播种监视器终端UI及控制软件设计

    单爱军　刘春旭　许剑平

    

    

    

    摘要：用户界面（User Interface，简称 UI，亦称使用者界面）是系统和用户之间进行信息交换的媒介。在实际作业过程中，与播种监视器配套使用的终端由于其使用环境和用户群体的特殊性，对其UI设计提出了更高的要求。为此，以沃尔农装科技有限公司生产的2BJQ系列高速精量播种机配套的BJQ-18播种监视器为例，对其终端UI设计进行了具体说明，同时对相应控制软件的设计做了简要介绍。

    关键词：播种监视终端;UI;播种机;控制软件

    精量播种机尤其是大型气吸式高速精量播种机，由于具有作业质量好、作业效率高、性能可靠等诸多优点，受到用户的普遍欢迎。但由于其作业幅宽大，作业行数多，为了及时发现因机械传动故障或其它原因导致的“缺种”现象，必须配备播种监视器进行辅助作业。

    播种机在田间作业时经常受到日光直射、震动颠簸、发动机噪声等诸多不利因素的影响，因此播种监视器终端在进行UI设计时要采取相应的措施解决上述问题。同时，由于拖拉机驾驶员的技术水平普遍不高，使得UI设计的复杂程度也会受到一定的限制。本文结合农业生产实际，对播种监视器终端UI的设计进行了详细说明，并对终端控制软件的逻辑框架及主要的功能模块进行简要介绍。

    1终端UI设计

    1.1VGUS组态屏

    终端使用的液晶屏选用了武汉中显科技有限公司生产的VGUS（Viewtech Graphical User Software）组态屏，它采用变量驱动的数据传输方式，所有显示的字符、图标等都定义为一个变量，并分配变量存储地址、定义显示格式，然后生成配置文件并下载保存到串口屏里。在需要刷新显示时，用户仅需将变量内容和变量存储地址通过串口对应发送给串口屏，串口屏会自动按照定义好的显示格式显示。终端液晶屏选用的型号为 SDWe070T09T/C/N，该型号为高亮度型产品，可适用于野外工作环境，其主要性能参数如表所示。

    1.2开发工具

    配套的开发软件为该公司提供的VGUS4.3开发工具。VGUS开发工具是武汉中显科技有限公司设计的一款组态型、用户图形界面设计软件，用户只需要通过“准备工程素材”“设计工程界面”以及“下载配置文件”三个步骤，就可以完成复杂的人机交互设计，摆脱了传统终端UI设计繁琐复杂的过程。

    表终端液晶屏主要性能参数

    参数数据尺寸/in7分辨率800×480显示色彩64K真彩色背光类型LED寿命/h20000亮度/cd·m-21000（软件可调）可视角度L：70°R：70°U：50°D：70°工作温度/℃-20～70存储温度/℃-30～802终端UI设计需要解决的问题

    2.1阳光直射对于可视性的影响

    试验证明，尽管选用的液晶屏亮度高达1000 cd/m2，但是在阳光直射的情况下依然无法有效地辨识较为细小的文字内容。为解决这一问题，采用了如下几种技术手段：

    （1）尽量采用较大尺寸的图形变量的显示方式，避免使用小点阵的字符显示方式，可以有效地提高辨识度和操作便捷性。

    （2）采用以黑色或深蓝色为底色，白色或明黄色等为图标颜色，形成强烈的反差对比，使显示内容清晰可辨、易读易懂。

    （3）采用人工语音合成技术，在必要的时候进行作业参数或工况的语音自动播报，增加信息获取方式，减少对液晶屏参数读取的依赖。

    （4）采用遮光罩，结合万向调节支架，通过人工调节的方式，改变显示终端的朝向，避免阳光直射的干扰。

    （5）采用光线传感器结合软件自动亮度调节功能，对于显示亮度进行智能控制，既能适应白天阳光充足的应用场合，也能满足夜间作业的低照度要求。

    2.2震动颠簸对于操作的影响

    田间作业时，由于地况地貌的不同变化及地表杂物的影响，经常出现持续性、幅度较大的颠簸现象，从而对机手的按键操作产生不利影响。为此，设计时采取了以下几种措施：

    （1）采用电阻式触摸屏。相对于电容式触摸屏而言，电阻式触摸屏是通过压力传感的方式工作的，具有更高的防止误触性能，更加适用于颠簸作业环境。同时，支持戴手套操作，为机手提供了更大的便利性。

    （2）在终端UI设计时，尽量采用大尺寸的触摸按键区域设计，上下或左右相邻的功能按键应留有足够尺寸的安全区域，可以最大限度地防止“误触”现象的发生。

    （3）增加CCD摄像头及定向麦克风等外设，通过手势识别及语音识别等多维交互方式，在作业时尽量避免直接按压的输入方式，提高操作的便捷性和易用性。

    2.3机手技术水平普遍较低的影响

    目前，农村劳动力大量外流的现象非常普遍，受此影响，在农忙季节机手属于炙手可热的稀缺资源，用户没有过多的选择余地。但是，农村人口受教育程度相对较低，因此在终端UI设计时要考虑以下几个问题：

