金 鑫 李倩文 苑嚴(yán)偉 邱兆美 周利明 賀智濤

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽 471003； 2.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 洛陽 471003；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

種肥同播是指將種子和緩釋肥按照一定間隔分層播入田間的一種種植農(nóng)藝模式，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合、良種與良肥配套，相對(duì)傳統(tǒng)耕作模式能有效提升肥料利用率、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)[1-3]，已成為我國(guó)中原地區(qū)小麥機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一[4]。目前我國(guó)已在河南、山東、河北等地開展了一系列冬小麥種肥同播試驗(yàn)示范，取得了較好的應(yīng)用成果。但作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，由于缺乏種肥播施狀態(tài)監(jiān)測(cè)、排肥變速調(diào)節(jié)及故障信息監(jiān)測(cè)等質(zhì)量控制技術(shù)，易產(chǎn)生播施精度不高、田間施肥量相對(duì)過大、作業(yè)可靠性難以保證等問題。鑒于此，研究播種與施肥質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)并集成整機(jī)應(yīng)用顯得尤為迫切。

國(guó)外相關(guān)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代，到目前已針對(duì)稻麥、玉米、大豆等大田作物開發(fā)出圖像檢測(cè)、光譜/光電傳感、電容傳感、電液控制等專用種肥播施監(jiān)測(cè)與變量控制的技術(shù)，形成了較為完善的系列裝備[5-7]，應(yīng)用較為廣泛的有John Deere公司JD- 1820型氣力式變量施肥播種機(jī)，配備有播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器、Seed Star監(jiān)視儀等一系列檢測(cè)、傳輸與信號(hào)處理設(shè)備，能夠檢測(cè)到漏播、斷條等現(xiàn)象，在監(jiān)視儀器上進(jìn)行圖形化統(tǒng)計(jì)與報(bào)警，通過控制液壓電液比例閥開度，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)施肥量變量調(diào)節(jié)；美國(guó)CASE公司生產(chǎn)的ST820型氣送式大豆變量施肥播種機(jī)，集成有AFS處方圖軟件，可將生成的處方文件存入外接存儲(chǔ)卡，作業(yè)時(shí)將存儲(chǔ)卡中數(shù)據(jù)導(dǎo)入變量控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)變量施肥播種。

國(guó)內(nèi)在引進(jìn)、消化和吸收國(guó)外研究成果基礎(chǔ)上，開展了一些適合我國(guó)國(guó)情的精量播種與變量施肥技術(shù)研究，代表性成果有[8-19]：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的2F- 6- BP1型變量配肥施肥機(jī)，具有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制器模塊，根據(jù)土壤N、P、K含量不同，按需進(jìn)行配肥施肥；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的稻茬小麥寬幅精量少耕播種機(jī)，提出了“種- 肥- 種”寬幅精量播種和帶狀旋耕相結(jié)合的防堵方法，減少了對(duì)入土部件的纏繞堵塞；北京市農(nóng)林科學(xué)院研制的2F- VRT1型變量施肥機(jī)，可根據(jù)用戶設(shè)置施肥量結(jié)合GPS位置信號(hào)及機(jī)組速度信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整排肥軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變量作業(yè)；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的冬小麥變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)，采用近地光譜探測(cè)與模糊PID控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了追肥控制精度90%以上；中農(nóng)機(jī)2BMG- 20型玉米變量免耕播種機(jī)，突破了種肥流量信息實(shí)時(shí)反饋的閉環(huán)控制技術(shù)。而對(duì)于適合我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的小麥種肥同播作業(yè)裝備與過程質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)的集成研究與創(chuàng)新，還相對(duì)缺乏，應(yīng)用示范效應(yīng)不明顯。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)中原地區(qū)冬小麥適度規(guī)模種植種肥同播作業(yè)特點(diǎn)，融合車載傳感器、CAN總線傳輸、PIC控制及PC終端等技術(shù)，設(shè)計(jì)冬小麥精量播種施肥機(jī)，旨在實(shí)現(xiàn)小麥種肥同播的同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)種子漏播與肥料堵塞情況，并按定位信息和處方信息的要求進(jìn)行變量施肥。

