基于SPCE061A和GPS的多功能农田面积测量仪

基于SPCE061A和GPS的多功能农田面积测量仪

闵俊杰1，2，介战2，贺俊林1

（1．山西农业大学，山西太谷080301；2．河南科技大学，河南洛阳471003）

摘要：为满足农户和精细农业联合收割机等市场对获取农田基本信息的技术需求，利用GPS的定位功能和部分传感器，研制了农田面积快速测量仪。其由低成本的GPS模块、单片机、键盘、LCD显示、U盘读写、通讯接口及温湿度传感器等模块组成。同时，给出了GPS定位信息的获取技术、多边形农田面积的计算方法和测量仪软硬件的设计原理等，并做出了一台测量样机。试验结果表明，该测量仪性能稳定、运算快速，面积等各参数测量误差不大，可满足农田测量精度要求。

关键词：测量仪；农田面积；GPS；SPCE061A；精细农业

中图分类号：S220．1；S127文献标识码：A文章编号：1003－188X（2012）11－0064－05

0引言

目前，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手持式接收机以及法国生产的SP24型CPS手持式接收机。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等功能，且使用操作仅有英文提示，对于中国广大农民朋友来说是一种缺陷。对于高端GPS 面积测量仪（如使用ARM芯片），虽功能较多，但价格也相当高，使用复杂。

本文总结了李娜娜［1］、裘正军［2］和杨术明［3］等人在GPS农田面积测量上的研究成果，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、键盘以及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、面积和任一点的大地坐标及任意两点间的距离等。除此还具有指南针、温湿度检测、科学计算器功能。该多用途GPS农田面积测试仪将是农民朋友、农机手和科技人员测试农田地块面积的便携式工具。

1面积测量计算原理

农田面积的测量是利用GPS接收机定位出围绕收稿日期：2011－11－14

基金项目：国家自然科学基金项目（59275239）

作者简介：闵俊杰（1987－），男，安徽六安人，硕士，（E－mail）ajie554553@163．com。

通讯作者：介战（1949－），男，河南新安人，教授，（E－mail）kd_jz@ 126．com。农田周边的一系列点，再将这些点连接成多边形，该多边形面积即近似等于该块农田面积。故测量的关键在于测量的点数和多边形面积的准确计算。计算不规则任意多边形面积的方法很多，通常采用分割不规则多边形图形，使其为若干块有规则的图形，再计算分割后各块规则图形的代数和。多边形面积在计算中要容易校对且同时易于编写成单片机可执行的程序。本文采用较为高效且易于单片机实现的三角形分割法，即先将多边形分割成若干个三角形，再计算各三角形面积，最后求其代数和，即得多边形面积。1．1平面直角坐标系的转换

地球表面被简化为椭球体表面，若要精确计算地块的面积，则要将这种曲面近似展开成平面。通常所用的高斯—克吕格投影法计算公式复杂，在单片机上难以实现，同时GPS在精准农业的应用中，所测定的长度和面积都相对较小，故完全可以用直线来代替曲线。将地球视为球体，x是沿纬线方向的坐标轴，y是沿经线方向的坐标轴，在较小范围内，认为这两条线是相互垂直，并且各条经线、纬线间相互平行。取地球半径为6371116m，则将此坐标系中任一点i的WGS－84坐标（纬度B

i

，经度L

i

。）转换成平面坐标为

X

i

=2πRL

i

cos B

i

/360

Y

i

=2πRB

i

/360（1）其中，R为地球半径；X i，Y i为其对应的近似平面坐标。

1．2由坐标值计算三角形面积的公式

设A，B线段为不规则多边形的一条边，在笛卡儿坐标系（平面直角坐标系）上，A，B分别为线段两端坐标点（多边形周边转折点坐标值），将两坐标点分

别与坐标原点O连接，建立一个三角形AOB，以下算式演变过程是以三角形3个顶点坐标值代入三角形面积公式推导出一个简单计算公式。如图1所示，设三角形AOB3条边分别为a，b，c，面积为S，则

