一种融合北斗定位与流量脉冲采集的农业作业监管设备的制作方法

本发明涉及农业作业监管设备，尤其涉及一种融合北斗定位与流量脉冲采集的农业作业监管设备。

背景技术：

1、随着智慧农业和数字农业的快速发展，植保无人机、喷杆喷雾机及其它农业作业装备已广泛应用于农药喷洒、液体肥料施用等农业生产场景，为了实现农业作业全过程监管和作业质量追溯，现有农业作业监管设备通常集成卫星定位、流量计及无线通信等功能，通过采集设备位置、喷洒流量及作业状态信息，并上传至监管平台，实现农业作业轨迹记录、作业面积统计及施药量分析；

2、然而，现有农业作业监管设备仍存在以下不足：1、大多数设备将定位模块与流量采集模块独立运行，缺乏统一的时间同步和数据融合机制，导致定位数据与流量数据难以准确对应，影响作业轨迹及施药量统计的准确性；2、现有设备通常采用普通脉冲计数方式采集流量计信号，容易受到设备振动、电磁干扰及网络中断等因素影响，导致流量采集精度降低，并且通信异常时容易出现作业数据丢失，难以满足农业作业全过程、高精度及可追溯监管的需求；

3、综合上述，本技术提出了一种融合北斗定位与流量脉冲采集的农业作业监管设备。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种融合北斗定位与流量脉冲采集的农业作业监管设备。

2、本发明提出的一种融合北斗定位与流量脉冲采集的农业作业监管设备，包括电源管理模块、主控制模块、北斗+gps双模定位模块、4g通信模块、sim卡模块、flash存储模块、流量脉冲采集模块、rs485通信模块、rs232通信模块、图像采集模块、姿态检测模块、模式切换模块、数据融合模块、缓存管理模块以及农业作业监管模块；

3、所述电源管理模块与主控制模块、北斗+gps双模定位模块、4g通信模块、flash存储模块、图像采集模块及姿态检测模块连接，用于完成外部宽电压输入、电源保护、稳压转换、供电状态检测、备用电源切换及电池电压检测；

4、所述主控制模块与北斗+gps双模定位模块、4g通信模块、flash存储模块、流量脉冲采集模块、rs485通信模块、rs232通信模块、图像采集模块、姿态检测模块、模式切换模块、数据融合模块、缓存管理模块及农业作业监管模块连接，用于完成农业作业数据采集、设备控制、数据融合处理及农业作业监管；

5、所述北斗+gps双模定位模块与主控制模块及数据融合模块连接，用于采集农业作业设备的定位坐标、运行速度、航向角及授时时间，并将定位数据及授时时间发送至数据融合模块；

6、所述流量脉冲采集模块与主控制模块、rs485通信模块及数据融合模块连接，用于采集流量计输出的脉冲信号，计算瞬时流量及累计流量，并将流量数据发送至数据融合模块；

7、所述rs485通信模块与流量脉冲采集模块、主控制模块及外部农业机械设备连接，用于采集农业机械运行数据或流量计数据，并接收主控制模块发送的控制指令；

8、所述rs232通信模块与主控制模块及外部调试终端连接，用于设备参数配置、程序调试及串口数据交互；

9、所述图像采集模块与主控制模块及数据融合模块连接，用于根据主控制模块发送的拍照触发指令或预设拍照周期采集农业作业现场图像，并将图像数据发送至数据融合模块；

10、所述姿态检测模块与主控制模块及数据融合模块连接，用于采集农业设备实时倾角信息，并根据倾角变化判断农机作业状态，并将姿态数据发送至数据融合模块；

11、所述模式切换模块与主控制模块连接，用于在设备安装调试阶段根据农业设备类型选择无人机作业模式或地面农机作业模式，并向主控制模块发送模式切换信号，以加载对应的作业参数及采集策略，无人机作业模式启用流量脉冲采集模块，地面农机作业模式启用图像采集模块及姿态检测模块；