1 精量播種變量施肥機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2BFJ- 24型精量播種變量施肥機(jī)系統(tǒng)可分為播種(施肥)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、種肥監(jiān)測(cè)與變量控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 2BFJ- 24型小麥精量播種變量施肥機(jī)Fig.1 2BFJ- 24 type variable fertilizer and precision wheat seed sowing machine1.地輪 2.播種開溝圓盤 3.漏播檢測(cè)傳感器 4.排種管 5.種箱 6.霍爾測(cè)速傳感器 7.排種軸 8.限深輪 9.堵塞檢測(cè)傳感器 10.排肥管 11.肥箱壓力傳感器 12.缺肥檢測(cè)傳感器 13.伺服電機(jī) 14.排肥軸 15.肥箱 16.施肥質(zhì)量控制器17.GPS模塊 18.車載計(jì)算機(jī)

2BFJ- 24型精量播種變量施肥機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)由種箱、肥料箱、缺肥檢測(cè)傳感器、槽輪式排種(肥)器、伺服電機(jī)、肥箱壓力傳感器、排種(肥)管、種子漏播檢測(cè)傳感器、肥料堵塞檢測(cè)傳感器、限深輪、地輪等組成，如圖1所示。整機(jī)采用“2+2”對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即由兩組播種和施肥單元組成，在機(jī)組前進(jìn)方向施肥單元在前、播種單元在后，種箱和肥箱平行排列，高度相同、間距40 cm，落種和落肥位置相距約95 cm，結(jié)構(gòu)緊湊、利于整機(jī)傳動(dòng)布局；在垂直機(jī)組前進(jìn)方向兩組播種和施肥單元對(duì)稱分布，左右兩側(cè)各有1個(gè)種箱和肥箱，每個(gè)種箱下設(shè)有12個(gè)排種口，12個(gè)排種槽輪通過一根排種軸帶動(dòng)，動(dòng)力由獨(dú)立的鋼制籠式地輪(土壤附著力大，減少打滑)提供；每個(gè)肥箱下設(shè)有6個(gè)排肥口，6個(gè)排肥槽輪通過1根六邊形施肥傳動(dòng)軸帶動(dòng)，傳動(dòng)軸與伺服電機(jī)連接，采用三菱HC- SFS52K型伺服電機(jī)，額定功率(額定轉(zhuǎn)速)500 W(3 500 r/min)，額定扭矩1.35 N·m；參考文獻(xiàn)[12]，施肥傳動(dòng)軸正常排肥需提供大于36 N·m扭矩，因此在伺服電機(jī)輸出端連接速比為1∶40的減速機(jī)。在垂直機(jī)組前進(jìn)方向落種位置間距15 cm，落種與落肥位置間距7.5 cm，播種深度3～5 cm可調(diào)，施肥深度8～10 cm可調(diào)(圖2)；整機(jī)24行播種與12行施肥，作業(yè)幅寬約3.5 m，滿足適度規(guī)模作業(yè)冬小麥分層種肥同播農(nóng)藝要求，防止燒苗。將AC220V交流電由XNT- 1000W逆變器將拖拉機(jī)電能轉(zhuǎn)換獲取整機(jī)電力；用于種肥播施深度控制的限深輪位于機(jī)器兩側(cè)，由獨(dú)立的液壓系統(tǒng)控制與拖拉機(jī)后置液壓裝置對(duì)接。

圖2 機(jī)器落種落肥示意圖Fig.2 Sketch of wheat seed and fertilizer particle seeding

圖3 精量播種變量施肥機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of variable fertilizer and precision wheat seed sowing machine system

