王大可，衣淑娟，趙 雪，馬秀蓮，戈天劍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

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氣吸精播機(jī)施肥量無線計量監(jiān)測系統(tǒng)的研究

王大可，衣淑娟，趙 雪，馬秀蓮，戈天劍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

針對目前播種機(jī)施肥工作環(huán)境條件惡劣、人員監(jiān)測難度大及施肥監(jiān)測裝置較少等問題，以嵌入式微處理器為核心，采用傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)，研究了施肥量計量及工況監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)已進(jìn)行田間生產(chǎn)試驗。試驗結(jié)果表明：施肥計量誤差<6.3%，肥箱空、肥管堵、肥管空誤報警率為0，報警延遲時間<0.5s，具有較好的全天候作業(yè)能力，能夠滿足實際田間作業(yè)中肥量監(jiān)測及肥量施肥狀態(tài)預(yù)警等任務(wù)。

播種機(jī)；施肥計量；無線通信；監(jiān)測

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，精密播種機(jī)廣泛應(yīng)用于田間大面積作業(yè)中，既提高了生產(chǎn)效率，又降低了生產(chǎn)成本。但是，精密播種機(jī)作業(yè)過程中由于機(jī)械故障等原因，會出現(xiàn)肥箱排空、肥管空或堵塞的情況。精密播種機(jī)多為大面積長時間作業(yè)，一旦發(fā)生上述故障且未及時發(fā)現(xiàn)解決，會影響到大面積作物的后期生長，進(jìn)而嚴(yán)重影響糧食產(chǎn)量。

目前，國外精密播種機(jī)電子監(jiān)測技術(shù)較為成熟，準(zhǔn)確性與可靠性較高，國內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)研究發(fā)展的速度也較快。周利明等利用電容傳感器法，利用比較肥料通過排肥管時，管內(nèi)電容值的變化來計算施肥量和肥管的工作狀況，能夠?qū)Ω鱾€肥管進(jìn)行單獨的監(jiān)測，并能夠?qū)⑿畔l(fā)送上位機(jī)實時顯示，有著較強(qiáng)的抗污染能力[1-3]。北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所[4]苑小偉等利用電容傳感器與伺服電機(jī)設(shè)計了玉米免耕播種施肥機(jī)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，可以通過調(diào)整伺服電機(jī)控制播種施肥量，同時對播種施肥量有精準(zhǔn)的測量。但是，電容傳感器會由于田間灰塵、水分等因素影響到系統(tǒng)電容值測量的準(zhǔn)確性[5-10]，且寄生電容較難處理。為此，筆者設(shè)計了一套精密播種機(jī)施肥計量監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式微處理器作為核心，通過無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，將紅外光電傳感器安裝到肥管中部對行肥管狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；將編碼器安裝在排肥軸上，通過采集編碼器的脈沖數(shù)對施肥量進(jìn)行間接測量；通過安裝在肥箱側(cè)面的電容式接近開關(guān)對箱內(nèi)狀況進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)的工作參數(shù)會在上位機(jī)顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作運(yùn)行穩(wěn)定。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由下位機(jī)施肥計量監(jiān)測控制部分和上位機(jī)顯示終端組成，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Frame figure of system structure

下位機(jī)施肥計量監(jiān)測部分主要由微處理器、無線模塊、編碼器、紅外光電傳感器及接近式電容開關(guān)等組成。監(jiān)測系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為微處理器，通過采集編碼器的脈沖數(shù)間接計量精密播種機(jī)的施肥量，安裝在肥管中部的紅外光電傳感器完成肥管工作狀態(tài)的監(jiān)測，電容式接近開關(guān)完成對肥箱狀態(tài)的監(jiān)測，獲取的作業(yè)數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)終端。

上位機(jī)通過無線模塊向下位機(jī)發(fā)送啟動、數(shù)據(jù)采集、停止等控制指令，下位機(jī)接收到相應(yīng)的控制指令后開始工作，將測量的作業(yè)參數(shù)傳送到上位機(jī)實時顯示。當(dāng)接收到下位機(jī)傳來的報警信息后，上位機(jī)會顯示出現(xiàn)故障的區(qū)域，同時啟動聲光報警，通知機(jī)車駕駛員停車排除故障。

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 肥管狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計

