陽瓊芳

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)與電子信息工程系，南寧　530226)

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氣吸式播種機(jī)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計—基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

陽瓊芳

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)與電子信息工程系，南寧530226)

摘要：針對氣吸式播種機(jī)常出現(xiàn)的漏播和重播現(xiàn)象，在ZigBee技術(shù)和單片機(jī)的基礎(chǔ)上提出了一種新的氣吸式免耕播種機(jī)的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，并對播種機(jī)的核心部件排種器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，制造了試驗樣機(jī)。播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)和ZigBee無線模塊為主要部件，結(jié)合紅外線傳感器和渦流位移傳感器對漏播和重播數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實現(xiàn)了振動臺的自動化控制和遠(yuǎn)程報警功能，以及LCD12864液晶對監(jiān)測參數(shù)的實時顯示。通過對播種機(jī)的大量測試，得到了不同播種機(jī)行進(jìn)速度的排種質(zhì)量曲線，由測試結(jié)果可以看出：排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以成功地對漏播率和重播率進(jìn)行監(jiān)測，且遺漏監(jiān)測的次數(shù)很少，排種和漏播播種率的精度較高，達(dá)到了精密播種機(jī)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；氣吸式播種機(jī)；ZigBee技術(shù)；LED顯示；單片機(jī)

0引言

近年來，精密播種技術(shù)在農(nóng)作物種植作業(yè)中逐漸開始使用，并成為熱門研究的課題。精密播種技術(shù)是提高糧食產(chǎn)量的一項現(xiàn)代化綜合技術(shù)，包括種子的培育和加工、精密播種機(jī)具的使用、土壤的精耕細(xì)作，以及高精度的施肥灌溉等一系列技術(shù)。精密播種技術(shù)可以節(jié)省大量的種子及再次補苗定苗的用工，種子合理分布降低了肥料和光能的損失，提高了作物產(chǎn)量和綜合經(jīng)濟(jì)效益。氣吸式播種機(jī)是一種利用氣吸原理，使用氣流將種子吸附并從種堆中分離出來，達(dá)到單?；蛘唠p粒精密播種的目的。同機(jī)械式播種機(jī)相比，氣吸式精密播種機(jī)具有節(jié)省種子、不傷種子、對種子形狀的適應(yīng)性強、易于實現(xiàn)單粒精播及作業(yè)速度高等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外精密播種機(jī)發(fā)展的重點。

目前，國內(nèi)外研發(fā)了一些新的播種技術(shù)，如日本提出了一種靜電播種技術(shù)，適用于種子顆粒較小的蔬菜播種；英國提出了一種超音速播種技術(shù)，可以應(yīng)用在蔬菜和牧草的播種；美國利用液壓馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計了新型氣壓式播種機(jī)；東德研制了精密播種機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動等。我國開始研究精密播種技術(shù)是在20世紀(jì)70年代，到目前為止，精密播種在全國的實施范圍還較小，基本局限在中耕作物，谷物精播的難度大，至今還沒有非常成熟的機(jī)型。氣吸式播種機(jī)對種子適應(yīng)性強、通用性好，具備高速作業(yè)的性能，工作幅度也較大，是當(dāng)前精密播種機(jī)的發(fā)展方向。因此，對氣吸式播種機(jī)的研究和改進(jìn)，具有重要的意義。

1氣吸式播種機(jī)工作原理和排種器設(shè)計

氣吸式播種機(jī)利用振動氣吸設(shè)備可以實現(xiàn)精量化播種，其排種器一般由氣源、吸針、振動盤和一些其他類型的輔助設(shè)備構(gòu)成。播種作業(yè)時，種子在振動臺的作用下向上拋擲，在負(fù)壓作用下吸針將種子吸?。徊シN機(jī)運行一段距離后，負(fù)壓被改為真空狀態(tài)，種子在自身重力作用下落到指定播種位置。氣吸式播種機(jī)的工作原理如圖1所示。

此方法穴播性較好，可以控制每個穴需要播種的粒數(shù)，其精度和效率都較高，且種子的機(jī)械損傷較小。其中，排種器主要是由真空通斷組件、排種盤和風(fēng)機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

種子箱底面安裝了排種盤，排種盤一側(cè)是種子室，另一側(cè)是氣吸室，排種盤上裝有通氣管道。氣吸式排種器排種的原理是借助氣吸作用，將風(fēng)機(jī)和氣吸室相連，利用風(fēng)機(jī)作用形成真空，在排種盤兩側(cè)形成壓力差，在壓力差的作用下，種子被吸針吸住。排種盤轉(zhuǎn)動過程中，刮種板將過多的種子刮掉，保留合適的粒數(shù)；當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)動離開氣吸室后，種子在重力作用下落下或者落入導(dǎo)種管。種子受力的作用圖如圖3所示。

