趙 斌，陳 金，衣淑娟，趙 雪，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)

氣吸式播種機(jī)自動配比施肥控制系統(tǒng)的研究

趙 斌，陳 金，衣淑娟，趙 雪，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)

為了解決傳統(tǒng)粗放施肥化肥用量大、人工配比混肥費時費力及生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，設(shè)計了一種可根據(jù)土壤肥力自動配比的2行變量施肥控制系統(tǒng)。肥箱設(shè)計為一體三箱室結(jié)構(gòu)，每一個箱室裝一種肥料并在箱室底部安裝電動排肥器，通過2個下位機(jī)控制器控制6個排肥器來實現(xiàn)2行、3種肥料的在線自動配比施肥。系統(tǒng)采用安裝在地輪上的編碼器反饋機(jī)車速度信息，通過無線通信模塊將速度信息傳給上位機(jī)，上位機(jī)結(jié)合施肥參數(shù)處理后傳給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)機(jī)車速度實時調(diào)整排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速而控制施肥量。試驗結(jié)果表明：該機(jī)施肥控制精度在90%以上，可滿足按需配比變量施肥的要求。

播種機(jī)；施肥；自動配比；控制系統(tǒng)

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得的巨大成就很大程度上得益于增施化肥和施肥技術(shù)的發(fā)展[1]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，我國化肥總產(chǎn)量占世界的16.6%,總產(chǎn)量僅次于美國,居世界第2位，總施用量占世界的27.5%,居世界第1位[2-3]。傳統(tǒng)的粗放施肥不僅導(dǎo)致化肥大量浪費帶來重大經(jīng)濟(jì)損失，同時還造成土壤養(yǎng)分比例失調(diào)、農(nóng)作物有害物質(zhì)超標(biāo)、品質(zhì)下降，影響人們的身體健康[4-5]。土壤中殘留的化肥會以吸附、隨水徑流、反硝化等方式污染地下水源及大氣，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境。

變量施肥在國外已有較多的研究和應(yīng)用，如美國約翰迪爾公司氣吹式種肥車、日本TABAT公司的顆粒肥變量施肥機(jī)及法國 KUHN公司的ProTwin8150側(cè)式撒肥機(jī)等[6]。國內(nèi)中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)等也開展了相關(guān)研究[7-9]，但是變量施肥技術(shù)仍落后于國外，未能實現(xiàn)大范圍的推廣應(yīng)用，施肥時通常需要人工將不同肥料按照一定配比混合，然后進(jìn)行田間作業(yè)，費時費力,且多數(shù)系統(tǒng)采用有線通信的方式，不僅會增加安裝難度，作業(yè)時也容易造成線路損傷。針對以上問題，設(shè)計了一種可根據(jù)土壤肥力配比的2行播種機(jī)變量施肥自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用地輪上的編碼器采集機(jī)車速度，通過無線通信模塊將機(jī)車速度傳給上位機(jī)，上位機(jī)處理后通過無線通信模塊將速度傳給下位機(jī)，下位機(jī)結(jié)合機(jī)車速度實時調(diào)整排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速而達(dá)到在線自動配比施肥的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

氣吸式播種機(jī)自動配比施肥控制系統(tǒng)由電源裝置、上位機(jī)、下位機(jī)控制器、速度采集裝置、無線通信模塊及編碼器等組成，肥箱設(shè)計為一體三箱室的結(jié)構(gòu)，以外槽輪式排肥器作為排肥機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Global structure

電源為控制系統(tǒng)和排肥裝置提供電能，速度采集裝置利用地輪上的編碼器獲取機(jī)車速度。上位機(jī)完成施肥作業(yè)過程中參數(shù)的設(shè)定及信息的采集、顯示和儲存，并將用戶設(shè)定的參數(shù)(如畝施肥量、周施肥量、機(jī)車速度，以及氮肥、磷肥、鉀肥的配比信息)傳給2個下位機(jī)控制器。利用自動控制技術(shù)與傳感器技術(shù)，研制出下位機(jī)控制器。電動排肥器采用直流電機(jī)驅(qū)動排肥槽輪的方式進(jìn)行工作，通過在外槽輪排肥器上安裝編碼器，實時測量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋調(diào)節(jié)。