12、所述flash存储模块与主控制模块及缓存管理模块连接，用于存储设备运行参数、农业作业数据及缓存数据，并为缓存管理模块提供数据存储空间；

13、所述数据融合模块与北斗+gps双模定位模块、流量脉冲采集模块、图像采集模块、姿态检测模块、主控制模块、缓存管理模块及农业作业监管模块连接，用于依据统一授时时间对定位数据、流量数据、姿态数据、图像数据及设备运行状态数据进行时间同步及融合处理，并生成农业作业监管数据；

14、所述缓存管理模块与数据融合模块、flash存储模块、4g通信模块及农业作业监管模块连接，用于在通信异常时将农业作业监管数据存储至flash存储模块，并在通信恢复后读取缓存数据，通过4g通信模块完成断点续传；

15、所述sim卡模块与4g通信模块连接，用于提供移动通信网络身份认证及网络接入；

16、所述4g通信模块与sim卡模块、主控制模块、缓存管理模块及农业作业监管模块连接，用于建立农业作业监管设备与农业监管平台之间的无线通信连接，并上传农业作业监管数据、设备状态数据及报警信息，同时接收农业监管平台下发的参数配置指令、拍照控制指令、倾角采集指令、拍照周期配置指令及远程升级指令；

17、所述农业作业监管模块与数据融合模块、缓存管理模块及4g通信模块连接，用于根据融合后的农业作业监管数据生成农业作业轨迹、施药量、单位面积施药量、作业面积及异常报警信息，并通过4g通信模块上传至农业监管平台。

18、优选地，所述电源管理模块包括电源芯片u1，电源芯片u1的引脚1电性连接有电容c1的一端，电容c1的另一端与电源芯片u1的引脚8电性连接，电源芯片u1的引脚2电性连接有电阻r2的一端、电容c4的一端、电容c2的一端、电阻r25的一端、二极管d1的一端和保险丝f1的引脚1，保险丝f1的引脚1电性连接有接线端j1的引脚1，二极管d1的另一端接地，电阻r25的另一端电性连接有电阻r26的一端，电阻r26的另一端接地，电容c2的另一端和电容c4的另一端电性连接，电源芯片u1的引脚4电性连接有电阻r7的一端，电源芯片u1的引脚3电性连接有电阻r9的一端，电容r2的另一端与电源芯片u1的引脚3电性连接，电阻r9的另一端、电阻r7的另一端和电容c2的另一端均接地，电源芯片u1的引脚9接地，电源芯片u1的引脚8电性连接有电感l1的一端，电感l1的另一端电性连接有电容c3的一端、电容c6的一端、电阻r4的一端和二极管d2的一端，电源芯片u1的引脚7、电容c3的另一端和电容c6的另一端均接地，电源芯片u1的引脚6电性连接有电阻r3的一端和电容c5的一端，电阻r3的另一端电性连接有电容c9的一端，电容c9的另一端和电容c5的另一端均接地，电源芯片u1的引脚5与电阻r4的另一端电性连接，电源芯片u1的引脚5还电性连接有电阻r8的一端，电阻r8的另一端和二极管d2的另一端均接地，电源芯片u1的输出端通过接线端j1向主控制模块、北斗+gps双模定位模块、4g通信模块、flash存储模块、图像采集模块及姿态检测模块提供工作电源，电源芯片u1的输入端与外部12v供电接口及备用电池连接，当检测到外部供电存在时优先采用外部供电，当外部供电异常时自动切换至备用电池供电，并通过电源保持电路维持主控制模块持续工作。

19、优选地，所述主控制模块包括控制芯片u2，控制芯片u2的引脚1电性连接有电阻r6的一端，电阻r6的另一端与控制芯片u2的引脚6电性连接，控制芯片u2的引脚2电性连接有二极管d8的负极、二极管d3的负极和电容c7的一端，控制芯片u2的引脚4电性连接有电容c8的一端，电容c7的另一端和电容c8的另一端均接地，控制芯片u2的引脚8和引脚9均接地，控制芯片u2的引脚7电性连接有电阻r1的一端和电阻r5的一端，电阻r1的另一端接地，电阻r5的另一端与控制芯片u2的引脚6电性连接，控制芯片u2的引脚6电性连接有电容c10的一端、电容c11的一端、电容c12的一端和电容c13的一端，电容c10的另一端、电容c11的另一端、电容c12的另一端和电容c13的另一端均接地，主控芯片u2的引脚6与北斗+gps双模定位模块、4g通信模块、flash存储模块、流量脉冲采集模块、rs485通信模块、rs232通信模块、图像采集模块、姿态检测模块、模式切换模块、数据融合模块、缓存管理模块及农业作业监管模块的输入端电性连接。