1.氣源　2.真空通斷器　3.吸針　4.振動種子盤　5.種子顆粒

1.真空通斷器　2.真空連接管　3.種子室　4.排種盤

圖3　種子的受力分析圖

排種器排種時，種子主要受到的力有重力G、旋轉(zhuǎn)的慣性力J、吸針的吸附力P和吸孔處的支持力N。其中，摩擦力可以忽略不計，J的表達(dá)式為

J=mRω

(1)

其中，ω表示排種盤的角速度；R表示種子重心到排種盤重心的距離。當(dāng)排種盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，J大小是不變的，但是方向不斷變化，而重力大小和方向都不變。由圖3可以看出：合力的大小開始吸種時最大，當(dāng)G和J方向相反時種子收到的合力最小，此時的真空度也需要最小。吸附力必須滿足能夠吸附種子，以種區(qū)充滿所需要的壓力為基準(zhǔn)，吸住種子必須滿足的受力條件為

F×d/2≥T×h

(2)

種子所受的吸附作用力表達(dá)式為

(3)

其中，pa表示外界氣壓；p1表示真空室壓力。由式(3)可以看出：隨著吸針直徑的增大，種子所需的真空度變小，排種性能有所增強；當(dāng)孔徑增大到一定程度時，針孔的漏氣量也會增大，排種性能又開始降低?？讖降拇笮〈_定主要依據(jù)種子的尺寸，吸種孔的直徑是通過實驗方法得到的，吸種孔的直徑計算公式為

d=(0.64-0.66)b

(4)

其中，b表示種子的平均寬度。真空度是排種和吸種效果最主要的影響因素，不同類型的種子真空度最佳范圍是不同的，真空度降低會造成漏吸率增大；當(dāng)真空度超過一定范圍時，重吸率會增加?？紤]風(fēng)機(jī)和管路的壓力損失，真空度的計算一般取最大值，計算公式為

(5)

其中，C表示排種盤和種子重心之間的距離；m表示種子的質(zhì)量；v表示排種盤中心孔的線速度；r表示排種盤吸針位置的旋轉(zhuǎn)半徑；λ表示摩擦力的綜合系數(shù)；γ表示種子的止休角；g表示吸種的可靠性系數(shù)，當(dāng)種子的形狀近似球形時，K1選擇較小值，反之選擇較大值。對于玉米、高粱、大豆等作物可以選擇K1=1.7~1.9；K2表示工作的穩(wěn)定性可靠系數(shù)，一般取值為1.7~2.1，種子千粒質(zhì)量大時取大值。排種器的種子吸附所需要真空度的最大值主要和吸針直徑、種子物理性質(zhì)和排種孔處的線速度有關(guān)。常見作物的吸針直徑和吸室真空度如表1所示。

表1　常見播種作物吸針直徑和吸室真空度值

續(xù)表1

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值，可以完成排種器的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了提高播種機(jī)的播種質(zhì)量，需要提高振動臺的性能，并實時對其播種情況進(jìn)行監(jiān)測。

2振動臺和播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

要實現(xiàn)精密播種關(guān)鍵是使用精密播種機(jī)，而精密播種機(jī)的核心部件是排種器。氣吸式精密播種機(jī)的排種器主要由振動臺和氣吸部分構(gòu)成，振動臺主要是使種子運動，有利于種子的吸附。排種器在工作前，啟動電磁振動器使排種盤產(chǎn)生振動，在振動盤上安裝傳感器對振動幅值和頻率進(jìn)行采集，利用A/D轉(zhuǎn)換器將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸給遠(yuǎn)程控制中心；控制單元利用單片機(jī)進(jìn)行控制，電磁振動排種器工作時，啟動電磁振動器使排種盤產(chǎn)生振動。通過安裝在種子盤上的傳感器采集種子盤的震動振幅和振動頻率數(shù)據(jù)，用A/D轉(zhuǎn)換器將采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給主控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)是由單片機(jī)為主的微控單元，根據(jù)采集信號可以對振動參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)精密化播種作業(yè)。

圖4表示氣吸振動器的工作原理圖。其使用的主要器件為壓電加速度傳感器，由于阻抗較高，需要前置一個放大電路，將高阻抗值轉(zhuǎn)換為低阻抗值。因此，可以選擇ICP傳感器，其內(nèi)置了集成電路，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　氣吸振動器的原理圖

本次研究選用的是HK9148型號壓電加速度傳感器，其生產(chǎn)廠家是恒科科技。在播種機(jī)移動時，株距主要根據(jù)播種機(jī)的位移來驅(qū)動，而位移可以通過電渦流傳感器進(jìn)行測定，電渦流傳感器是非接觸式傳感器，主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、靈敏性高和抗干擾能力強，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在測定位移時，激勵線圈和渦流體之間距離的變化會引起渦流強度的變化，隨著距離的降低，渦流強度逐漸增大，電感降低，諧振頻率升高，幅值也會下降。根據(jù)不同幅值對應(yīng)的位移值，可以對播種機(jī)的位移進(jìn)行實時監(jiān)測，本設(shè)計中選用的渦流位移傳感器為型號JX20系列電渦流位移傳感器。

