任國強(qiáng)，劉鎮(zhèn)業(yè)，李義德，張寶鵬，劉冬梅，劉立意

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

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土壤比貫入阻力測試裝置研究—基于Android手機(jī)WIFI控制

任國強(qiáng)，劉鎮(zhèn)業(yè)，李義德，張寶鵬，劉冬梅，劉立意

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

土壤比貫入阻力是反映耕地土壤板結(jié)程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)?，F(xiàn)有測量裝置多采用人工手動加載測量的方式，無法依據(jù)測量標(biāo)準(zhǔn)保持恒速，準(zhǔn)確度、自動化程度及測量效率低，且勞動強(qiáng)度大。為此，應(yīng)用傳感器技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、無線通信技術(shù)，以及智能終端設(shè)備設(shè)計(jì)研制了一種基于Android手機(jī)WIFI控制的電動式土壤比貫入阻力測量裝置。該裝置以單片機(jī)傳感器為核心，采用電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)圓錐測頭按ASAE S313.3 FEB04標(biāo)準(zhǔn)以30.48mm/s恒速貫入土壤，測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存儲于TF卡中；初步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了使用Android手機(jī)，通過WIFI通訊與測量裝置建立連接、操控測量裝置，接收、存儲測量數(shù)據(jù)，并繪制曲線。測試結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、操作簡單、自動化程度高，應(yīng)用前景廣闊。

比貫入阻力；土壤；阻力測試； Android手機(jī)；WIFI

0 引言

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最重要資源。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高、大型機(jī)械的使用，農(nóng)田土壤機(jī)械壓實(shí)、板結(jié)問題越來越嚴(yán)重。土壤機(jī)械壓實(shí)對農(nóng)業(yè)的主要危害表現(xiàn)為土壤容積質(zhì)量增大、土壤的通氣孔隙度變小、水的滲透能力降低，導(dǎo)致土壤地表徑流變大、土壤侵蝕和流失加重；結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致土壤微生物的生物量、活性降低；土壤阻力加大，作物根系生長受阻，直接影響新陳代謝作用和營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低[1-8]。因此，快速和準(zhǔn)確測量農(nóng)田土壤比貫入阻力(亦稱圓錐指數(shù)Cone Index，簡稱 CI)，獲取農(nóng)田土壤壓實(shí)程度的空間分布信息對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)機(jī)耕作具有重要意義。Cater[9]開發(fā)了一種集成式土壤圓錐指數(shù)儀，包括了壓力傳感器、運(yùn)算放大器、信號發(fā)生器及數(shù)據(jù)顯示等組成部分，使其獲得平均圓錐指數(shù)。1996 年，Lui 等人[10]研制了一臺測試設(shè)備，利用多傳感器連續(xù)采樣，并可連續(xù)測試反映土壤強(qiáng)度的指數(shù)(TCI)，獲取了大量土壤壓實(shí)信息，其中的變點(diǎn)采樣為線采樣。此外，通過遙感測試土壤空氣滲透量等，獲取土壤壓實(shí)程度的方法也曾有報(bào)道[11-12]。趙新等[13-14]研制的土壤阻力信息的測試系統(tǒng)，可連續(xù)測試農(nóng)田水平方向上的土壤阻力，以期通過對不同深度土壤阻力信息的測取和分析，獲得農(nóng)田土壤壓實(shí)程度空間分布信息。甄文斌等[15]設(shè)計(jì)了由牽引機(jī)具、深松鏟、傳感器、應(yīng)變儀及計(jì)算機(jī)組成的土壤耕作阻力測試系統(tǒng)。通過靜態(tài)標(biāo)定，該系統(tǒng)的線性度、線性遲滯均小于1%。現(xiàn)有測量裝置或采用人工手動加載測量方式或不具有獲取耕地土壤縱向(垂直方向)阻力信息。

為更方便地測量土壤比貫入阻力，獲取田間土壤壓實(shí)程度的空間分布信息，應(yīng)用傳感器技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、無線通信技術(shù)和智能終端設(shè)備，設(shè)計(jì)了基于Android手機(jī)WIFI控制的土壤比貫入阻力測量裝置。本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容包括土壤比貫入阻力測量裝置的原理與結(jié)構(gòu)、單片機(jī)系統(tǒng)的硬件軟件、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、WIFI通信系統(tǒng)，以及Android手機(jī)APP的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)需要達(dá)到的目標(biāo)如下：

1)圓錐測頭按標(biāo)準(zhǔn)恒速貫入，自動測量貫入力和貫入深度，自動存儲記錄，操作簡便，便攜性好;