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖3是精量播種變量施肥機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)主要由施肥(播種)執(zhí)行部件、傳感器模塊、控制器模塊、GPS模塊及車載計(jì)算機(jī)終端組成。傳感器模塊包括種子漏播檢測(cè)傳感器、肥料堵塞檢測(cè)傳感器、測(cè)速傳感器、肥箱壓力檢測(cè)傳感器及缺肥檢測(cè)傳感器；其中，兩組播種單元(每組12行)在排種管上端30 mm處以間隔2行各布置6個(gè)漏播檢測(cè)傳感器(小麥排種口間距較小為12 cm，近似認(rèn)為兩相臨排種口狀態(tài)相同)，兩組施肥單元(每組6行)在每個(gè)排肥管下端口都布置肥料堵塞檢測(cè)傳感器，1個(gè)霍爾測(cè)速傳感器固定在1個(gè)種箱外側(cè)用于測(cè)量地輪與排種軸間的萬向傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，2個(gè)肥箱的外側(cè)下端各支撐2個(gè)BK- 2E型壓力傳感器(量程200 kg)，各肥箱的內(nèi)側(cè)通過兩個(gè)連接點(diǎn)直接固定于機(jī)架上，連接點(diǎn)位置與壓力傳感器安裝點(diǎn)呈對(duì)稱分布，此時(shí)每個(gè)肥箱的4個(gè)連接點(diǎn)受力基本一致，則肥箱質(zhì)量為

m=2k(V1+V2)

(1)

式中m——肥箱質(zhì)量，kg

k——傳感器輸出電壓- 質(zhì)量比例系數(shù)，kg/mV

V1——肥箱壓力傳感器1輸出信號(hào)，mV

V2——肥箱壓力傳感器2輸出信號(hào)，mV

根據(jù)箱內(nèi)肥料質(zhì)量變化，可由控制系統(tǒng)指導(dǎo)施肥作業(yè)；2個(gè)肥箱底部距排肥口30 mm處，均布置有一個(gè)電容式缺肥檢測(cè)傳感器?？刂破髂K包括2個(gè)播種質(zhì)量控制器(兩組播種單元各1個(gè))和1個(gè)施肥質(zhì)量控制器，分別用于采集處理種子漏播、肥料堵塞與變量施肥數(shù)據(jù)信息。

該系統(tǒng)各模塊通過CAN總線連接，并根據(jù)預(yù)先制定的通訊協(xié)議協(xié)調(diào)工作，傳感器模塊將種子漏播、肥料堵塞、地輪速度、肥箱質(zhì)量及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等電壓檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)控制器模塊整形放大、濾波降噪及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)杰囕d計(jì)算機(jī)；車載計(jì)算機(jī)融合相關(guān)信息和決策算法，為變量施肥提供控制策略與指令，并顯示漏播和堵塞報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)精量播種和變量施肥目的。

2 種肥監(jiān)測(cè)與變量控制技術(shù)

2.1 種子漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

種子漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由光電傳感器、播種質(zhì)量控制器、車載計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端等組成，在小麥播種過程中具有漏播監(jiān)測(cè)與聲光報(bào)警功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。兩組播種單元中各6個(gè)光電傳感器的檢測(cè)信號(hào)分別經(jīng)2個(gè)播種質(zhì)量控制器由CAN總線傳輸至車載計(jì)算機(jī)。

圖4 種子漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of seed leakage monitoring system

2.1.1漏播檢測(cè)傳感器

(1)檢測(cè)原理

種子漏播檢測(cè)是基于光電檢測(cè)原理，將種子下落信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后獲取漏播信息。具體實(shí)施：在排種管壁采用對(duì)射式紅外光電傳感器，一側(cè)為紅外發(fā)射端，另一側(cè)為信號(hào)接收端，接收端采用RC電路[20]；當(dāng)有種子通過排種管時(shí)，發(fā)射端發(fā)出的紅外信號(hào)受到種子遮擋，接收端輸出電壓增大；通過對(duì)接收端電壓信號(hào)的采集與處理，來實(shí)現(xiàn)播種狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

漏播檢測(cè)傳感器采用對(duì)射式結(jié)構(gòu)，主要由紅外發(fā)射端、信號(hào)接收端、數(shù)據(jù)線及電源線等組成，結(jié)構(gòu)如圖5a所示。傳感器安裝前在排種管上端距排種口30 mm處相對(duì)開孔(圖5c)，將發(fā)射端和接收端置于孔內(nèi)并對(duì)齊，殼體露于排種管外壁，外側(cè)再由固定帶緊固；避免了灰塵、泥土對(duì)信號(hào)傳遞的影響。