圖5　渦流傳感器測位移原理圖

圖6表示漏播和重播的紅外線監(jiān)測流程。在排種盤孔處安裝光敏電阻，當(dāng)種子下落時，光線被遮擋1次，則排出1粒種子；當(dāng)存在漏播時，無種子排出，光線不被遮擋，此時紅外線傳感器會記錄漏種1次；當(dāng)存在重播時，會排出多粒種子，光線被多次遮擋，紅外線傳感器會記錄多次播種。當(dāng)存在漏播和重播現(xiàn)象時，單片機(jī)會自行調(diào)整，避免多次漏播和重播；當(dāng)出現(xiàn)多次漏播和重播時，說明播種機(jī)存在故障，漏播和重播數(shù)據(jù)會通過ZigBee傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。

圖6　漏播和重播紅外線監(jiān)測

圖7為控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框架。其控制核心為89C51單片機(jī)，通信模塊為ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。其利用單片機(jī)可以完成對數(shù)據(jù)的采集和處理，主要包括位移渦流傳感器采集的位移數(shù)值和紅外線傳感器采集得到的漏播與重播率數(shù)據(jù)。其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器使用DAC0832和ADC0809，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過ZigBee返回遠(yuǎn)程控制臺。

圖7　控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

3氣吸式播種機(jī)播種質(zhì)量測試

氣吸式播種機(jī)的播種性能主要包括漏播率、合格率和重播率等，為了測試播種監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和氣吸式播種機(jī)的性能，在試驗田里對氣吸式播種樣機(jī)進(jìn)行了測試，如圖8所示。

圖8　氣吸式播種機(jī)試驗測試

樣機(jī)上裝載了播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee將監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到控制中心，通過測試得到了如圖9所示的播種質(zhì)量監(jiān)測曲線。

圖9　排種質(zhì)量監(jiān)測曲線

通過對播種機(jī)的大量測試，得到了不同播種機(jī)行進(jìn)速度的排種質(zhì)量曲線。由圖9可以看出：排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以成功地對漏播率和重播率進(jìn)行監(jiān)測；但隨著速度的增加，重播率和漏播率都有不同程度的提高，降低了播種的合格率。

表2　漏播監(jiān)測和補種性能測試結(jié)果

表2為播種機(jī)播種質(zhì)量的監(jiān)測結(jié)果，包括對漏播總的監(jiān)測次數(shù)、成功記錄次數(shù)和成功補播次數(shù)。由表2可以看出：漏播成功記錄的概率較高，最高達(dá)到了100%，且成功補播的次數(shù)也較高，達(dá)到了精密播種機(jī)的設(shè)計要求。

4結(jié)論

1)采用ZigBee技術(shù)和單片機(jī)，針對氣吸式播種機(jī)常出現(xiàn)的漏播和重播現(xiàn)象，設(shè)計了一種新型的播種機(jī)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。同時，對核心部件排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合紅外線傳感器和電渦流位移傳感器實現(xiàn)了播種質(zhì)量和株距的全方位監(jiān)測，并利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程LED實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，實現(xiàn)了振動臺的自動化控制和遠(yuǎn)程播種機(jī)故障報警功能。

2)通過傳感器組織形成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計了氣吸式播種樣機(jī)。通過對播種機(jī)性能進(jìn)行測試，得到了不同速度下排種質(zhì)量曲線及成功監(jiān)測漏播率和重播率的數(shù)據(jù)。由測試結(jié)果可以看出：遺漏監(jiān)測的次數(shù)很少，排種和漏播播種率的精度較高，裝置的可靠性和穩(wěn)定性均滿足精密播種機(jī)的設(shè)計要求。

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Design of Quality Monitoring System for Pneumatic Seeding Machine Based on ZigBee Wireless Sensor Network

Yang Qiongfang

(Department of Computer and Electronic Information Engineering,Guangxi Vocational & Technical College, Nanning 530226, China)

Abstract：Since the air suction seeding machine often appears leakage sowing and replay phenomenon, it proposed a new gas suction type quality monitoring system of no tillage seeder based on ZigBee technology.And the drill core components of the metering device on the line structure with optimization design, it has done manufacturing the prototype experiment. The quality monitoring system combined with infrared sensor and eddy current displacement sensor to collect the data of the leakage and replay, realized the automatic control and remote alarm function of the shaking table based on STC89C51 microcontroller and ZigBee wireless module as the main components. And it realized the real-time display of LCD12864 liquid crystal. Through a lot of testing of the seeding machine, the quality of the different seeding rate is obtained. From the test results,it can be seen that the monitoring system can successfully monitor the leakage rate and replay rate.

Key words：wireless sensor network; pneumatic seeding machine; ZigBee technology; LED; MCU

中圖分類號：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0086-05

作者簡介：陽瓊芳(1973-)，女，廣西桂林人，高級實驗師，碩士，(E-mail)1973yqf@sina.com。

基金項目：廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項目(2013YB295)

收稿日期：2015-09-08