2)可與Android 手機(jī)無線連接，可以通過手機(jī)端應(yīng)用操作界面實(shí)現(xiàn)測試裝置啟動、停止,探測桿的上升、下降;測試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示、存儲及繪制比貫入阻力與深度關(guān)系圖等功能。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

土壤比貫入阻力測量裝置主要有4部分組成：機(jī)架與支撐部分、動力傳動部分、傳感探測部分和測控部分，如圖1所示。

1.測控表頭 2.驅(qū)動電機(jī) 3.推管外套 4.蓄電池 5.應(yīng)變傳感器

1)機(jī)械支撐部分。機(jī)架支撐部分主要由三腳架、

固定踏板和支腳等組成。三腳架用于支撐整個(gè)動力傳動部分及電源；固定踏板、支腳與三腳架裝配成一體，以確保裝置牢固、測量穩(wěn)定。

2)動力傳動部分。動力傳動部分由驅(qū)動電機(jī)、絲杠、螺母及推管等組成。圓錐桿通過連接塞與推管連接；驅(qū)動電機(jī)通過滾珠絲杠帶動推管實(shí)現(xiàn)圓錐桿的豎直進(jìn)給運(yùn)動，傳遞效率高。

3)傳感探測部分。傳感探測部分由光電傳感器、應(yīng)變傳感器和圓錐桿(測桿和圓錐頭)等組成。光電傳感器安裝在絲杠端部，用于檢測圓錐桿貫入速度和深度；應(yīng)變傳感器配置在推管端部用于測量貫入阻力。

4)測控部分。測控部分以單片機(jī)為核心的電路，包括應(yīng)變放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD液晶顯示器、操作按鈕、無線串口模塊、WIFI模塊、TF存儲模塊和電機(jī)驅(qū)動等模塊，手機(jī)終端可通過WIFI與測控部分無線連接，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.2 工作原理

本裝置參照ASAE S313.3 FEB04標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，能夠精確測量耕地的比貫入阻力[16-17]。電機(jī)通過滾珠絲杠帶動推管運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)圓錐桿的豎直勻速(30.48mm/s)進(jìn)給運(yùn)動。當(dāng)圓錐桿貫入土壤時(shí)，國際標(biāo)準(zhǔn)的圓錐頭受到的阻力通過二力桿傳到頂端，再由頂端的應(yīng)變式傳感器測得阻力大小，并通過光電傳感器測絲杠轉(zhuǎn)數(shù)、計(jì)算深度，將所得的結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后再在液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示土壤的貫穿阻力和深度，并將數(shù)據(jù)保存在TF卡中，方便以后的使用。同時(shí)，也可將數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸?shù)绞謾C(jī)終端存儲、顯示并繪制出比貫入阻力與深度的關(guān)系圖。

圖2 土壤比貫入阻力測試裝置系統(tǒng)框圖

2 基于Android手機(jī)控制系統(tǒng)

本裝置的手機(jī)控制系統(tǒng)是基于Java語言在Android Studio開發(fā)環(huán)境下完成[18-19]。

2.1 手機(jī)端系統(tǒng)流程

手機(jī)端與裝置端采用WIFI點(diǎn)對點(diǎn)連接，手機(jī)端調(diào)用ServerSocket類中的accept()方法等待裝置端的連接請求，手機(jī)向單片機(jī)發(fā)出SYN請求并進(jìn)入SYN_ACK，并進(jìn)入SYN_RCV狀態(tài)，手機(jī)端確認(rèn)后回復(fù)ACK，進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，單片機(jī)收到ACK后進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，這樣基于TCP協(xié)議的連接建立成功；之后，程序等待手機(jī)端操作，當(dāng)有檢測到操作后，手機(jī)向測控裝置發(fā)出相應(yīng)控制命令，啟動測控裝置進(jìn)行測量流程，測控裝置端將測量數(shù)據(jù)反回給手機(jī)端，手機(jī)端獲取數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算處理顯示于手機(jī)端測控界面，并將數(shù)據(jù)以TXT格式存儲到文件中。手機(jī)端程序流程圖如圖3所示。

圖3 手機(jī)端程序流程圖

2.2 手機(jī)操作界面的設(shè)定

為實(shí)現(xiàn)手機(jī)端操控裝置的啟動、停止，圓錐測桿的上升、下降，可在裝置運(yùn)行過程中通過手機(jī)客戶端利用APP界面的按鈕存儲數(shù)據(jù)，繪制阻力與深度關(guān)系圖等功能，進(jìn)行相應(yīng)手機(jī)操作界面的設(shè)定。手機(jī)APP界面主要由顯示界面和操作界面組成[20]：顯示界面分為圖像繪制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，圖像繪制區(qū)的橫縱坐標(biāo)范圍可根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動調(diào)整；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)會顯示當(dāng)前狀態(tài)下的比貫入阻力和深度大小。操作界面由4個(gè)主要button構(gòu)成，分別控制著測量裝置的運(yùn)行、停止、復(fù)位，以及數(shù)據(jù)存儲。整體效果如圖4所示。

