基于GPS的多功能农田面积测量仪的结构和性能

目前，在国内外市场上已有不同型号的便携式 GPS手持机销售，如 Magellan -315 型手持式GPS 接收机、Gamin 手持式接收机及法国生产的 SP24 型 CPS 手持式接收机，但该类“GPS 手持机”在测量农田地块面积时均较麻烦，只用数字显示测量面积值，并无地块形状图形显示功能，且使用操作仅有英文提示，显得很不方便，这对于中国广大农民 朋友来说是一种缺陷。而对于现在的高端ＧＰＳ农田面积测量仪（如使用ＡＲＭ芯片），虽功能较多，但价格也相当高，且使用复杂。

本课题总结了裘正军和杨术明等人在GPS 农田面积测量上的研究成果，拟利用GPS 的定位功能，采用低成本的 GPS 模块、SPCE061A 单片机数据采集模块、键盘及LCD 液晶显示等部件，研制多功能农田面积测量仪，实现对任意形状农田地块面积的快速GPS 测量，并实时显示所测地块的位置、图形、面积，任一点的大地坐标，任意两点间的距离等。除此还具有指南针、温湿度检测、科学计算器等功能。该多用途 GPS 农田面积测试仪将是农民朋友、农机机手和科技人员测试农田地块面积的便携式工具。

系统软件功能

该系统程序设计上可分为三个层次，分别为：主界面层次、功能模块层次、子功能层次。六大主要功能做成六大程序模块供主程序调用，在模块程序内部集成了各 自的子功能，如图4 所示。为了方便整体程序的编写，作为接口芯片的 89C52 程序设计完全遵循一个接口芯片通信协议编写，温度传感器读取、键盘扫描和 GPS 数据读取及提取集成于 89C52 内。其通过中断请求将数据上传到 SPCE061A 单片机，因此可以防止程序流程不至于混乱。对于测量多边形的每一个点时，如果选择的是自动录入GPS坐标，测量仪会在这个点上接收6次该点GPS坐标然后 取其平均值，对于误差较大的点系统自动删除该点。故测量每个点时，需等待测量仪提示接收坐标完成后才能移动到下一个点测量。如果是选择手动录入GPS 坐标，系统界面上会显示每一个点接收到的每一个坐标值，以等待使用者的判定该值是否有效，并且在这种模式下可以录入已知的坐标点或删除某个坐标点进行计 算。

图4 系统程序架构

系统主界面是开机后首先出现的操作界面，主要功能对六大功能模块的选择调用，属于主界面层次。当进入到主操作界面以后，利用键盘选择要使用的功能模块， 主机操作界面的操作效果如图 5 所示。a）图为系统功能显示界面，b）图为浏览到测面积选项时的界面，可以通过按下确定键进入测面积界面。

图5 操作界面

测量仪性能测试

多功能农田面积测量仪的样机及其主板如图6 所示。为了验证面积测试装置的精确性，进行面积实地测量，得出系统的误差。温湿度传感器为数字式传感器，内部含有标定，无需验证其精度。

图6 样机实图

试验地点取为河南科技大学校本部南院足球场。使用面积测量仪操场进行实地测量，利用皮尺测量操场的实际面积，操场的长度数值为 189.3m，宽度为93.4m。

将两者进行对比得出面积测试装置的误差。沿着操场的铁栅栏围成的矩形，首先抛弃东南方向的点，采集操场矩形三个顶点进行面积测量，该地块为直角三角形， 三角形面积为原操场面积的一半，然后再测量整个操场矩形面积。以上试验共做六次，试验采用取平均值的办法降低试验误差，验证测量仪性能。数据分析见表 1。

有表1 知这两块面积测量误差均小于 1%，而且随着测量面积的增大，误差会进一步缩小。

表1 面积测量数据统计

该测量仪能够进行农田位置的定位，地块长度及面积的测量，田块形状的显示，同时具有获得该地的温湿度参数及数学计算器等功能。这不仅满足了市场、农户对农田面积的基本测量，还满足了精准农业联合收割机对收获地块面积测试的基本要求，该测量仪性能稳定，运算快速，面积等各参数测量误差不大，满足一般农田测 量精度要求。同时，该仪器的设计成功也验证了两个单片机结合使用方案的正确性和合理性。测量仪使用方便、快捷、易用和全天候，定会受到用户和市场的欢迎， 也为进一步实现精准农业联合收割机作业性能的智能集成监控打下基础，走一条适合我国国情的精准农业之路。