20、优选地，所述北斗+gps双模定位模块包括定位芯片u4和射频芯片rf1，定位芯片u4的引脚10电性连接有电容c14的一端和电容c15的一端，电容c14的另一端与射频芯片rf1的引脚1电性连接，射频芯片rf1的引脚2和引脚3均接地，定位芯片u4的引脚11与电容c15的另一端电性连接，定位芯片u4的引脚11电性连接有电阻r10的一端，电阻r10的另一端与射频芯片rf1的引脚1电性连接，定位芯片u4的引脚14电性连接有电感l2的一端，电感l2的另一端与定位芯片u4的引脚11电性连接，定位芯片u4的引脚12接地，定位芯片u4的引脚8电性连接有电容c42的一端和电容c16的一端，电容c42的另一端和电容c16的另一端电性连接有同一个电容c19的一端，电容c19的另一端与定位芯片u4的引脚6电性连接，定位芯片u4的引脚6电性连接有电池u6的引脚1，电池u6的引脚2、电容c16的另一端和电容c19的一端均接地，定位芯片u4的引脚3电性连接有电阻r14的一端，定位芯片u4的引脚2电性连接有电阻r15的一端，定位芯片u4的引脚1接地，定位芯片u4的通信引脚与控制芯片u2的输入引脚电性连接，定位芯片u4的引脚4与控制芯片u2的输入端电性连接，射频芯片rf1的射频输出端与外部的北斗天线接口电性连接，且定位芯片u4支持北斗卫星信号及gps卫星信号联合定位。

21、优选地，所述rs232通信模块包括232通信芯片u5，232通信芯片u5的引脚1电性连接有电容c17的一端，232通信芯片u5的引脚3与电容c17的另一端电性连接，232通信芯片u5的引脚2电性连接有电容c20的一端，232通信芯片u5的引脚6电性连接有电容c22的一端，电容c20的另一端和电容c22的另一端均接地，232通信芯片u5的引脚4和引脚5之间串联有同一个电容c21，232通信芯片u5的引脚16电性连接有电容c18的一端，电容c18的另一端和232通信芯片u5的引脚15均接地，232通信芯片u5的引脚14电性连接有电阻r12的一端，232通信芯片u5的引脚13电性连接有电阻r13的一端，电阻r13的另一端电性连接有二极管d4的一端，电阻r12的另一端电性连接有二极管d5的一端，二极管d4的另一端和二极管d5的另一端均接地，电阻r12的另一端电性连接有接线端j5的引脚1，电阻r13的另一端电性连接有发送端j6的引脚1，232通信芯片u5的发送端和接收端分别与控制芯片u2的输入端和输出端连接，接线端j5及发送端j6分别与外部串口设备连接。

22、优选地，所述rs485通信模块包括485通信芯片u7，485通信芯片u7的引脚8电性连接有电容c23的一端，电容c23的另一端接地，485通信芯片u7的引脚7电性连接有电阻r20的一端，电阻r20的另一端接地，485通信芯片u7的引脚7和引脚6分别电性连接有二极管d6的一端和二极管d7的一端，二极管d7的另一端和二极管d6的另一端均接地，485通信芯片u7的引脚7还电性连接有保险丝f2的引脚1，485通信芯片u7的引脚6电性连接有电阻r23的一端和保险丝f3的引脚1，保险丝f3的引脚2和保险丝f2的引脚2串联有同一个电阻r22的一端，保险丝f2的引脚2电性连接有接线端j10，保险丝f3的引脚2电性连接有接线端j12，485通信芯片u7的引脚5接地，485通信芯片u7的发送端及接收端分别与控制芯片u2对应的输入端和输出端连接，接线端j10及接线端j12分别与外部rs485总线连接。