光電肥管狀態(tài)監(jiān)測裝置采用光電檢測原理。當(dāng)有肥料經(jīng)過紅外光電傳感器時，肥料將傳感器發(fā)射端光線擋住，接收端返回高電平；當(dāng)沒有肥料經(jīng)過時，接收端返回低電平。微處理器通過接收端是否發(fā)生電平變化來判斷肥管內(nèi)的肥料流動狀態(tài)。由于田間作業(yè)情況復(fù)雜，在光電傳感器的型號選擇上，需要從覆蓋特性、抗塵性能及光譜特性等方面進(jìn)行考慮，常用的發(fā)光元件有普通發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管及激光二極管。普通發(fā)光二極管亮度不高，激光二極管成本較高，故選用指向性強(qiáng)、亮度高、聚光性較好的紅外發(fā)光二極管，接收端使用黑色膠體封裝的光敏三極管?？紤]到肥管外部無避光裝置，日光的照射會影響檢測的準(zhǔn)確性，在光電傳感器的外部較加裝黑色塑料避光盒以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。接收端的電平信號波形不規(guī)整，微處理器無法對信號進(jìn)行準(zhǔn)確處理，需經(jīng)整形電路處理。下位機(jī)系統(tǒng)單體電路圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)通信方式設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)之間采用無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用xl4432無線模塊，具有傳輸距離遠(yuǎn)及抗干擾性強(qiáng)等特點。上位機(jī)與下位機(jī)各節(jié)點之間采用主從式異步通信方式。

系統(tǒng)上電初始化后，下位機(jī)各節(jié)點等待上位機(jī)發(fā)送控制指令，啟動指令和停止指令為廣播形式，數(shù)據(jù)采集指令中包含各個無線模塊地址。各個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)采集指令后先判斷與自身地址是否相同，若相同，則向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的信息；若不同，則繼續(xù)等待上位機(jī)指令。上位機(jī)發(fā)送的每一個數(shù)據(jù)幀均由幀頭FC、幀尾ED、控制命令和地址組成，廣播地址為0x00，下位機(jī)各節(jié)點地址為0x0B-0x16。下位機(jī)各節(jié)點在收到控制指令后，向上位機(jī)傳輸應(yīng)答指令的格式包括幀頭FC、幀尾ED、對應(yīng)的模塊地址及采集的數(shù)據(jù)。其中，正常數(shù)據(jù)的應(yīng)答指令為0xF0，異常數(shù)據(jù)的應(yīng)答指令為0x0F，異常數(shù)據(jù)應(yīng)答指令又分為0x01(排空)，0x02(堵塞)。

2.3 施肥量計量裝置設(shè)計

系統(tǒng)使用PKT1020-360-G05C型編碼器，1圈360個脈沖，將編碼器安裝在播種機(jī)的排肥軸上。施肥刻度調(diào)節(jié)裝置上有25、30、35、40、45、50、55、60mm這8種刻度，通過多組實驗標(biāo)定出不同刻度下單個脈沖與施肥量的關(guān)聯(lián)系數(shù)，將采集到的脈沖數(shù)和關(guān)聯(lián)系數(shù)相乘即得到施肥量。編碼器工作過程中會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性。因此，在程序中添加了算法，將編碼器的A相接到微處理器的P3.4引腳，B相接到微處理器的P3.5引腳，當(dāng)A相脈沖發(fā)生變化時，B相如果也發(fā)生變化，則說明編碼器發(fā)生了抖動。用A相產(chǎn)生的脈沖數(shù)與B相產(chǎn)生的脈沖數(shù)相減所得到的脈沖數(shù)計算施肥量，提高了監(jiān)測系統(tǒng)施肥量測量的準(zhǔn)確性。

2.4 肥箱狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計

壓力檢測法經(jīng)常被用在肥箱內(nèi)剩余肥料的檢測上。常用的器件為壓力傳感器，其實質(zhì)是一個壓敏電阻，當(dāng)其敏感區(qū)域的壓力發(fā)生變化時，壓敏電阻的阻值就會發(fā)生變化，測量出肥箱臨近排空時阻值，計算出加上5V電壓后的輸出值作為箱空的標(biāo)定值，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后由微處理器進(jìn)行判斷處理。