圖5 種子漏播檢測(cè)傳感器及安裝示意圖Fig.5 Diagrams of seed leakage detection sensor and installation1.信號(hào)接收端 2.電源線 3.紅外發(fā)射端 4.數(shù)據(jù)線 5.開孔 6.緊固帶

2.1.2播種質(zhì)量控制器

播種質(zhì)量控制器的主要功能是采集傳感器檢測(cè)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)整形、濾波放大與數(shù)模轉(zhuǎn)換。本文采用美國(guó)微芯科技的PIC16F1779單片機(jī)，具有4個(gè)捕捉/比較/脈寬調(diào)制模塊、3個(gè)增強(qiáng)型捕捉/比較/脈寬調(diào)制模塊、1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊和ECAN模塊等。利用其信號(hào)捕捉模式，可捕捉種子通過傳感器檢測(cè)區(qū)域的脈沖信號(hào)，進(jìn)行放大與A/D處理，從而實(shí)現(xiàn)6路播種信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)檢測(cè)小麥種子通過排種管時(shí)產(chǎn)生的脈沖寬度為0.8～6 ms，信號(hào)捕捉處理分辨率滿足該機(jī)播種速率要求。數(shù)據(jù)傳輸采用CAN總線接口，由協(xié)議模塊完成數(shù)據(jù)處理并通過總線將數(shù)據(jù)傳至車載計(jì)算機(jī)。

2.1.3車載計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端(播種部分)

車載計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端對(duì)播種部分主要完成數(shù)據(jù)的解算、漏播評(píng)判、顯示與聲光報(bào)警等功能。車載計(jì)算機(jī)集成有顯示屏、聲光報(bào)警驅(qū)動(dòng)、多路漏播報(bào)警指示燈及測(cè)速傳感數(shù)據(jù)，可對(duì)多路排種管漏播情況進(jìn)行高亮顯示和聲音報(bào)警；當(dāng)無測(cè)速傳感數(shù)據(jù)時(shí)，使報(bào)警系統(tǒng)停止，避免停機(jī)頻繁報(bào)警。

2.2 肥料堵塞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

肥料堵塞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由電容傳感器、施肥質(zhì)量控制器、車載計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端等組成，在施肥過程中具有肥料堵塞監(jiān)測(cè)與聲光報(bào)警功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。12個(gè)電容傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)施肥質(zhì)量控制器由CAN總線傳輸至車載計(jì)算機(jī)。

圖6 肥料堵塞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure diagram of fertilizer blockage monitoring system

2.2.1堵塞檢測(cè)傳感器

(1)檢測(cè)原理

當(dāng)前臨床中治療腦膠質(zhì)瘤的方式主要是手術(shù),也是治療該疾病的首選方式。開放式手術(shù)需要進(jìn)行開顱操作,手術(shù)時(shí)受到多方面因素的影響,創(chuàng)口大,容易導(dǎo)致術(shù)后細(xì)菌感染,所以開放式手術(shù)在治療的時(shí)候無法獲得預(yù)期的效果[1]?，F(xiàn)在臨床中的醫(yī)療手段不斷優(yōu)化,微創(chuàng)手術(shù)在手術(shù)治療中有著非常好的效果,臨床中得到了廣泛的應(yīng)用。此次我院就微創(chuàng)手術(shù)和傳統(tǒng)開放手術(shù)效果進(jìn)行了對(duì)比分析,現(xiàn)有以下報(bào)道。

肥料堵塞檢測(cè)是基于變介電常數(shù)電容檢測(cè)原理，將肥料顆粒堆積所引起的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后獲取堵塞信息。具體實(shí)施：在排肥管末端采用貼片式電容傳感器，調(diào)節(jié)閾值使其高于肥料顆粒正常通過排肥管時(shí)信號(hào)強(qiáng)度；當(dāng)發(fā)生肥料堵塞時(shí)，傳感器內(nèi)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)有較大變化導(dǎo)致電容量變化，通過測(cè)量電路可將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。電容決定公式為

