一种开沟机作业质量监测系统及方法技术领域
本发明实施例涉及农业机械装置技术领域，具体涉及一种开沟机作业质量监测系
统及方法。
背景技术
现在是机器时代，农耕过程大多都已经机器化，而农机具的作业质量直接影响农
耕效率以及农作物的生长。在开沟机的耕作过程中，开沟深度是评判其田间作业质量的重
要指标，此外可靠的开沟深度在农业生产中起到重要的作用。
现有技术中，开沟深度的测量方法是沿耕作区域对角线选取若干个测试点，去掉
测试点浮土，用耕深尺或直尺插至沟底，量取深度值，再将所有测试点测得数据取平均，获
得开沟机的开沟深度。这种方法费时费力，测量结果一致性及重复性差，且无法满足作业时
开沟机实时获取开沟深度作业数据的要求。现有技术中还有通过以下方式测量开沟深度
的：利用仿行滑掌或仿行仪测量开沟深度，但需要另加机械装置，不便于自动化的实现；通
过位移传感器或倾角传感器测量开沟深度，但安装比较复杂，且计算复杂计算量大。此外开
沟机的作业质量还受其他因素的影响，例如工作轨迹、作业状态等。
因此，如何能够提出一种结构简单，操作方便的对开沟机作业质量进行检测的系
统和方法，并对深度进行监测和快速测量计算，提升开沟机作业质量成为亟待解决的技术
问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种开沟机作业质量监测系统及方
法。
一方面，本发明实施例提供一种开沟机作业质量监测系统，包括：数据采集模块、
数据处理模块、数据传输模块和数据监测模块；
所述数据采集模块包括第一传感器、第二传感器和定位模块，所述第一传感器安
装在所述开沟机所在的车体上并与地面平行，用于采集第一倾角，所述第二传感器安装在
所述开沟机的机臂上并与所述机臂平行，用于采集第二倾角，所述定位模块设置在所述开
沟机所在的车体上，用于采集所述开沟机所在车体的位置信息，所述数据采集模块与所述
数据处理模块连接，用于将采集到的数据发送给所述数据处理模块；其中，所述第一倾角是
所述开沟机所在的车体与地面的夹角，所述第二倾角是所述机臂与水平面的夹角；
所述数据处理模块包括：数据处理子模块、开沟深度设置模块、警示模块和信号转
换模块，所述数据处理子模块用于将所述数据采集模块发送的采集数据进行处理，根据所
述第一倾角和所述第二倾角计算出第三倾角，并判断所述第三倾角是否超过所述开沟深度
设置模块设置的开沟深度预设范围，若判断获知所述第三倾角超过预设范围，则警示模块
进行警示，所述数据处理子模块还用于将处理后的数据与所述定位模块采集到的定位信息
进行整合；所述数据传输模块与所述数据处理模块、所述数据监测模块连接，用于将所述数
据处理模块处理整合后的数据发送给所述数据监测模块；
所述数据监测模块接收所述数据传输模块发送的数据，将接收到的数据进行处
理、存储和并在网页上进行显示。
另一方面，本发明实施例提供一种开沟机作业质量监测方法，包括：
采集数据，通过数据采集模块采集数据，其中，第一传感器采集所述开沟机所在车
体的第一倾角，第二传感器采集所述开沟机机臂的第二倾角，定位模块采集所述开沟机所
在车体的位置信息，将采集到的所述第一倾角、所述第二倾角和所述位置信息发送至数据
处理模块；
数据处理，数据处理子模块对接收到的所述第一倾角和所述第二倾角作差并取绝
对值，计算出第三倾角，判断所述第三倾角是否超过开沟深度设置模块设置的开沟深度预
设范围，若判断获知所述第三倾角超过预设范围，则警示模块进行警示；
数据整合，数据处理子模块将接收到的数据进行处理，并将处理过的数据进行整
合，由信号转换模块进行信号转换后通过数据传输模块发送至数据监测模块；
数据监测，数据监测模块接收所述数据传输模块发送的数据，并将数据进行处理
和存储，并在网页上进行显示。
本发明实施例提供的开沟机作业质量监测系统及方法，可以安装在任意机型任意
型号的开沟机上，进行开沟深度在线监测与判断，通过位于开沟机和开沟机所在车体上的