速度采集裝置實時獲取機(jī)車作業(yè)速度，并通過無線通信模塊將機(jī)車速度信息發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)結(jié)合施肥參數(shù)處理后通過無線通信模塊發(fā)給下位機(jī)，下位機(jī)控制器根據(jù)機(jī)車速度實時調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速而控制施肥量。肥箱設(shè)計為一體三箱室的結(jié)構(gòu)，每一個箱室裝一種肥料并在箱室底部安裝電動排肥器，通過2個下位機(jī)控制器控制6個排肥器而實現(xiàn)2行、3種肥料的在線自動配比施肥。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)利用C#語言與SQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)了電動播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可完成施肥作業(yè)參數(shù)的設(shè)置、作業(yè)數(shù)據(jù)的顯示、存儲和查詢，以及向下位機(jī)控制器發(fā)送指令和接收地輪速度信息，系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of host computer system

界面右側(cè)“開始”按鈕控制著整個系統(tǒng)的啟動與停止；通過設(shè)置按鈕可對系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)參數(shù)的設(shè)定；系統(tǒng)自動顯示氮、磷、鉀施肥量及施肥總量并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可對每行作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；界面下方有8個按鈕為單行啟動控制按鈕，可根據(jù)田間作業(yè)實際情況對2行播種施肥分別進(jìn)行單獨控制；界面右下方可實時顯示日期、時間和星期，方便用戶對作業(yè)時間的查詢；上位機(jī)通過無線通信模塊與下位機(jī)控制器和機(jī)車速度采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少了布線，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2．2 下位機(jī)設(shè)計

下位機(jī)以單片機(jī)為中央處理芯片，通過無線通信模塊接收上位機(jī)設(shè)置的不同肥料的比例、畝施肥量及周施肥量等數(shù)據(jù)，并將設(shè)定的施肥參數(shù)和機(jī)車速度進(jìn)行綜合運算，得出控制排肥槽輪轉(zhuǎn)速的控制脈沖，以直流電機(jī)為執(zhí)行原件,由直流電機(jī)帶動排肥槽輪轉(zhuǎn)動。通過2個下位機(jī)控制器分別控制3臺直流電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到變量施肥的目的。單個下位機(jī)控制原理如圖3所示。

圖3 下位機(jī)控制原理Fig.3 Lower machine control principle

施肥參數(shù)、機(jī)車速度通過上位機(jī)處理后傳給下位機(jī)，單片機(jī)結(jié)合施肥參數(shù)和機(jī)車速度，基于PID算法調(diào)節(jié)PWM，不斷調(diào)整脈沖信號占空比來對直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，通過編碼器實時測量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋調(diào)節(jié)。

2．3 速度采集裝置

由于播種機(jī)采用電機(jī)控制排肥器，為保證作業(yè)質(zhì)量，應(yīng)保證電機(jī)轉(zhuǎn)速與機(jī)車作業(yè)速度的跟隨性，因此需要對機(jī)車作業(yè)速度進(jìn)行實時獲取。傳感器位于整個系統(tǒng)的前端，是實現(xiàn)自動檢測和控制的重要環(huán)節(jié)，傳感器的性能對整個系統(tǒng)的性能具有重要影響。常用的測速傳感器主要有光電式傳感器、電磁式傳感器、霍爾傳感器、編碼器4種類型，這4種測速傳感器雖各具優(yōu)點，但具有一定的局限性，容易受田間環(huán)境、自身頻率、安裝位置的影響和限制。因此，系統(tǒng)選擇編碼器作為機(jī)車速度采集器件，因其具有測量精度高、響應(yīng)迅速的特點。編碼器安裝在機(jī)車的地輪上，微處理器通過在測量時間內(nèi)采集的編碼器脈沖數(shù)與地輪的尺寸計算出機(jī)車的作業(yè)速度，速度采集裝置通過無線通信模塊將速度信息發(fā)送給上位機(jī)。