(2)

式中ε0——真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m

ε1——電容極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m

S——兩電容極板正對(duì)面積，mm2

d——兩電容極板間距離，mm

(2) 傳感器結(jié)構(gòu)及安裝

肥料堵塞檢測(cè)傳感器由絕緣筒、上下兩電容極板、測(cè)量電路板、信號(hào)線、電源線及殼體等組成，結(jié)構(gòu)如圖7a所示。傳感器絕緣筒(外徑40 mm,內(nèi)徑36 mm)上端口與排肥管下端口對(duì)接，上下兩電容極板(薄銅片)對(duì)稱環(huán)繞絕緣筒外壁，由殼體將信號(hào)線、測(cè)量電路板及電容極板封裝于絕緣筒上端口以下50 mm部位，避免泥灰干擾；殼體下端口對(duì)應(yīng)兩開溝圓盤正上方，便于準(zhǔn)確落肥。

圖7 肥料堵塞檢測(cè)傳感器Fig.7 Installation of fertilizer blockage monitoring sensor1.絕緣筒 2.電容極板 3.測(cè)量電路板 4.信號(hào)線 5.殼體

2.2.2施肥質(zhì)量控制器(肥料堵塞部分)

施肥質(zhì)量控制器對(duì)肥料堵塞部分主要功能是將電容傳感器檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行整形、降噪、放大與D/A轉(zhuǎn)換，并由總線協(xié)議模塊對(duì)接CAN總線輸出?？刂破骶唧w結(jié)構(gòu)與模塊功能見2.3.1節(jié)，拓展了12個(gè)PWM通道并集成AD7746轉(zhuǎn)換模塊，用于捕捉傳感器檢測(cè)區(qū)域脈沖信號(hào)，進(jìn)行濾波放大與A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)12路落肥信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2.3車載計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端(肥料堵塞部分)

車載計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端對(duì)肥料堵塞部分主要完成數(shù)據(jù)解算、堵塞評(píng)判、顯示與聲光報(bào)警等功能。車載計(jì)算機(jī)集成有屏顯、聲光報(bào)警驅(qū)動(dòng)、多路堵塞報(bào)警指示燈，可實(shí)現(xiàn)多路排肥管肥料堵塞情況的實(shí)時(shí)聲音報(bào)警與顯示。

2.3 變量施肥控制系統(tǒng)

變量施肥控制系統(tǒng)是該機(jī)的核心部分，主要由測(cè)速傳感器、缺肥檢測(cè)傳感器、肥箱壓力傳感器、排肥伺服電機(jī)、施肥質(zhì)量控制器和車載計(jì)算機(jī)終端等組成，完成車載傳感器信號(hào)采集、施肥作業(yè)控制及工況數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)。變量施肥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖8所示，由施肥質(zhì)量控制器采集測(cè)速傳感器及兩組排肥單元的缺肥(采用電容式接近開關(guān)檢測(cè))和肥箱壓力傳感器信號(hào)，經(jīng)放大、降噪處理與A/D轉(zhuǎn)換后，通過CAN總線傳輸至車載計(jì)算機(jī)；車載計(jì)算機(jī)根據(jù)信息反饋結(jié)合GPS位置與處方圖，通過PID控制算法，生成施肥策略，并向施肥質(zhì)量控制器實(shí)時(shí)發(fā)送施肥指令；控制器通過D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬控制信號(hào)，對(duì)兩組排肥伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量施肥目的。

圖8 變量施肥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Structure diagram of variable fertilizer control system

圖9 施肥質(zhì)量控制器Fig.9 Controller of fertilizer quality1.電源 2.PIC單片機(jī) 3.數(shù)據(jù)線 4.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