两个传感器实时检测开沟机的姿态，结合开沟机的相关尺寸换算出开沟深度，实时监测开
沟机的作业质量，并且可以设置开沟深度上下限，开沟深度超出范围则亮灯示警，示警功能
可以帮助操作人员控制开沟深度在一定范围内，提升了开沟机作业质量。数据监测模块通
过对远程上传的数据进行处理，获得开沟机的开沟深度、作业轨迹和作业时间信息，并将数
据进行存储、显示和网络发布，实现开沟机作业信息的网络共享。不需要其他辅助机械结构
即可实时监测开沟机的开沟深度，结构简单，操作方便，并可通过网络将开沟机作业信息进
行网络远程发布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根
据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中开沟机作业质量监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中又一开沟机作业质量监测系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中监测系统中的数据处理模块的面板结构示意图；
图4为本发明实施例中数据传输模块的面板结构示意图；
图5为本发明实施例中开沟机作业质量监测系统的整体结构框架图；
图6为本发明实施例中开沟机作业质量监测方法的流程图；
图7为本发明实施例中开沟深度计算方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明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
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中开沟机作业质量监测系统的结构示意图，如图1所示，本发
明提供的开沟机作业质量监测系统包括：数据采集模块01、数据处理模块02、数据传输模块
03和数据监测模块04；
数据采集模块01包括第一传感器、第二传感器和定位模块，所述第一传感器安装
在所述开沟机所在的车体上并与水平面平行，用于采集第一倾角，所述第二传感器安装在
所述开沟机的机臂上并与所述机臂平行，用于采集第二倾角，所述定位模块设置在所述开
沟机所在的车体上，用于采集所述开沟机所在车体的位置信息，数据采集模块01与数据处
理模块02连接，用于将采集到的数据发送给数据处理模块02；其中，所述第一倾角是所述开
沟机所在的车体与水平面的夹角，所述第二倾角是所述机臂与水平面的夹角；
数据处理模块02包括：数据处理子模块、开沟深度设置模块、警示模块和信号转换
模块，数据处理子模块用于将数据采集模块01发送的采集数据进行处理，根据所述第一倾
角和所述第二倾角计算出第三倾角，并判断所述第三倾角是否超过所述开沟深度设置模块
设置的开沟深度预设范围，若判断获知所述第三倾角超过预设范围，则警示模块进行警示，
所述数据处理子模块还用于将处理后的数据与所述定位模块采集到的定位信息进行整合；
数据传输模块03与数据处理模块02、数据监测模块04连接，用于将数据处理模块
02处理整合后的数据发送给数据监测模块04；
数据监测模块04接收数据传输模块03发送的数据，将接收到的数据进行处理、存
储和并在网页上进行显示。
具体地，本发明实施例提供的开沟机作业质量监测系统由数据采集模块01采集开
沟机的数据信息，数据采集模块01包括第一传感器、第二传感器和定位模块，第一传感器安
装在开沟机所在的车体上并与地面平行，一般开沟机与拖拉机连接进行作业，第一传感器
就是安装在开沟机所在的拖拉机的车体上，并与拖拉机的车体所在地面平行，第二传感器
安装在开沟机的机臂上并与机臂平行，定位模块安装在拖拉机的集体上，用于采集拖拉机
的位置信息。第一传感器采集拖拉机与水平面的夹角即第一倾角，第二传感器采集开沟机