由于壓力傳感需要安裝在固定的平面上才能穩(wěn)定的工作，因種箱結(jié)構(gòu)的限制，很難創(chuàng)建平面環(huán)境，且肥料在肥箱內(nèi)的晃動會影響壓力傳感器的阻值輸出，容易發(fā)生誤報警現(xiàn)象。為了彌補(bǔ)上述不足，選擇電容式接近開關(guān)進(jìn)行箱空檢測。檢測系統(tǒng)使用的電容開關(guān)為PNP常開型，可自行調(diào)整距離，在電路中通過下拉電阻調(diào)整其輸出狀態(tài)。

當(dāng)肥料距離接近開關(guān)距離超出設(shè)定范圍(10mm)時，接近開關(guān)輸出低電平，微處理器啟動其內(nèi)部定時器工作；當(dāng)?shù)碗娖匠掷m(xù)時間超出報警設(shè)定時間(系統(tǒng)設(shè)置為3s)時,向上位機(jī)發(fā)送報警信息；肥料充足未超出設(shè)定距離時，輸出高電平。微處理器通過其電平的變化就可以判斷肥箱內(nèi)的狀態(tài)，相比于壓力傳感器，電容式接近開關(guān)可靠性和準(zhǔn)確性更高，且降低了成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要用于肥管和肥箱狀態(tài)的監(jiān)測、施肥量的采集、數(shù)據(jù)的處理及傳輸。C語言具有運(yùn)行效率高、可移植性好等優(yōu)點，軟件使用C語言進(jìn)行程序的編寫。播種機(jī)開始作業(yè)后，監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行上電初始化，下位機(jī)等待上位機(jī)的啟動指令，接到啟動指令后，先判斷肥管與肥箱的狀態(tài)施肥是否正常：若正常，啟動計數(shù)器開始測量施肥量，當(dāng)接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集指令時，上傳此時的施肥量；若出現(xiàn)故障，上傳故障區(qū)域，啟動聲光報警。其主程序流程圖如圖3所示。當(dāng)下位機(jī)系統(tǒng)開始運(yùn)行，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，初始化完成后，位于施肥管、肥箱內(nèi)的傳感器開始檢測肥管、肥箱是否處于正常狀態(tài)；若相應(yīng)檢測區(qū)域出現(xiàn)異常，反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)停止檢測工作，待工作人員解決施肥機(jī)構(gòu)問題，系統(tǒng)開始重新檢測施肥情況。若施肥檢測無異常，計量系統(tǒng)對施肥量進(jìn)行監(jiān)測計量，當(dāng)收到上位機(jī)終端的采集指令后，將當(dāng)前的數(shù)據(jù)上傳。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

4 系統(tǒng)試驗

4.1 試驗方法

系統(tǒng)試驗已在田間進(jìn)行，播種機(jī)選用的是黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的2BJM-6型大馬力氣吸式原茬精密播種機(jī)，試驗地為整理好的平整地面。動力機(jī)車選用的是美國凱斯210拖拉機(jī)，拖拉機(jī)行進(jìn)速度6km/h，進(jìn)行了排肥量、施肥空堵單項性能試驗。

1)施肥系數(shù)測定方法：從排肥管中隨機(jī)選取1路排肥管，調(diào)肥撥盤擋位共有25、30、35、40、45、50、55、60mm 8個擋位；將排肥管管尾封住，每個擋位重復(fù)10次落肥試驗，測得由該排肥管下落肥量質(zhì)量。設(shè)定行進(jìn)速度為6km/h，測試距離為10m，測得數(shù)據(jù)如表1所示。

2)施肥量試驗方法：12行播種機(jī)有2個肥箱，取其中6個排肥管作為研究對象，將6個排肥管的出口用袋接住流出的肥以便稱量計算。測試距離為10m，將調(diào)肥撥盤擋位設(shè)置為60mm，排肥軸每轉(zhuǎn)動1圈，編碼器產(chǎn)生360個脈沖。機(jī)車行進(jìn)速度為6km/h。將肥料實際值與估算預(yù)計值比較,得到二者之間誤差。

3)固態(tài)肥監(jiān)測空堵情況報警試驗，試驗監(jiān)測裝置能否正常播報排肥管內(nèi)堵肥或者排空肥狀態(tài)。取12行播種機(jī)機(jī)中隨機(jī)的6行排肥管，1、3、5、7、9、11號排肥管。試驗步驟為以下3個步驟：

