任國(guó)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(cè)試裝置研究—基于Android手機(jī)WIFI控制

任國(guó)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(cè)量裝置多采用人工手動(dòng)加載測(cè)量的方式，無(wú)法依據(jù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)保持恒速，準(zhǔn)確度、自動(dòng)化程度及測(cè)量效率低，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。為此，應(yīng)用傳感器技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、無(wú)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(dòng)式土壤比貫入阻力測(cè)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(dòng)實(shí)現(xiàn)圓錐測(cè)頭按ASAE S313.3 FEB04標(biāo)準(zhǔn)以30.48mm/s恒速貫入土壤，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)于TF卡中；初步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了使用Android手機(jī)，通過(guò)WIFI通訊與測(cè)量裝置建立連接、操控測(cè)量裝置，接收、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，并繪制曲線。測(cè)試結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，應(yīng)用前景廣闊。

比貫入阻力；土壤；阻力測(cè)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(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。土壤機(jī)械壓實(shí)對(duì)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(zhǎng)受阻，直接影響新陳代謝作用和營(yíng)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(cè)量農(nóng)田土壤比貫入阻力(亦稱圓錐指數(shù)Cone Index，簡(jiǎn)稱 CI)，獲取農(nóng)田土壤壓實(shí)程度的空間分布信息對(duì)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(kāi)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(hào)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(tái)測(cè)試設(shè)備，利用多傳感器連續(xù)采樣，并可連續(xù)測(cè)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(guò)遙感測(cè)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(cè)試系統(tǒng)，可連續(xù)測(cè)試農(nóng)田水平方向上的土壤阻力，以期通過(guò)對(duì)不同深度土壤阻力信息的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定，該系統(tǒng)的線性度、線性遲滯均小于1%?，F(xiàn)有測(cè)量裝置或采用人工手動(dòng)加載測(cè)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(cè)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(wú)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(cè)量裝置。本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容包括土壤比貫入阻力測(cè)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(dòng)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(cè)頭按標(biāo)準(zhǔn)恒速貫入，自動(dòng)測(cè)量貫入力和貫入深度，自動(dòng)存儲(chǔ)記錄，操作簡(jiǎn)便，便攜性好;

2)可與Android 手機(jī)無(wú)線連接，可以通過(guò)手機(jī)端應(yīng)用操作界面實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置啟動(dòng)、停止,探測(cè)桿的上升、下降;測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)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(cè)量裝置主要有4部分組成：機(jī)架與支撐部分、動(dòng)力傳動(dòng)部分、傳感探測(cè)部分和測(cè)控部分，如圖1所示。

1.測(cè)控表頭 2.驅(qū)動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)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(cè)量穩(wěn)定。

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

3)傳感探測(cè)部分。傳感探測(cè)部分由光電傳感器、應(yīng)變傳感器和圓錐桿(測(cè)桿和圓錐頭)等組成。光電傳感器安裝在絲杠端部，用于檢測(cè)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(cè)量貫入阻力。

4)測(cè)控部分。測(cè)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(wú)線串口模塊、WIFI模塊、TF存儲(chǔ)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，手機(jī)終端可通過(guò)WIFI與測(cè)控部分無(wú)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(cè)量耕地的比貫入阻力[16-17]。電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)推管運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓錐桿的豎直勻速(30.48mm/s)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)圓錐桿貫入土壤時(shí)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的圓錐頭受到的阻力通過(guò)二力桿傳到頂端，再由頂端的應(yīng)變式傳感器測(cè)得阻力大小，并通過(guò)光電傳感器測(cè)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(guò)WIFI傳輸?shù)绞謾C(jī)終端存儲(chǔ)、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(cè)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(yǔ)言在Android Studio開(kāi)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(duì)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(qǐng)求，手機(jī)向單片機(jī)發(fā)出SYN請(qǐng)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(cè)到操作后，手機(jī)向測(cè)控裝置發(fā)出相應(yīng)控制命令，啟動(dòng)測(cè)控裝置進(jìn)行測(cè)量流程，測(cè)控裝置端將測(cè)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(cè)控界面，并將數(shù)據(jù)以TXT格式存儲(chǔ)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(dòng)、停止，圓錐測(cè)桿的上升、下降，可在裝置運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)手機(jī)客戶端利用APP界面的按鈕存儲(chǔ)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(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)會(huì)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(cè)量裝置的運(yùn)行、停止、復(fù)位，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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(cè)試裝置最終實(shí)現(xiàn)的功能：可通過(guò)Android手機(jī)客戶端[21-22]操作界面實(shí)現(xiàn)裝置的啟動(dòng)、停止，圓錐測(cè)桿的上升、下降等功能；可在裝置運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)手機(jī)客戶端利用APP界面的按鈕存儲(chǔ)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(cè)試。用APP按鍵控制裝置啟動(dòng)停止，裝置可以完成相應(yīng)指令，證明通信系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題，裝置均正常工作，然后測(cè)試存儲(chǔ)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(cè)試。當(dāng)測(cè)試裝置收到手機(jī)APP發(fā)送的啟動(dòng)停止指令后，單片機(jī)會(huì)接收信號(hào)并控制推桿電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。

3 應(yīng)用測(cè)試

利用該測(cè)試裝置進(jìn)行土壤比貫入阻力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。初步應(yīng)用表明：該儀器結(jié)構(gòu)合理，操作簡(jiǎn)便；測(cè)量過(guò)程中，單片機(jī)直接控制顯示、測(cè)量及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；手機(jī)端操作無(wú)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(wú)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(cè)量裝置。該裝置以單片機(jī)為核心采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)WIFI連接初步實(shí)現(xiàn)了使用Android手機(jī)操控測(cè)量裝置，接收、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)和繪制曲線功能。應(yīng)用表明：該裝置自動(dòng)化程度高，使用方便，測(cè)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

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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(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015-2016)

任國(guó)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(jí)高級(jí)工程師，(E-mail)lyliu2468@163.com。

S24; S152

A

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