的机臂与水平面的夹角即第二倾角。本发明实施例采用的是惯性传感器，惯性传感器是检
测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器，本发明实施例中的惯性
传感器单独封装，其盒体上只有一个接口，为五芯航插。本发明实施例中采用MPU6050作为
惯性传感器，MPU6050是整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与
加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。本发明实施例使用MPU6050的5个引脚
VCC、GND、SCL、SDA、AD0。其中，VCC和GND分别为MPU6050的电源和接地；SCL和SDA分别为时钟
线和数据线，用于和数据处理模块02进行通讯；由于有两个传感器，AD0为传感器选择信号，
第一传感器的AD0接高电平，第二传感器接低电平或悬空，数据处理模块02以此区分两个传
感器。需要说明的是，还可以根据实际使用情况采用其他传感器，本发明实施例不做具体限
定。
图2为本发明实施例中又一开沟机作业质量监测系统的结构示意图，如图2所示，
本发明实施例提供的的监测系统中的数据处理模块02包括：数据处理子模块21、开沟深度
设置模块22、警示模块23和信号转换模块24。数据处理子模块21通过信号输入接口接收数
据采集模块01采集的数据，进行数据的处理和分析，计算出数据采集模块01采集到的第一
倾角和第二倾角的差值的绝对值作为第三倾角。本发明实施例采用的数据处理子模块21是
单片机，优选的是MC9S12XS128单片机，具体还可以根据实际情况选择合适的数据处理子模
块，本发明实施例不作具体限定。开沟深度设置模块22用来设置开沟深度上下限，也就是开
沟深度的预设范围，当数据处理子模块21判断计算出的第三倾角超过开沟深度设置模块22
设置的预设范围后，数据处理子模块21控制警示模块23进行预警，提示操作人员调节开沟
机的机臂，从而控制开沟深度在设置的预设范围内。通过判断第三倾角是否超过预设范围
来实时快速的判断当前时间开沟机的开沟深度是否在预设范围内，进一步对开沟机的作业
质量进行监控。其中警示模块23具体可以是示警灯或警铃，也可以是其他用于警示操作人
员的装置，本发明实施例不作具体限定。此外，数据处理子模块21还将定位模块采集到的挖
沟机所在车体的位置信息以及数据采集模块01采集的其他数据也进行处理，如开沟机机臂
旋转的角度、开沟机的作业时间等，再将包括第三倾角的所有处理后的数据进行整合发送，
通过信号转换模块24将信号进行转换，本发明实施例采用的信号转换模块24是MAX232芯
片，MAX232芯片是一种专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，MAX232芯片将TTL
信号变为RS232信号，并通过数据传输模块03将数据处理子模块21处理整合后的数据传至
数据监测模块04。数据监测模块04接收到由数据传输模块03发送的数据后，对数据进行进
一步处理、存储和显示，将处理后的数据存储和显示在网页上，以便用户能够远程监测开沟
机的作业质量，还可以对开沟机作业情况的历史信息进行查询。
图3为本发明实施例中监测系统中的数据处理模块的面板结构示意图，如图3所
示，数据处理结构的上面板中包括：开关31、示警灯32和设置开沟深度上下限按钮33，数据
处理结构的左面板中包括：第一传感器接口34、第二传感器接口35、数据传输模块接口36和
充电接口37。图3只是数据处理模块的面板结构示意图，并不代表面板上的各个单元的实际
位置。
本发明实施例提供的开沟机作业质量监测系统，可以安装在任意机型任意型号的
开沟机上，进行开沟深度在线监测与判断，通过数据采集模块采集开沟机的相关数据，由数