(1)肥箱肥料裝滿。機(jī)車行進(jìn)速度6km/h，模擬真實播種施肥環(huán)境，觀察排肥監(jiān)測裝置是否能夠正常工作，同時觀察監(jiān)測裝置對于流肥有無影響。

(2)肥箱肥料放空。留取少量肥料，機(jī)車行進(jìn)速度保持6km/h，模擬真實播種施肥狀態(tài)下，肥料排空的情況，觀察當(dāng)排肥管中沒有肥料時，監(jiān)測系統(tǒng)能否正確發(fā)出警示指示。

(3)肥料箱裝滿。裝滿肥料，機(jī)車行進(jìn)速度保持6km/h，并將排肥管監(jiān)測裝置上方區(qū)域堵塞，模擬真實狀況下排肥管肥料堵塞情況，監(jiān)測系統(tǒng)能否正常發(fā)出警示指示。

表1 不同施肥擋位下單管排肥量試驗結(jié)果Table 1 Fertilizer consumption under different fertilization gear test result g

4.2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，由于試驗中受到顛簸、卡肥等外界因素影響，為避免產(chǎn)生重大誤差，所以對每組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值計算，得到每組數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行回歸分析。采用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件，求得肥流量與不同擋位之間的線性回歸模型為Y=9.09X-72.816。

排肥量測試結(jié)果表明如表2所示。

表2 肥量試驗結(jié)果Table 2 Fertilizer consumption test result

排肥量最小誤差為4.7%，排肥量最大誤差為6.3%，原因是由于空氣潮濕，肥出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，排肥槽內(nèi)沒裝滿肥，導(dǎo)致肥的流量變小，產(chǎn)生誤差。另外，排肥軸每周撥動肥料質(zhì)量存在不均等現(xiàn)象，使實際值與測定肥量產(chǎn)生了一定的出入。施肥的排空和堵塞監(jiān)測試驗中，6組顯示的空堵播報中誤報率為0，排空試驗和堵塞試驗中，傳感器均及時響應(yīng)均能完成預(yù)期工作。

5 結(jié)論

該施肥計量無線監(jiān)測系統(tǒng)利用編碼器間接測量精密播種機(jī)的施肥量，通過紅外光電傳感器監(jiān)測肥管的工作狀況，利用接近式電容開關(guān)進(jìn)行箱空檢測，解決了壓力傳感器容易導(dǎo)致誤報警的問題。數(shù)據(jù)的傳輸采用無線通信的方式，減少了布線，使監(jiān)測裝置易于安裝和拆卸。上位機(jī)終端不僅可以實時顯示采集的數(shù)據(jù)和出現(xiàn)故障的區(qū)域，還可以對作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便作業(yè)結(jié)束后進(jìn)行分析。試驗結(jié)果顯示：施肥量最大誤差為6.3%，最小誤差為4.7%；空堵試驗誤報率為0。該系統(tǒng)在實際田間作業(yè)中能夠達(dá)到設(shè)計中基本要求，滿足實際田間作業(yè)中肥量監(jiān)測及肥量施肥狀態(tài)預(yù)警等任務(wù)，對提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平具有重要意義。

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Research on Precise Seeder Wireless Measurement Monitoring System

Wang Dake，Yi Shujuan, Zhao Xue, Ma Xiulian, Ge Tianjian

(College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319，China)

In view of the precise seeder outside severe working conditions ,it is difficult to measure the fertilizer sowing amount and the amount of the fertilizer monitoring for the operator.The amount of testing devices are less.The system used embedded microcontroller processor as the core to study the working condition of fertilization rate measurement and monitoring system with the sensor technology and wireless communication technology.In April 2015 the system had been tested at farm production field.The test results showed fertilization measurement error < 6.3%. And the empty bins、fertilizer pipe plugging, fertilizer empty false alarm rate is zero, alarm delay time < 0.5 s. It has been better ability in all-weather operation and can satisfy the fertilizer consumption in practical field monitoring, early warning tasks such as fertilizing fertilizer consumption state.

planter; wireless； measurement; monitoring

2016-01-27

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-03);黑龍江省科技廳項目(GZ13B013)；黑龍江省農(nóng)墾總局科委項目(HNK125B-07-15)

王大可(1991-),男，黑龍江海倫人，碩士研究生，(E-mail)18246781320@163.com。

衣淑娟(1965-)，女，山東棲霞人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)03-0084-05