圖4 手機(jī)APP界面顯示圖

初始圖像框架繪制程序模塊如下：

protected void initRenderer() {

mRenderer.setApplyBackgroundColor(true);

mRenderer.setBackgroundColor(Color.CYAN);

mRenderer.setMarginsColor(Color.argb(00, 11, 11, 11));

mRenderer.setAxesColor(Color.BLUE);

if (1 == li) {

mRenderer.setChartTitle("力與深度圖");

mRenderer.setXTitle("力");

mRenderer.setYTitle("深度");

}

else {

mRenderer.setChartTitle("深度壓強(qiáng)圖");

mRenderer.setXTitle("深度");

mRenderer.setYTitle("比貫入阻力");

}

mRenderer.setChartTitleTextSize(40);

mRenderer.setAxisTitleTextSize(30);

mRenderer.setInScroll(true);

mRenderer.setLabelsColor(Color.BLUE);

mRenderer.setLabelsTextSize(30);

mRenderer.setLegendTextSize(30);

mRenderer.setShowLegend(false);

mRenderer.setMargins(new int[]{30, 50, 20, 50});

mRenderer.setPanEnabled(true);

mRenderer.setZoomEnabled(true);

mRenderer.setZoomButtonsVisible(true);

mRenderer.setPointSize(0);

mRenderer.setYLabelsPadding(5);

mRenderer.setYLabelsColor(0,Color.BLUE);

mRenderer.setXLabelsColor(Color.BLUE);

mRenderer.setXLabelsPadding(5);

mRenderer.setXLabelsAngle(10);

XYSeriesRenderer renderer = new XYSeriesRenderer();

mRenderer.addSeriesRenderer(renderer);

renderer.setPointStyle(PointStyle.CIRCLE);

renderer.setFillPoints(true);

renderer.setDisplayChartValues(false);

renderer.setDisplayChartValuesDistance(10);

renderer.setLineWidth(10);

mRenderer.setClickEnabled(true);

mRenderer.setSelectableBuffer(10);

}

2.3 系統(tǒng)整體調(diào)試

WIFI控制土壤貫入阻力測試裝置最終實(shí)現(xiàn)的功能：可通過Android手機(jī)客戶端[21-22]操作界面實(shí)現(xiàn)裝置的啟動、停止，圓錐測桿的上升、下降等功能；可在裝置運(yùn)行過程中通過手機(jī)客戶端利用APP界面的按鈕存儲數(shù)據(jù)，繪制阻力與深度關(guān)系圖。主要調(diào)試內(nèi)容如下：

1)WIFI通信測試。用APP按鍵控制裝置啟動停止，裝置可以完成相應(yīng)指令，證明通信系統(tǒng)沒有問題，裝置均正常工作，然后測試存儲數(shù)據(jù)繪制圖像等功能。Android手機(jī)客戶端界面如圖5所示。

2)裝置基本功能測試。當(dāng)測試裝置收到手機(jī)APP發(fā)送的啟動停止指令后，單片機(jī)會接收信號并控制推桿電機(jī)做出相應(yīng)動作。

3 應(yīng)用測試

利用該測試裝置進(jìn)行土壤比貫入阻力測量實(shí)驗(yàn)。初步應(yīng)用表明：該儀器結(jié)構(gòu)合理，操作簡便；測量過程中，單片機(jī)直接控制顯示、測量及數(shù)據(jù)存儲；手機(jī)端操作無誤，數(shù)據(jù)傳輸、顯示與圖像繪制正確。

4 結(jié)論

應(yīng)用傳感器技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、無線通信技術(shù)和智能終端設(shè)備，研制了一種土壤比貫入阻力測量裝置。該裝置以單片機(jī)為核心采用電機(jī)驅(qū)動，通過WIFI連接初步實(shí)現(xiàn)了使用Android手機(jī)操控測量裝置，接收、存儲測量數(shù)據(jù)和繪制曲線功能。應(yīng)用表明：該裝置自動化程度高，使用方便，測量準(zhǔn)確，省時(shí)省力，具有較好應(yīng)用前景。

圖5 Android手機(jī)客戶端界面

[1] 張興義，隋躍宇.土壤壓實(shí)對農(nóng)作物影響概述[J].農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào)，2005，36(10):161-164.

[2] 林振江，崔立勇，王 闖，等.農(nóng) 田 土 壤 機(jī) 械 壓 實(shí) 的 發(fā) 生 、影 響 及 改 良[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(11)249-252.