据处理模块进行处理，实时快速的判断开沟机的开沟深度是否在预设范围内，并进行实时
的警示，以便操作人员根据警示进行调整，还通过数据传输模块将数据处理模块处理后的
数据发送至数据监测模块，由数据监测模块将接收到的数据进行处理、存储和显示，以便用
户能够远程监测开沟机的作业质量，还可以对开沟机作业情况的历史信息进行查询，提升
了开沟机的作业质量。
在上述实施例的基础上，所述数据传输模块包括数据传输芯片、天线和电池。
具体地，数据传输模块03与数据采集模块01、数据处理模块02分开，是一个独立模
块，减小了数据采集模块01、数据处理模块02的体积。数据传输模块03包括数据传输芯片、
天线、12V充电电池以及一块电源转接板组成。
在上述实施例的基础上，所述数据传输芯片为无线传输芯片，相应地所述数据传
输模块通过无线方式进行数据传输。
具体地，数据传输模块03中的数据传输芯片采用无线传输芯片，通过无线传输方
式进行数据传输。图4为本发明实施例中数据传输模块的面板结构示意图，如图4所示，本发
明实施例提供的数据传输模块03的面板分为左右两个部分，其中左面板上包括SIM卡槽41、
网络信号强度指示灯42、电源指示灯43、网络信号指示灯44、卡槽开关45和RS232接口46；右
面板上包括：数据传输天线接口47和充电接口48。可以看出本发明实施例中无线传输模块
采用的是无线网络进行数据通信，方便将数据传输到远程的数据监测模块。需要说明的是，
图4只是数据传输模块的面板结构示意图，并不代表面板上的各个单元的实际位置。
在上述实施例的基础上，所述数据监测模还用于通过所述数据传输模块向所述数
据处理模块发送命令，以控制所述数据处理模块上传数据的时间间隔。
具体地，数据处理模块02将数据采集模块01采集到的数据进行处理后，将处理后
的数据进行整合通过数据传输模块03发送至数据监测模块04，数据监测模块04可以通过数
据传输模块03向数据处理模块02发送命令，来控制数据处理模块02进行上传数据的时间间
隔，或者发送立即上传数据的命令，以使数据处理模块02立即上传数据。此外，数据处理模
块02接收数据采集模块01的时间间隔也可以由数据监测模块04下发命令来控制，数据监测
模块04还可以通过人为操作来对数据处理模块02下发命令，以便用户根据自己的需要下发
命令，满足用户需求，提升用户体验。
在上述实施例的基础上，所述第一传感器还用于采集所述开沟机所在车体的加速
度。
具体地，安装在开沟机所在车辆的车体上并与水平面平行的第一传感器还用于采
集开沟机所在车体的加速度，以计算开沟机所在车辆的运行速度。需要说明的是，第一传感
器和第二传感器还可以采集其他数据信息，例如开沟机机臂转动的角速度等，本发明实施
例不作具体限定。
在上述实施例的基础上，所述定位模块包括GPS定位模块。
具体地，数据采集模块01中的定位模块，本发明是实施例采用的是GPS模块，用于
采集开沟机的GPS信息，GPS模块将采集到的GPS信息通过外置的天线直接连接数据处理子
模块21，即直接连接本发明实施例中的单片机的SCI串口并传输开沟机的GPS信息。单片机
对GPS信息进行处理，截取出经纬度信息，将处理后的数据通过数据传输模块03发送给数据
监测模块04，以便数据监测模块04显示开沟机的作业轨迹以及开沟机在具体位置的开沟深
度。其中定位模块安装在开沟机所在的车体上，即安装在拖拉机的机体上。
在上述实施例的基础上，所述监测系统中的硬件箱体底部均设置有磁铁。
具体地，所述监测系统中采用的硬件的箱体底部均设置有磁铁，方便作业时安装
在机具上，并且硬件的箱体均采用塑料材质，质量轻，体积小，当然根据实际情况的需要，也
可以采用其他材质，本发明实施例不作具体限定。
图5为本发明实施例中开沟机作业质量监测系统的整体结构框架图，如图5所示，