S

任意=1/2（X

1

Y

2

－X

2

Y

1

）（2

）

图1边（线）的两端坐标点分别与坐标原点O连接

Fig．1Both ends of the line connect with the origin of the coordinates

1．3由坐标值计算多边形面积的公式

设多边形每一条边的两端点分别与坐标原点连

接，则多边形边个数即为三角形个数。图2（a）为多边

形面积分解，图2（b）为3个三角形围成的面积。任何

三角形都有一公共顶点坐标为（0，0），诸多三角形

重叠在多边形平面图形上。面积在多边形的图形里

面，公式运算得数体现为正数；面积在多边形的图形

外面，公式运算得数体现为负数，正、负数是来确定计

算多边形的面积时是増加或减去，如图2所示。计算

时各三角形面积将按代数和的方式进行累计而得到

绝对的多边形面积的准确值。其计算多边形面积公

式可由式（2）演变为

S

任意

=1/2∑n

i=1

（X

i

Y

i+1

－X

i+1

Y

i

）（3

）

（a）多边形面积分解（b）3个三角形围成的面积

图2图形面积分解

Fig．2Graphics area of decomposition

以上是平面多边形面积计算公式的推导过程，该

多边形面积的计算方法易于在单片机编程上实现。

虽然可以利用该公式进行农田面积的计算，但此方法

仅对于面积较小的地块计算较为准确，误差较小。考

虑到地球本身是球形，对于计算面积较大的地块，这

种计算方法误差很大。球面多边形的面积计算公式

可以借鉴球面几何当中的球面多边形面积计算公式，

设球面n边形（n≥2），则其面积为

S

n

=∑n

i=1

αi－（n－2）p（4）

其中，αi为球面n边形的第i个内角。

2硬件总体设计

GPS坐标解算和计算机图形学（包括界面设计和

图形变换等）对处理器的运算速度以及RAM的大小

有较高的要求；各传感器的通讯、键盘扫描等对处理

器的端口占用资源多；经市场调查一片并口扩展芯片

8255A与一片89C52价位相当，故本系统采用16位

的SPCE061A单片机与8位STC89C52单片机相结

合，其中89C52单片机充当接口芯片，通过并口传递

数据。其优点如下：①51单片机的位操作相当灵活，

接入I2C通信的温湿度传感器和5?5键盘比较方便，

程序易实现；②扩展较多I/O口，独立编程扫描键盘，

减少主处理器CPU开销；③与160?128显示屏响应

频率匹配兼容，解决主处理器与此液晶屏响应频率不

匹配、程序中需要延时等待的问题；④主处理器无需

管理与外围接口芯片（温湿度传感器、键盘、GPS等）

通信问题，例如主处理器不需要等待温湿度传感器通

信所需要的大约50ms的时间，因此大大提高系统的

处理速度；⑤主处理程序与外设驱动程序独立，方便

程序框架的构建。其硬件架构如图3所示

。

图3测量仪结构框图

Fig．3Block diagram of instrument

为方便总体程序的管理，89C52仅做固定功能的

接口芯片，除8根数据线外，还用3根控制线，分别为：

读、写和向主处理器SPCE061A单片机中断请求信号

线。中断信号线用以在规定周期内向SPCE061A送去

传感器数据、GPS数据或及时反馈扫描到的键值。

2．1控制处理器

SPCE061A是继μ’nSP TM系列产品SPCE500A等

之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。其内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使μ’nSP TM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。其性能如下：①16位μ’nSP TM微处理器，CPU时钟为0．32 49．152MHz，内置2kWords的SRAM，能充分满足多边形面积计算所占用的资源以及对计算速度的要求；②工作电压：VDD为2．6 3．6V（CPU），VDDH为VDD 5．5V（I/O），为3．3V或5V的I/O端口芯片提供了较为容易的接口电路设计；③内置32kWords的FLASH，为系统程序储存提供了大容量；

④具备串行设备接口、看门狗WatchDog和保密功能。SPCE061A主要完成对整个系统的流程进行控制和算法数据处理。至于硬件用到的STC89C52，其为常用芯片，在这里不再详述。

2．2GPS接收机模块

GARMIN公司GPS25LP系列是为OEM（原始设备制造商）系统开发应用而设计的一款通用GPS接收电路板。GPS25LP接收机会同时追踪多达12颗卫星，数据更新为1次/s，而且功耗很低。GPS25LP接收板的设计采用最新的表面贴装技术以及高层次电路集成技术，在达到卓越性能的同时尽量减小体积和功耗，该系统可通过两个CMOS/TTL或两个RS－232兼容的双向通信渠道与GPS接收板进行数据交换，高度准确每秒一个脉冲（PPS）的脉冲输出用来实现精确定时测量。定位时间为：热启动15s（所有数据已知）；冷启动45s（初始位置、时间和历书已知，星历未知）。默认输出：NMEA－0183版本3．0的ASCII 码。本仪器采用的是NMEA单线输入单片机串口，电平转换芯片采用MAX232。程序中仅读取$GPGGA 语句格式中的信息，其包含：UTC时间、纬度、经度、GPS状态、正在使用解算的卫星个数、HDOP水平精度因子和海拔高度等。

2．3数据存储模块

SPR4096是一个高性能的4Mb（512K?8位）总线闪存器，具有SIO串行接口功能。512kB（Byte）的储存区域分为256个扇区，每个扇区为2kB。SPR4096还内置了一个4k?8位的SRAM。在进行闪存器的编程/擦除时，可以并发执行SRAM的读/写。SPR4096的内部包含：总线储存器接口、串行接口、4k ?8位的SRAM、编程和擦除控制器和一个4M位的FLASH。利用SPR4096内置的总线储存器接口，单片机可以通过8位并行模式读/写储存器。除此以外，SPR4096可使用串行接口，此时单片机通过1位的串行模式访问FLASH/SRAM储存器。本系统设计时，考虑到外设较多，I/O资源有限，采用SIO串行模式访问SPR4096的FLASH/SRAM储存器。SCK作为时钟信号线与IOB0连接，SDA作为1位的数据线与IOB1连接。