2.3.1施肥質(zhì)量控制器

施肥質(zhì)量控制器有變量施肥信息處理和肥料堵塞信息處理兩大功能，對(duì)于變量施肥主要完成肥箱壓力傳感器、測(cè)速傳感器和排肥伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速信息的采集，并通過CAN總線與車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，根據(jù)計(jì)算機(jī)指令來控制電機(jī)工作，實(shí)物如圖9所示。控制器芯片采用美國(guó)微芯科技的PIC18F2580單片機(jī)，具有SPI、USART、AD及ECAN等外圍模塊，通過SPI總線與16位無丟失代碼轉(zhuǎn)換模塊AD7706(0.003%非線性)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換；整個(gè)控制器由單片機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)模塊串聯(lián)組成，與車載計(jì)算機(jī)之間采用CAN總線組網(wǎng)連接，具有布線簡(jiǎn)單、通訊可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.2測(cè)速傳感器

測(cè)速傳感器利用霍爾原理，通過檢測(cè)地輪與排種軸之間萬向傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器前進(jìn)速度檢測(cè)與排種動(dòng)力情況監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖10所示。采用霍爾式測(cè)速傳感器，固定于一個(gè)排種箱外側(cè)，在萬向傳動(dòng)軸上安裝磁鐵，傳感器前端正對(duì)磁鐵、間距5 mm。當(dāng)?shù)剌嗈D(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)萬向傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵接近傳感器便產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過霍爾器件電路輸出至施肥質(zhì)量控制器，進(jìn)行計(jì)數(shù)存儲(chǔ)。地輪線速度vD為

vD=2πriN/T

(3)

式中r——地輪半徑，m

i——地輪與萬向傳動(dòng)軸的傳動(dòng)比

N——脈沖個(gè)數(shù)

T——計(jì)時(shí)周期，s

考慮到地輪打滑，測(cè)速數(shù)據(jù)演算實(shí)際車速時(shí)，vC=δvD，δ為滑移系數(shù)，本文取δ=0.95。

圖10 測(cè)速傳感器安裝圖Fig.10 Installation diagram of velocity sensor1.種箱 2.萬向軸 3.霍爾測(cè)速傳感器 4.磁鐵

2.3.3車載計(jì)算機(jī)終端

車載計(jì)算機(jī)是針對(duì)2BFJ- 24型精量播種變量施肥機(jī)設(shè)計(jì)的一款集成工控與顯示的多功能PC一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)種子漏播、肥料堵塞的判定與報(bào)警，以及變量施肥決策功能。圖11為研制的車載計(jì)算機(jī)，具備人機(jī)交互接口，可進(jìn)行作業(yè)參數(shù)設(shè)置與串口連接，顯示作業(yè)處方圖、排肥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、作業(yè)面積、種子漏播與肥料堵塞等信息，負(fù)責(zé)變量施肥控制策略的輸出，存儲(chǔ)相關(guān)作業(yè)過程數(shù)據(jù)。車載計(jì)算機(jī)集成了高精度GPS定位模塊，可獲得當(dāng)前機(jī)器的位置信息；集成武漢吉陽光電GY8507 USB- CAN通訊模塊，具有00RLT8111C 10/100/1000Mb/s網(wǎng)絡(luò)接口、RS232/485和USB2.0等多設(shè)備接口，方便與播種質(zhì)量控制器和施肥質(zhì)量控制器進(jìn)行組網(wǎng)連接。車載計(jì)算機(jī)采用VI- PAD1000型工業(yè)觸摸屏、工業(yè)固態(tài)硬盤，屏顯豐富、操作便捷。

圖11 車載計(jì)算機(jī)Fig.11 Truck-mounted computer

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精量播種變量施肥系統(tǒng)軟件包括傳感器數(shù)據(jù)采集顯示、機(jī)器位置信息解算、漏播顯示、堵塞顯示、處方圖數(shù)據(jù)加載、變量施肥決策、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及串口設(shè)置等模塊功能。機(jī)器位置信息是通過GPS模塊提供的NEMA0183協(xié)議信息，解算出機(jī)器當(dāng)前的位置坐標(biāo)；數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)種子和肥料流量、機(jī)器前進(jìn)速度、排肥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、GPS等傳感器信息的采集。變量施肥決策系統(tǒng)根據(jù)施肥處方圖結(jié)合當(dāng)前機(jī)器位置信息，生成施肥決策，實(shí)時(shí)將施肥控制信息發(fā)送至施肥質(zhì)量控制器，實(shí)現(xiàn)變量按需施肥。種子漏播、肥料堵塞及變量施肥作業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，車載計(jì)算機(jī)控制軟件程序由Visual Basic 6.0語言編寫，操作界面如圖12所示。