可以看出本发明提供的开沟机作业质量监测系统中各个模块之间的数据通信过程。
本发明实施例提供的开沟机作业质量监测系统，通过数据采集模块采集开沟机的
相关数据并发送至数据处理模块，由数据处理模块进行处理，通过倾角差值实时快速的判
断开沟深度是否超过预设范围，并进行实时警示，以便操作人员根据警示进行调整。并且利
用惯性传感器检测机具倾角，结合机具尺寸换算开沟深度，不需要额外机械结构，结构简
单，操作方便，提升了开沟机的作业质量。此外数据监测模块还可以将开沟机作业质量相关
的数据进行处理、存储和显示，以便用户能够远程监测开沟机的作业质量，还可以对开沟机
作业情况的历史信息进行查询，提升了用户体验。
图6为本发明实施例中开沟机作业质量监测方法的流程图，如图6所示，本发明提
供的开沟机作业质量监测方法，包括：
S1、采集数据，通过数据采集模块采集数据，其中，第一传感器采集所述开沟机所
在车体的第一倾角，第二传感器采集所述开沟机机臂的第二倾角，定位模块采集所述开沟
机所在车体的位置信息，将采集到的所述第一倾角、所述第二倾角和所述位置信息发送至
数据处理模块；
具体地，数据采集模块采集开沟机相关的运行信息，第一传感器采集所述开沟机
所在车体的第一倾角，第二传感器采集所述开沟机机臂的第二倾角，定位模块采集所述开
沟机所在车体的位置信息，并将采集到的第一倾角、第二倾角以及位置信息发送至数据处
理模块，其中第一倾角和第二倾角的定义和上述实施例一致，此处不再赘述。需要说明的
是，采集模块还可以采集其他数据，例如：开沟机所在车辆的运行加速度，开沟机机臂转动
的角速度等，本发明实施例不作具体限定。
S2、数据处理，数据处理子模块对接收到的所述第一倾角和所述第二倾角作差并
取绝对值，计算出第三倾角，判断所述第三倾角是否超过开沟深度设置模块设置的开沟深
度预设范围，若判断获知所述第三倾角超过预设范围，则警示模块进行警示；
具体地，数据处理子模块即本发明实施例中的单片机接收包括第一倾角和第二倾
角的数据信息，将第一倾角和第二倾角的差值的绝对值作为第三倾角，也就是开沟机机臂
相对于开沟机所在车辆的倾角，以消除监测环境及其他田间作业环境对计算结果带来的影
响。可以理解的是，当开沟机在水平面上工作时，第一倾角为零，第三倾角就等于第二倾角。
根据计算出的第三倾角利用公式(1)计算出当前时间开沟机对应的开沟深度，并将计算出
的第三倾角与预设范围作比较，若判断获知计算出的第三倾角超过预设范围，则数据处理
子模块即本发明实施例中的单片机控制警示模块进行警示，提示操作员调整开沟机的机臂
使开沟深度保持在预设范围内。
图7为本发明实施例中开沟深度计算方法示意图，如图7所示，L表示开沟机机臂的
长度，α表示第三倾角，H表示开沟机机臂固定端距地面的距离，R表示开沟机端部的半径，h
表示开沟机的开沟深度，具体计算开沟机开沟深度的公式如公式(1)：
h＝L-sinα+R-H (1)
S3、数据整合，数据处理子模块将接收到的数据进行处理，并将处理过的数据进行
整合，由信号转换模块进行信号转换后通过数据传输模块发送至数据监测模块；
具体地，数据处理子模块将接收到的数据采集模块采集的包括第一倾角和第二倾
角的数据进行初步处理，计算出开沟深度，将所需数据按照通讯协议进行整合发送，数据通
过信号转换模块MAX232由TTL信号变为RS232信号，并通过无线传输模块将数据传至数据处
理中心。其中发送的数据包括开沟机开沟深度、GPS信息等。
S4、数据监测，数据监测模块接收所述数据传输模块发送的数据，并将数据进行处
理和存储，并在网页上进行显示。
具体地，数据监测模块接收数据传输模块通过无线网络发送的数据，并将进行处
理和存储，并在网页上进行显示。
在上述实施例的基础上，所述预设范围，包括：通过开沟深度设置模块预先设置所
述预设范围。
具体地，开沟机在工作开始前，操作人员可以通过开沟深度设置模块预先设置开