2.4 肥箱設(shè)計

肥箱設(shè)計為一體三箱室的結(jié)構(gòu)，每一個箱室裝一種肥料，可用于氮、磷、鉀等多種肥料的在線配比。肥箱的3個箱室之間由V型隔板分開，提高了顆粒肥料的流凈率和排肥的均勻性，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了實現(xiàn)每次向肥箱內(nèi)投入肥料后能夠使得作業(yè)順利完成，避免多次添加肥料的動作，肥箱設(shè)計分為1:1:2的結(jié)構(gòu)。其中，大箱為主肥箱，兩小箱為輔助肥箱，肥料箱的容量為200kg左右，以氮肥、磷肥、鉀肥為例，測量尿素、過磷酸鈣、顆粒鉀3種肥料的堆密度分別為0.751、0.998、1.134g/cm3。肥料箱體積計算公式為

v=m/ρ

(1)

其中，v為肥料箱體積(m3)；m為肥箱設(shè)計容納肥料質(zhì)量(kg)；ρ為肥料的堆密度(kg/cm3)。由式(1)可以得出肥箱體積約為0.21m3。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)可對作業(yè)參數(shù)、機(jī)械參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具有數(shù)據(jù)實時顯示、查詢及存儲等功能。作業(yè)參數(shù)完成畝施肥量的設(shè)定，機(jī)械參數(shù)完成周施肥量的設(shè)定。系統(tǒng)能實時顯示完成機(jī)車速度、作業(yè)面積、播種機(jī)狀態(tài)和氮肥、磷肥、鉀肥的用量等信息，完成肥料的施用量及施肥總量的查詢，并對作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時存儲。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Flow chart of system work

機(jī)車進(jìn)入田間作業(yè)，用戶根據(jù)土壤肥力設(shè)定施肥參數(shù)；系統(tǒng)接通電源后完成上電自檢及各功能模塊的初始化；當(dāng)準(zhǔn)備就緒時機(jī)車啟動，等待作業(yè)指令，程序也進(jìn)入等待指令狀態(tài)；機(jī)車啟動，地輪轉(zhuǎn)動，地輪速度采集裝置通過無線通信模塊向上位機(jī)發(fā)送速度信息，上位機(jī)將機(jī)車速度、畝施肥量、周施肥量等處理后通過無線通信模塊發(fā)給2個下位機(jī)控制器，下位機(jī)控制器結(jié)合施肥信息驅(qū)動直流電機(jī)進(jìn)行作業(yè)；機(jī)車停止時，速度采集裝置不再向上位機(jī)發(fā)送速度信息，下位機(jī)接收不到上位機(jī)發(fā)送的信息便不再驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動即作業(yè)停止。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定值及機(jī)車速度實時調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，在線自動完成肥料配比，實現(xiàn)2行作業(yè)的變量施肥。

4 系統(tǒng)試驗

4.1 PWM調(diào)速標(biāo)定

為了實現(xiàn)對直流電機(jī)的精準(zhǔn)控制，在實驗室內(nèi)通過反復(fù)調(diào)試的方式對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過程中，計算機(jī)向2個下位機(jī)控制器發(fā)送指令，不斷調(diào)整脈沖信號的占空比，以控制電機(jī)的平均電壓來控制直流電機(jī)帶動排肥槽輪以不同的速度運轉(zhuǎn)。通過安裝在排肥器上的編碼器實時監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速，并反饋給計算機(jī)進(jìn)行實時存儲，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。田間作業(yè)時，預(yù)先設(shè)定好施肥量后，系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)車速度自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)自動配比的精準(zhǔn)變量施肥。選取氮肥(尿素)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)定Fig.5 Motor speed calibration

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM占空比之間的對應(yīng)關(guān)系為R=105.35P-20.78。其中，R為排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，取值范圍為10～80r/min；P為PWM占空比，取值范圍為0.25～0.95。