圖12 軟件操作界面Fig.12 Software operation interface

上位機(jī)系統(tǒng)軟件通過調(diào)用GY8507模塊提供的USBCAN庫文件中的CAN操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集與顯示。為提高傳感器及定位信息采集的準(zhǔn)確性，采用滑動(dòng)中值濾波算法對(duì)采集的信息進(jìn)行預(yù)處理，盡可能消除現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

圖13 軟件系統(tǒng)程序流程Fig.13 Program flow diagram of software system

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化配置，包括CAN總線通信速率及模式設(shè)置、GPS接收串口參數(shù)設(shè)置以及施肥量作業(yè)參數(shù)設(shè)置等，并進(jìn)行處方圖加載；之后啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收定時(shí)器，通過CAN總線接收稱量傳感器、肥料堵塞傳感器、漏播檢測(cè)傳感器及前進(jìn)速度傳感器信息并進(jìn)行處理，完成堵塞漏播報(bào)警，同時(shí)獲取肥箱質(zhì)量反饋信息及作業(yè)速度；另外系統(tǒng)通過調(diào)用MSCOMM控件中斷函數(shù)獲取GPS定位信息，結(jié)合處方圖進(jìn)行位置匹配，得到作業(yè)點(diǎn)處的期望施肥量；系統(tǒng)根據(jù)期望施肥量、前進(jìn)速度、肥箱質(zhì)量、施肥作業(yè)幅寬等進(jìn)行控制決策，得到期望排肥轉(zhuǎn)速，并通過CAN總線發(fā)送給施肥質(zhì)量控制器，調(diào)整排肥軸轉(zhuǎn)速，完成施肥量在線調(diào)整。軟件程序流程如圖13所示。

4 田間試驗(yàn)

為了對(duì)2BFJ- 24型小麥精量播種變量施肥機(jī)的種肥監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性及變量施肥可靠性進(jìn)行檢測(cè)，2017年10月在洛陽市伊濱區(qū)農(nóng)場(chǎng)由東方紅RD- 1504F型拖拉機(jī)牽引進(jìn)行了田間作業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示。試驗(yàn)地塊面積選取5 hm2，試驗(yàn)種子為科農(nóng)199小麥種子，肥料采用史丹利三安“18- 18- 18”復(fù)合肥；事先人工采集試驗(yàn)地土樣，獲取該地塊養(yǎng)分信息，再按照施肥指導(dǎo)量生成處方圖，加載于車載計(jì)算機(jī)；試驗(yàn)中機(jī)器常規(guī)作業(yè)速度5 km/h，單輪試驗(yàn)取試驗(yàn)地塊2次往返距離，試驗(yàn)距離600 m，完成整機(jī)種子漏播率監(jiān)測(cè)、排肥管堵塞及變量施肥精度等試驗(yàn)。

圖14 2BFJ- 24型小麥精量播種變量施肥機(jī)田間試驗(yàn)Fig.14 Field experiment of 2BFJ- 24 type machine

4.1 漏播監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)

漏播監(jiān)測(cè)試驗(yàn)采取人為制造漏播故障的方式進(jìn)行，當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到設(shè)定值后，啟動(dòng)漏播監(jiān)控系統(tǒng)，記錄車載機(jī)算機(jī)顯示的漏播報(bào)警次數(shù)，并采用人工查看播種帶，統(tǒng)計(jì)播種作業(yè)實(shí)際斷條情況，記錄實(shí)際漏播次數(shù)，為驗(yàn)證作業(yè)速度對(duì)漏播檢測(cè)的影響，設(shè)定作業(yè)速度分別為5 km/h和7 km/h。每個(gè)速度條件下重復(fù)試驗(yàn)5次，各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。從表中可以看出，在兩種作業(yè)速度條件下該機(jī)漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)種子漏播率監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差均小于9%，準(zhǔn)確率達(dá)91%以上，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，作業(yè)速度對(duì)漏播檢測(cè)精度無明顯影響。檢查實(shí)際下種情況發(fā)現(xiàn)，漏播未報(bào)警是因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間小于報(bào)警延遲時(shí)間設(shè)置，可通過多次檢測(cè)標(biāo)定調(diào)整合適延時(shí)設(shè)置。