    （1）UI的复杂程度不能过高，将常用的功能集中在主界面中，不常用的辅助功能或参数设置功能集成在设置子界面中。设置子界面如图1所示。

    （2）增加“一键恢复”功能。当用户由于错误设置或其它原因导致设置参数混乱时，可以很方便地恢复出厂设置，避免错误的参数设置对播种监视器的正常工作造成不利影响。

    （3）充实“帮助信息”的内容，除了文字、图例等常规的说明方式以外，辅之以图片、视频、音频等多媒体资料，帮助用户尽快掌握操作要领。帮助信息画面如图2所示。

    （4）在UI界面的右下角显示产品技术支持人员的微信二维码，机手可以通过扫码的方式与相关人员取得联系，再通过电话或视频聊天的方式解决所遇到的问题。

    3控制软件

    终端的硬件核心选用深圳宏晶公司的STC单片机，型号为STC12C5A60S2，因此其控制軟件的编写采用MCS-51汇编语言，编译环境为“伟福6000”软件模拟器，通过官方提供的STC-ISP V4.83编程软件进行烧录编程操作，软件调试采用RS-232串口辅助的方式。由于程序代码量较大，故采用分段调试的方式，即约定好子程序的入口参数和出口参数，先将子程序单独调试完成，再逐步增加主程序内容和子程序调用，每一步都要进行串口模拟验证，最终完成整个程序的调试。下面将控制程序的逻辑框架以及主要的功能模块进行简要介绍。

    3.1控制程序的逻辑框架

    控制软件需要同时处理多达18行种管的落种数据，为了提高检测的实时性，采用了引入T0定时中断的方式，即每1/4096 s定时中断1次。在中断服务程序中，主要处理一些对实时性要求较高的进程，如液晶屏串口数据通信、种管落种数据采集、行进速度数据采集、系统计时、循环显示及隐藏菜单进入识别等。此外，供主程序调用的子程序主要列举如下：

    （1） 液晶屏初始化子程序;

    （2） 液晶屏数据通信处理子程序;

    （3） 参数设定值读写子程序;

    （4） 按键识别子程序;

    （5） 显示亮度调节子程序;

    （6） 模拟量采样子程序;

    （7） 种管播种状态判断子程序;

    （8） 作业计时子程序;

    （9） 作业参数统计子程序;

    （10） 掉电数据保护处理子程序。

    3.2液晶屏数据通信处理

    VGUS屏遵从寄存器读写指令（0X80、0X81）、变量存储器读写指令（0X82、0X83）及扩展指令（0X85），通过发送约定格式的串口指令完成对VGUS屏的读写操作。相对于数据发送而言，数据接收由于其不可预期性，故对实时响应的要求较高。因此，将数据接收功能并入中断程序之中，以提高响应速度，避免出现漏收数据的现象。但是由于定时中断频次高达4096次/s，因此中断服务程序的处理时间非常有限，在这里只处理与VGUS屏的数据通讯接收相关的操作，而将耗时较长的数据处理部份放到主程序之中，相互之间通过设立特定标志来完成操作功能识别。

    3.3种管播种状态判断

    由于种植作物的种类不同以及农艺要求的地域差异，同一台机器可能要适应不同的作业行数、株距及播速要求。如何快速而准确地完成对种管工作状态的判断是一个需要解决的关键问题。如果要求用户根据不同的情况进行相应的判定参数设置，不仅繁琐还容易出错，必定无法得到用户的认可。为此，引入了“平均值判断法”解决了这个问题。其基本原理是在实际作业过程中，出现故障属于偶发现象，发生故障的排种单元毕竟是少数，其它大多数排种单元还是处于正常工作状态的，因此以所有排种单元作业参数的平均值为基准，当某一排种单元的作业参数与之偏差超过一定阈值时，即可判定该排种单元处于故障状态。采用这一方法极大地提高了设备的适用性及使用的便捷性，在实际应用中取得了非常好的效果。

    3.4掉电数据保护处理

    在实际作业中，用户要针对不同的地况及作物的农艺要求，对作业参数进行相应的基本設定。为避免重复输入，就需要具备参数掉电保护功能，同时，有一些重要的统计数据（如行进距离、已播面积、已播粒数等）也需要具备掉电保护功能。为了实现掉电数据保护的快速响应，确保数据安全，在设计上引用了STC12C5A60S2单片机内置的低电压检测中断功能，在硬件上将电瓶电压连接至单片机的P1.1管脚。当电瓶电压降至98 V以下时，立刻进入低电压检测中断服务程序，主要进行以下几项操作：

    （1）延时1 ms，再次读取低电压检测状态，防止电压抖动引起误判。

    （2）确认属于异常掉电后，关闭液晶屏的供电电源，节约更多的电量，延长数据保护的操作时间。

    （3）进行重要数据写入操作。

    （4）检测当前电压是否恢复正常，如果恢复正常，则打开液晶屏电源，重新启动系统;如果供电仍未恢复正常，则继续上述过程，直到残存电力耗尽为止。

    4结论

    播种监视器在与机具配套使用的作业过程中，由于作业地域的多变性、作业环境的复杂性及操作人员技术水平的局限性，在终端UI设计时要对上述不利因素加以充分考虑，采取切实有效的技术措施加以解决。

    BJQ-18播种监视器通过数年来的不断改进和完善，经过长时间的实践作业考核和用户评价，目前已经达到批量生产的技术水准，能够取得这样的阶段性成果，与上述问题的解决是密不可分的。如果将相关技术路线稍加变通，就可以应用到播种机排肥检测、蔬菜移栽机作业性能检测等更多场合。

    参考文献：

    [1]孟鹏祥.基于单片机与DGUS显示的精密播种机监测系统研究[J].农机化研究，2017（2）：171-175.

    [2]刘春旭.红外反射式播种机电子监测装置的设计[J].农机化研究，2010（6）：117-120.

    [3]刘春旭.气力除尘式播种机电子监测装置的设计[J]. 农业科技与装备，2011（6）：67-69.

    [4]刘春旭.智能播种监视系统的研制及产品化设计[J]. 农机化研究，2012（8）：69-72.