23、优选地，所述flash存储模块包括芯片u9,芯片u9的引脚1电性连接有电阻r24的一端，芯片u9的引脚3与电阻r24的另一端电性连接，芯片u9的引脚4接地，电阻r24的另一端与芯片u9的引脚7和引脚8电性连接，芯片u9的引脚7和引脚8电性连接电性连接有同一个电容c28的一端，电容c28的另一端接地，芯片u9的引脚5和引脚6为时钟端spi，时钟端spi与主控制模块对应的spi接口电性连接，芯片u9的数据输入端、数据输出端、时钟端及片选端分别与控制芯片u2对应的输出端、输入端、时钟端及片选端电性连接。

24、优选地，所述sim卡模块包括芯片u8和集成电路芯片card1，芯片u8的引脚6与集成电路芯片card1的引脚c3电性连接，芯片u8的引脚6还电性连接有电阻r18的一端，芯片u8的引脚7和集成电路芯片card1的引脚c2电性连接有同一个电阻r19的一端，芯片u8的引脚8和集成电路芯片card1的引脚c1电性连接有同一个电阻r21的一端和电容c27的一端，电阻r17的另一端电性连接有电容c24的一端，电阻r18的另一端电性连接有电容c25的一端，电阻r19的另一端电性连接有电容c26的一端，电容c24的另一端、电容c25的另一端、电容c26的另一端和电容c27的另一端均接地，芯片u8的引脚1电性连接有电压抑制器d7，芯片u8的通信引脚与控制芯片u2的输入接口电性连接。

25、优选地，所述流量脉冲采集电路包括流量输入接线端、光电隔离器、整形电路及滤波电路，流量输入接线端与光电隔离器输入端连接，光电隔离器输出端经整形电路后连接控制芯片u2对应的gpio输入引脚，用于将流量计输出的脉冲信号转换为控制芯片u2可识别的数字脉冲信号。

26、优选地，所述主控制模块还包括状态指示电路和usb下载调试电路，所述状态指示电路包括电源状态指示灯、网络状态指示灯及定位状态指示灯，电源状态指示灯与电源管理模块输出端连接，网络状态指示灯与控制芯片u2的网络状态输出引脚连接，定位状态指示灯与定位芯片u4的定位状态输出引脚连接，用于显示设备供电状态、网络连接状态及北斗定位状态；

27、所述usb下载调试电路包括usb接口、usb数据线、esd保护器件及滤波电路，usb接口的数据引脚分别与控制芯片u2的通信引脚连接，电源引脚与电源管理模块连接，用于程序下载、设备调试及固件升级。

28、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

29、1、通过设置北斗+gps双模定位模块、流量脉冲采集模块及数据融合模块，利用统一授时时间对定位数据、流量数据、姿态数据、图像数据及设备运行状态数据进行时间同步和融合处理，实现农业作业轨迹与施药流量的精准关联，提高了农业作业轨迹、施药量、单位面积施药量及作业面积统计的准确性，有效解决了现有设备定位数据与流量数据难以对应、作业监管精度不足的问题；

30、2、通过设置流量脉冲采集模块、flash存储模块、缓存管理模块及4g通信模块，利用光电隔离、整形滤波方式提高流量脉冲采集可靠性，并在通信异常时将农业作业监管数据缓存至flash存储模块，在网络恢复后自动完成断点续传，同时结合电源管理模块实现稳定供电，提高了设备在复杂农业作业环境下的数据完整性、通信可靠性及连续作业能力，有效解决了现有设备易受振动、电磁干扰及网络中断影响而导致流量采集精度降低、数据丢失的问题。

31、本发明通过构建融合北斗+gps双模定位、流量脉冲采集、数据融合、缓存管理及4g通信于一体的农业作业监管设备，利用统一授时时间实现定位数据、流量数据、姿态数据及图像数据的同步融合，提高了农业作业轨迹、施药量、单位面积施药量及作业面积统计的准确性；同时，通过光电隔离流量采集、flash缓存存储、通信异常断点续传以及稳定供电管理，有效提升了设备在复杂农业作业环境下的抗干扰能力、数据完整性及通信可靠性，实现了农业作业全过程、高精度、可追溯的智能监管，具有较高的实用价值和推广应用前景。