4.2 肥料堵塞報(bào)警試驗(yàn)

肥料堵塞報(bào)警試驗(yàn)采取人工干預(yù)落肥口堵塞的方式進(jìn)行，在機(jī)組各部件正常運(yùn)行情況下，啟動(dòng)肥料堵塞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，記錄車載機(jī)算機(jī)顯示的堵塞報(bào)警次數(shù)及傳感器指示燈亮起次數(shù)，并統(tǒng)計(jì)人工干預(yù)堵塞次數(shù)。重復(fù)試驗(yàn)8次，各次試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表中可以看出，堵塞報(bào)警準(zhǔn)確率達(dá)98%以上，誤報(bào)的主要來源是漏報(bào)，可通過調(diào)節(jié)介質(zhì)型電容傳感器的閾值來減少漏報(bào)情況。

表1 種子漏播率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of seedmissing rate

表2 肥料堵塞報(bào)警試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of fertilizer blockage monitoring

4.3 變量施肥精度試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)域隨機(jī)選擇，實(shí)際施肥質(zhì)量采用塑料袋接取稱量方式獲得。進(jìn)行6組試驗(yàn)，分別記錄車載計(jì)算機(jī)顯示的理論施肥量、施肥面積、目標(biāo)施肥質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并記錄實(shí)際施肥質(zhì)量，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。由表3可知，變量施肥系統(tǒng)控制誤差小于4%，準(zhǔn)確率超過96%，滿足精準(zhǔn)施肥要求。經(jīng)農(nóng)場(chǎng)科技人員測(cè)算，使用該機(jī)進(jìn)行播種施肥作業(yè)，相對(duì)于傳統(tǒng)播施作業(yè)，每公頃地節(jié)約化肥近20 kg，降低成本約70元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 變量施肥田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experiment results of automatic conveying forvegetable potted seedlings

5 結(jié)論

(1)集成車載傳感器、CAN總線傳輸、PIC控制及PC終端等技術(shù)，設(shè)計(jì)了2BFJ- 24型冬小麥精量播種變量施肥機(jī)，該機(jī)主要由槽輪式排種排肥機(jī)構(gòu)、漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、堵塞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變量施肥控制系統(tǒng)及車載計(jì)算機(jī)終端組成，整機(jī)作業(yè)幅寬3.2 m，可實(shí)現(xiàn)24行播種與12行施肥同步作業(yè)，并具備種子漏播、肥料堵塞實(shí)時(shí)聲光報(bào)警與按需變量施肥功能。

(2)基于光電檢測(cè)與介質(zhì)型電容傳感技術(shù)，分別將對(duì)射式紅外傳感器、變介電常數(shù)電容傳感器元件封裝于排種管上端內(nèi)與排肥管下端口，可實(shí)現(xiàn)種、肥流量信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且防塵擋泥；變量施肥采用施肥質(zhì)量控制器采集肥箱壓力傳感器獲取的肥料質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，解算出實(shí)際施肥量和肥料流量(作為反饋量)，并結(jié)合地塊處方圖和機(jī)器GPS定位信息確定目標(biāo)施肥量，以速度控制方式驅(qū)動(dòng)排肥伺服電機(jī)，構(gòu)成閉環(huán)反饋PID控制系統(tǒng)，具有較好的魯棒性。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)種子漏播率監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差小于9%，肥料堵塞報(bào)警準(zhǔn)確率超過98%，變量施肥控制精度達(dá)96%以上，能夠?qū)Χ←湶シN施肥過程的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)與控制，降低了生產(chǎn)成本。

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