4.2 田間試驗

考慮到對系統(tǒng)的適用性，選取國內(nèi)農(nóng)戶普遍施用的顆粒肥為試驗材料，以尿素、過磷酸鈣和顆粒鉀對象，于2016年7月在黑龍江省綠色草原牧場2.67hm2砂土地進(jìn)行試驗，配套拖拉機(jī)標(biāo)定功率25.7kW,動力輸出軸轉(zhuǎn)速為720r/min，標(biāo)定工具為電子秤。根據(jù)農(nóng)田施肥經(jīng)驗，設(shè)置氮肥、磷肥、鉀肥的畝施肥量分別為12、7、7kg，按氮肥、磷肥、鉀肥1.7:1:1的比例進(jìn)行自動配比，在排肥管出口處綁系塑料袋，以10m遞增的距離進(jìn)行施肥試驗，并進(jìn)行單獨稱量。N肥(尿素)、P肥(過磷酸鈣)和K肥(顆粒鉀)的試驗數(shù)據(jù)分別如表1～表3所示。

表1 氮肥試驗數(shù)據(jù)

表2 磷肥試驗數(shù)據(jù)

表3 鉀肥試驗數(shù)據(jù)

表1中，行駛距離為10m時，左側(cè)誤差為9.03%，這是由于氮肥(尿素)為圓潤的顆粒狀晶體，自身流動性較大，作業(yè)時機(jī)車的震動加促氮肥的滑落，導(dǎo)致氮肥多施，誤差偏大。表3中，行駛距離為40m時，右側(cè)誤差為8.92%，這是由于鉀肥(顆粒鉀)為不規(guī)則的顆粒狀固體，自身與排肥器摩擦阻力較大且流動性較小，導(dǎo)致作業(yè)時鉀肥少施，誤差偏大。表1～表3數(shù)據(jù)表明：系統(tǒng)左右2行施肥控制精度在90%以上，且氮肥、磷肥、鉀肥的配比為1.7:1:1,滿足按需自動配比的設(shè)計和要求。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種可配比的2行變量施肥智能控制系統(tǒng)，經(jīng)過大量田間試驗，系統(tǒng)可根據(jù)土壤肥力設(shè)定施肥量并在線自動調(diào)節(jié)3種肥料的配比，減小了人工配比混肥的繁復(fù)勞動，提高了化肥利用率，減小了生態(tài)環(huán)境污染。系統(tǒng)控制方式靈活，可實現(xiàn)2行作業(yè)的任意行單獨控制；主從系統(tǒng)間采用無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少了布線，易于安裝和拆卸，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。田間試驗表明：本系統(tǒng)施肥精度控制在90%以上，能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中按需混合配比施肥的要求，對提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平具有重要意義。

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Research on Gas Suction Seeder Automatic Proportioning Fertilization Control System

Zhao Bin， Chen Jin, Yi Shujuan, Zhao Xue, Ge Tianjian

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

In order to solve the traditional extensive fertilizer with large consumption, ratio of artificial mixed fertilizer waste time and energy, serious environmental pollution , design one can according to soil fertility to ratio of 2 rows automatic proportioning fertilization control system. Fertilizer box design for 3 cases of chamber structure, each chamber with a fertilizer and installing two fertilizer seeds at the bottom of the chamber, through two lower machine respectively control 3 fertilizer seeds to achieve 2 rows, 3 kinds of fertilizer on-line automatic proportioning fertilization. The system use the encoder installed on the wheel to feedback locomotive speed ,using wireless communication module to transmit speed to PC, PC combined with fertilization parameters after processing to the lower machine, the lower machine according to the speed of the locomotive to control fertilizer rate.Experimental show that the control accuracy of system is more than 90%, meeting the requirements of on-demand proportion variable fertilization.

seeder; fertilization; automatic proportioning; control system

2016-11-29

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-03)

趙 斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)616283364@qq.com。

陳 金(1992-),男，河南舞陽人，碩士研究生，(E-mail)760153633@qq.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2018)02-0160-05