11和第十二电阻R12的一端连接，第十二电阻R12的另一端与接地线GND连接，第十一电阻R11的另一端与定位芯片BD982的引脚RTK_LED连接。
传感器信号处理模块包括电源供电电路、MCU处理电路、SWD接口、UART接口和传感器接口，MCU处理电路包括芯片STM32、晶振电路、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9，芯片STM32的引脚VDD与电源供电电路的3V3端连接，芯片STM32的引脚BOOT0与第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端与接电线GND连接，芯片STM32的引脚PF0与引脚PF1与晶振电路连接，芯片STM32的引脚NRST与第十四电阻R14的一端连接，第十四电阻R14的另一端与电源供电电路的3V3端连接，芯片STM32的引脚VDDA与电源供电电路的3V3端连接，并与第六电容C6和第七电容C7的一端连接，第六电容C6和第七电容C7的另一端与接电线GND连接，芯片STM32的引脚PA4与LED端连接，第八电容C8和第九电容C9的一端分别与芯片STM32的引脚VDD和电源供电电路的3V3端连接，另一端分别与芯片STM32的引脚VSS连接，并与接电线GND连接；
芯片STM32的引脚SWCLK和引脚SWD IO与SWD接口连接，芯片STM32的引脚TX和引脚RX与UART接口连接，芯片STM32的引脚PA6、引脚PA7和引脚PB1与传感器接口连接；
晶振电路包括第四电容C4、第五电容C5和晶振器Y1，晶振器Y1的一端与芯片STM32的引脚PF0连接，另一端与芯片STM32的引脚PF1连接，第四电容C4的一端与晶振器Y1的一端连接，第四电容C4的另一端与接地线GND连接，第五电容C5的一端与晶振器Y1的另一端连接，第五电容C5的一端与接地线GND连接。
电源供电电路包括高压调整芯片、第十电容C10和第十一电容C11,高压调整芯片包括引脚Vin、引脚Vout和引脚GND，引脚Vin与5V供电端连接，引脚Vout输出3V电压，引脚Vout与芯片STM32的引脚VDD连接，引脚GND与接地线连接，第十电容C10的一端与引脚Vin连接，另一端与接地线连接，第十一电容C11的一端与引脚Vout连接，另一端与接地线连接，芯片STM32的引脚LED与第三发光二极管D3的一端连接，第三发光二极管的另一端与一电阻R连接的一端连接，电阻R的另一端与3V电压端连接。通信模块为双排插针通信接口。
本实用新型硬件结构上包含角度传感器、激光测距传感器、超声波测距传感器。角度传感器放置于液压动作机构处，用于测量液压动作角度，采用ADXL335三轴加速度计，供电电压DC3-5V，供电电流400uA，模拟量输出，可工作于-40℃-85℃环境当中，符合硬件设计要求。由于开沟机作业环境恶劣，通过超声波/激光测距传感器结合的监测方式，安装于悬挂架2下方，测量出悬挂架2距离地面的高度。激光测距传感器选用TFmini Plus激光雷达模组短距离传感器，TFmini Plus继承了低成本、小体积和低功耗的三大优势，进一步提升了产品整体性能：提高输出帧率，缩小测距盲区，提高数据稳定性及精准度。与此同时，增加IP65级防护，优化各类补偿算法，测量范围0.1-12m，供电电压DC5V，供电电流140mA，通信接口为UART、I2C、I/O，符合硬件设计要求。超声波测距传感器选用US-100超声波测距模块可提供2cm-450cm的非接触式距离感测功能，供电电压DC2.4-5.5V，供电电流2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO、UART等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠，符合硬件设计要求。液压动作角度与悬挂距离地面的高度两者测量数据相结合整合出开沟深度。
对于开沟机来说，开沟机能否按直线行驶，以及开沟深度，开沟深度深浅能否控制的问题大大存在。因此，本实用新型首先确保开沟机作业时沿直线前进，除此之外，由于枸杞农业的特殊作业要求，开沟深度必须要大于0.8M。作业开始前，由操作员通过车载定位终端机的触摸显示屏设定本次开沟作业的开沟深度。车载定位终端机的微处理器通过测距传感器结合的监测方式来计算开沟深度，测距传感器安装于悬挂架下方，测量出开沟机械机构悬挂距离地面的高度。在作业中，通用车载定位终端机将根据距离传感器和角度传感器的返回值计算出当前的开沟深度，并与开始作业前设定好的开沟深度值进行对比，在差距过大时，车载定位终端机的触摸显示屏上发出提示信息。如此，采用本实用新型，实现了枸杞开沟作业的直线开沟和开沟深度实时监测。