[3] 馮競祥，趙新，馬健軍.土壤機(jī)械阻力測定研究進(jìn)展[J].農(nóng) 業(yè) 工 程，2013(2)：1-4.

[4] 趙振家，鄒猛，薛龍，等.壓實(shí)對土壤應(yīng)力分布的影響仿真分析[J].農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào)，2012,43(增刊)311-313,338.

[5] 夏擁軍，丁為民.土壤機(jī)械阻力的測定及其應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006(10)190-192,196.

[6] 于艷，龔麗農(nóng)，尚書旗.農(nóng)機(jī)土槽試驗(yàn)動力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)的研制[J].農(nóng) 業(yè) 工 程學(xué)報(bào)，2011,27(S1)：323-328.

[7] 李雷霞，賈晶霞，李建東，等.土壤參數(shù)與馬鈴薯收獲機(jī)牽引阻力的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013,35(10)125-128.

[8] 鄧偉剛，王春光，王洪波.馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟工作阻力影響因素分析與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016,38(9)53-58.

[9] Carter L M.Portable recording penetrometer measures soil strength profiles[J].Agriculture Engineering,1967,46(6):348-349.

[10] Liu W Upadhyaya S K,Kataoka T et al.Development of atexture/soil compaction sensor[C]//Proccedings of the 3ndinternational confercnce in precision agriculture.Minncapolis,1996:617-630.

[11] Koostra B K.Stombaugh T S.Deveiopment and Evaluation of a sensor to continuously measure air permeability of soil[C]//ASAE paper No 03-1072,2003.

[12] Wels L G,Shear S A,Fulton J P, et al.Assessment of remote sensing for implementation of precision tillage[C]//ASAE PAPER No 00-1084,2000.

[13] 趙新，羅錫文，L.G.Wells.土壤阻力連續(xù)測試設(shè)備研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(2)68-71.

[14] 趙新，羅錫文，L.G.Wells.土壤阻力連續(xù)測試系統(tǒng)農(nóng)田試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012,34(8):111-115.

[15] 甄文斌，楊丹彤，黃世醒，等.土壤耕作阻力測試系統(tǒng)研制及標(biāo)定[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011,33(7)104-107.

[16] 李艷潔，林劍輝，徐泳.圓錐指數(shù)儀貫入沙土試驗(yàn)的離散元法模擬J].農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào)，2011,42(11)44-48.

[17] 林劍輝，孫宇瑞，馬道坤，等。土壤圓錐指數(shù)及其測量技術(shù)研究進(jìn)展[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(13)155-159.

[18] 陳甫. Andriod studio應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2014,10(24)：5659-5661,5669.

[19] 雷擎，伊凡.基于Andriod平臺的移動互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[20] 尹孟征.基于Andriod的APP開發(fā)平臺綜述[J].通信電源技術(shù)，2016,33(4)：154-155,213.

[21] 湯莉莉，黃偉. 基于Andriod手機(jī)藍(lán)牙控制的智能小車設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016,39(12)：132-134.

[22] 郭志宏. Andriod應(yīng)用開發(fā)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.Abstract ID:1003-188X(2017)07-0143-EA

Research on the WIFI Control Soil Penetration Resistance Testing Device —Based on the Android Mobile Phone

Ren Guoqiang, Liu Zhenye,Li Yide,Zhang Baopeng,Liu Dongmei, Liu Liyi

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

Soil specific penetration resistance is an important indicator of the study of soil compaction degree. Existing products most use the manual measuring device.Manual operation can't keep constant speed and have low degree of intelligence, low precision, high labor intensity and low artificial measuring efficiency. For this purpose, use sensor technology,mechanical and electrical technology,Wireless communication technology and Intelligent terminal equipment.The corresponding design was developed based on the Android WiFi control of electrodynamic soil penetration resistance tester. Single chip microcomputer is the core of the device. The device driven by the motor let cone probe penetrate into the soil as the constant speed of 30.48 mm/s(the standard of ASAE S313.3 FEB04),realize the real-time measurement and data storage in the measuring device. Using Android phones with WIFI communications, the preliminary design realizes establishing connection with measuring device, controlling measurement device,receiving saving measurement data and drawing curve. Test results indicate that the device has simple structure, high precision measurement, simple operation, a high degree of automation and a wide application prospect.

specific penetration resistance；soil; resistance test; android mobile phone; WIFI

2016-09-01

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)( 201503119-06);全國大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015-2016)

任國強(qiáng)(1996-)，男，哈爾濱人，本科生，(E-mail)786136386@qq.com。

劉立意(1963 -)，男，哈爾濱人，研究員級高級工程師，(E-mail)lyliu2468@163.com。

S24; S152

A

1003-188X(2017)07-0143-05