沟机开沟深度的上下限，也就是预设倾角差范围，用来控制开沟机的开沟深度在预设范围
内，保证开沟机的工作质量。
在上述实施例的基础上，所述在网页上进行显示包括：显示开沟机的开沟深度曲
线图、作业时间和作业轨迹。
具体地，数据监测模块将数据处理模块通过数据传输模块发送的数据进行进一步
的处理和分析，并将处理后的结果在网页上进行显示，例如根据数据处理模块计算的开沟
深度显示开沟机的开沟深度曲线图，根据数据采集模块采集的开沟机的GPS信息进行相关
处理后显示开沟机的作业时间和作业轨迹，以及开沟机在具体位置时的开沟深度，还可以
根据采集到的开沟机所在车辆的加速度信息，计算出开沟机所在车辆的运行速度，显示开
沟机的工作速度曲线，对开沟机的作业速度进行监控，还可以显示其他关于开沟机作业的
信息，本发明实施例不作具体限定。
本发明实施例提供的开沟机作业质量监测方法，通过采集处理开沟机作业的相关
信息，实时快速的计算出开沟机的开沟深度，并判断是否超过预设范围，以便警示操作员进
行开沟深度的调整，保证了开沟机的作业质量。此外，还将开沟机的作业信息发送至数据监
控模块，由数据监控模块处理后存储并显示在网页上，以便用户可以远程监控开沟机的作
业质量。
下面介绍开沟机作业质量监测系统的具体工作过程，以便更好的理解本发明的技
术方案具体工作流程如下：
利用两个惯性传感器分别采集到第一倾角和第二倾角，定时将数据传输给数据处
理单元中的数据处理子模块，也就是本发明实施例中的单片机，单片机对数据进行处理，计
算出两个传感器采集到的第一倾角和第二倾角的倾角差值的绝对值，即第三倾角。第三倾
角结合开沟机结构相关尺寸，如图5所示，按照公式(1)换算出机具作业沟深h。开沟机作业
前，操作人员可以通过开沟深度设置模块人为设置沟深上下限，即开沟深度的预设范围，通
过调节开沟机的机臂到开沟深度的最小和最大处，分别按下如图3所示的设置开沟深度上
限和下限的按钮来设置开沟深度的上下限。程序为单片机扫描按钮，当按钮被按下，即人工
设置上下限时，单片机将当前的开沟机机臂倾角的差值赋给开沟深度上限和下限，就可以
设置开沟深度。单片机实时检测计算当前的第三倾角并与开沟深度上下限进行比较，超出
预设范围时，即控制示警模块亮起相应的示警灯，提示操作人员调节开沟机的机臂直到示
警灯灭，从而控制开沟深度在设置的限制范围内。同时，数据采集模块中的GPS模块采集开
沟机的定位信息，传输到单片机中，单片机截取出经纬度信息。单片机将处理后的数据按照
通讯协议进行整合后输出，输出的TTL信号经过信号转换模块MAX232转换为RS232信号发送
至数据传输模块，通过无线网络发送数据至数据监测模块，数据监测模块对数据进行进一
步处理并存储，并在网页上进行显示。网页可以显示开沟深度和作业时间，以及基于GPS模
块采集到的经纬度信息显示在地图上的作业轨迹，另外还可以查询历史数据。此外，数据监
测模块可以发送命令到单片机，单片机根据命令可以设置数据上传时间间隔或者立即发送
一条数据。
本发明实施例提供的开沟机作业质量监测系统及方法，通过位于开沟机和开沟机
所在车体上的两个惯性传感器实时检测开沟机的姿态，结合开沟机的相关尺寸换算出开沟
深度，实时监测开沟机的作业质量；系统可设置开沟深度上下限，开沟深度超出范围则亮灯
示警，示警功能可以帮助操作人员控制开沟深度在一定范围内，提升了开沟机作业质量。利
用GPS模块采集GPS信息，对开沟机进行定位，检测其作业经纬度信息；数据监测模块通过对
远程上传的数据进行处理，获得开沟机的开沟深度、作业轨迹和作业时间信息，并将数据进
行存储、显示和网络发布，实现开沟机作业信息的网络共享。不需要其他辅助机械结构即可
实时监测开沟机的开沟深度，结构简单，操作方便，并可通过网络将开沟机作业信息进行网
络远程发布。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。