SPR4096在本系统中不仅储存大量的字库和图片，还为系统测得的地块面积信息记录在其内存中，如第多少次测量的时间、GPS点数和坐标和当前温湿度等。这些数据既方便用户查找上几次测量的数据，又可通过USB通讯上传到PC机上做更精确的分析。2．4人机交互模块

该装置采用160?128黄背光液晶屏和25键按键板实现人机交互。液晶屏是由液晶显示控制器T6963C及其周边电路、行驱动器组、列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成，具有独特的硬件初始值设置功能。液晶屏背光电源通过三极管控制，达到节约电能的效果。

按键面板上实际需求23个按键（含数字键等），考虑到系统I/O资源紧张，按键采用5?5矩阵键盘，共25个键，多出2个辅助功能键。为提高系统运行速度，降低主处理器对按键扫描时间的开销，本键盘电路接入与门芯片74LS21，采用中断功能扩展单片机（外部中断源1输入），通过其扫描键盘，获得的键值再通过并口发送给主处理器，更新主处理器键值。2．5通信模块

系统除可使用串口通信与PC机进行数据传输外，增加了U盘读写模块。CH375是一种USB总线的通用接口芯片，可方便地挂接到单片机的控制总线上。同时，CH375的USB主机方式支持常用的USB 全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。单片机可以直接调用子程序库读写U盘中的文件数据。由于CH375内置了处理Mass－Storage海量存储设备的专用通信协议的固件，所以嵌入式系统的单片机可以通过CH375将U 盘作为可移动的大容量存储器。数据读写只需要几条指令，而不需要详细了解USB通信协议。如果嵌入式系统需要将USB存储设备组织为文件系统，可调用CH375文件级子程序库提供的接口API，由子程序库处理文件系统。

2．6温湿度传感器模块

为了更方便用户获取农业生产信息，本测量仪将温湿度传感器集成在内。其有利于精准农业联合收割机测试收获作业性能参数（如喂入量、损失率、含杂率等）时参考温湿度的影响。DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC

测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。该产品具有品质卓越、

超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。基于89C52单片机的I /O 易于位操作，编程方便，本系统采用89C52的P2．0口与DHT21数字温湿度传感器单线连接，并在单线上再接一个4．7k Ω的上拉电阻，以达使信号传输稳定。2．7

系统电源模块

本系统中需要+5V 和+3．3V 的电压，系统采用了+7．5V 大容量锂电池供电。开启电源开关后，电源经7805稳压模块后输出+5V 的电压，用以满足5V 电平输入的芯片的供电需求。再经贴片ams1117稳压模块输出+3．3V 电压，供处理器使用。二极管D7是防止在电路板调试实验时电源接反而烧毁芯片，D3和D4二极管作用是防止电路电源供电过程中有尖端脉冲，

使芯片过激损坏。电源显示灯焊接在键盘电路板上，主板各功能模块电源供给均独立，并且各芯片电源引脚周边增加稳压滤波电容。

3系统软件功能

该系统程序设计上可分为3个层次，分别为：主界

面层次、功能模块层次、子功能层次。6大主要功能做成6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

。

图4系统程序架构

Fig．4

Block diagram of software

为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，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。若选择手动录入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。

系统主界面是开机后首先出现的操作界面，主要功能对6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。其中图5（a ）为系统功能显示界面，图5（b ）为浏览到测面积选项时的界面，通过按下确定键进入测面积界面

。

（a ）

系统功能显示界面

（b ）侧面积界面

图5

操作界面

Fig．5

The interface of operation

4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，内部自含标定，无需验证其精度

。

（a ）主板

（b ）样机

图6

样机实图

Fig．6

The picture of the measuring model machine

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3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50%，然后再测量整个操场矩形面积。以上试验共做6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。数据分析如表1所示。

由表1可知，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

Tab．1Statistics of experimental data

被测对象面积

/m2

测量

次数

平均值

/m2

平均

相对误差

/%

均方差

/m2

相对

均方差

/%

三角形操场8840．368778．30．70260．32．9

矩形操场17680．6617570．40．62317．71．7

5结论

该测量仪能够进行农田位置的定位、地块长度以及面积的测量和田块形状的显示，同时还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的需要，还实现了精准农业联合收割机对收获地块面积测试的基本要求。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。

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A Portable Instrument for Measuring Field Area Based on

GPS Module and SPCE061A Micro－controller

Min Junjie1，2，Jie Zhan2，He Junlin1

（1．Shanxi Agricultural University，Taigu080301，China；2．Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

Abstract：In order to meet the requirements of the market，including the farmer and the combined harvester，to obtain the basic information through the GPS positioning function and some sensors，this study has developed a new instrument to measure field area．The instrument mainly consists of a low－cost GPS module，a micro－controller，a keyboard，a LCD display，a U disk module，interface modules and humidity sensors．It has provided the technology of GPS positioning function，the calculation method of measuring the polygon farmland，the design principle of hardware and software of the instrument are also introduced．Finally the measuring model machine has been made．The results of the tests indicate that the instrument is stable，operation rapidly and has small measurement errors，which could better to satisfy the accuracy requirements of the agriculture combined harvesters．

Key words：admeasuring apparatus；field area；GPS；SPCE061A；precision agriculture