車守全，盧劍鋒，張富貴 ，曹繼超，李宜汀，王永濤

(1.貴州大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州東峰自動化科技有限公司，貴陽 550025；3.貴州省水利科學(xué)研究院，貴陽 550002)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械田間效(Field Efficiency)概念逐漸在影響農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。貴州省內(nèi)烤煙種植面積大，是當(dāng)?shù)刂匾魑镏?，施肥是其中重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)精準(zhǔn)施肥技術(shù)尚處在發(fā)展階段，明顯落后于國外技術(shù)，技術(shù)成本和推廣成本均較高。

國內(nèi)常用的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場局域網(wǎng)方式為Zig Bee,用于定點數(shù)據(jù)采集。近幾年，國內(nèi)外關(guān)于CAN總線在移動農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用逐步開始，CAN總線方式的數(shù)據(jù)收集和分析方式為農(nóng)機(jī)發(fā)動機(jī)運行、耕種提供穩(wěn)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層支撐[1-3]。CAN總線具有高性能、高可靠性的特點，減少了在農(nóng)業(yè)機(jī)械上分布的傳感器、驅(qū)動器的布線量，且方便將施肥系統(tǒng)嵌入到農(nóng)業(yè)車輛系統(tǒng)中，提高了農(nóng)機(jī)設(shè)備的集成度，降低了整機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)成本[4-5]。

以往的施肥方式多為電機(jī)恒速施肥，而PWM控制步進(jìn)電機(jī)施肥方式能根據(jù)農(nóng)機(jī)運動速度調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。步進(jìn)電機(jī)控制具有穩(wěn)定性高、誤差小及不累積的特點，不受電壓波動和負(fù)載的影響，甚至不需要閉環(huán)控制環(huán)節(jié)[6]，通過設(shè)計PWM控制策略就能實現(xiàn)電機(jī)精準(zhǔn)和平穩(wěn)的工作過程。另一方面，車輛打滑時的施肥精度一直是多雨的貴州高原需要解決的問題。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)的功能設(shè)計要求是：傳感器采集空氣溫度、濕度模擬實時氣象站，GPS采集車輛速度和地理信息，控制施肥電機(jī)驅(qū)動器，從而控制施肥量，保證在速度變化時單位面積土地施肥量一定，同時反饋施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速。信息和控制方式在駕駛艙內(nèi)的上位觸摸屏中顯示和操作。同時，利用GPRS模塊與主控制器通信，將數(shù)據(jù)顯示并存儲到遠(yuǎn)程客戶端。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 The structure of the system

起壟雙料施肥機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.排肥傳動機(jī)構(gòu) 2.變速箱 3.起壟仿形板 4.行走輪 5.旋耕刀片 6.排肥管 7.為排肥舌 8.接肥漏斗 9.施肥槽輪機(jī)構(gòu) 10.為外槽輪 11.雙料箱

2 CAN總線硬件設(shè)計

CAN總線硬件設(shè)計主要分為兩部分：①節(jié)點設(shè)計；②主控制器—CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計。節(jié)點為各個分布傳感器、GPS信號和施肥電機(jī)驅(qū)動器終端，主控制主要負(fù)責(zé)CAN總線上數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動器控制，以及作為網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)觸摸屏的通信。

2.1 總線節(jié)點的設(shè)計

總線節(jié)點主要實現(xiàn)的功能是轉(zhuǎn)換傳感器的模擬信號及解析GPS設(shè)備協(xié)議數(shù)據(jù)幀，并將信息封裝成為符合CAN協(xié)議2.0A的幀形式通過總線發(fā)送到主控制器[7]?？偩€節(jié)點分布如圖3所示。其中，R1、R2為終端電阻，根據(jù)總線性質(zhì)選為120Ω[8]。

圖3 CAN總線示意圖Fig.3 The sketch map of CAN bus

節(jié)點收發(fā)驅(qū)動器選用TJA1050，通過驅(qū)動器上CAN接線端子接入到總線上，如圖4所示。

圖4 CAN總線接口圖Fig.4 The interface of CAN bus

節(jié)點控制器選用STM32f107VCT6，此單片機(jī)帶有3個12位A/DC和2個12為D/AC轉(zhuǎn)換器，不需要再搭建別的外圍IC就可以滿足總線節(jié)點功能需求。其中，CAN_TX/RX連接單片機(jī)的CAN_TX/RX復(fù)用IO口，CAN1、2為節(jié)點接入總線端子。

2.2 CAN網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

CAN網(wǎng)關(guān)主要作用是接收和發(fā)送CAN總線上數(shù)據(jù)幀，及連接上位機(jī)觸摸屏。在總線數(shù)據(jù)收發(fā)功能上用到的驅(qū)動器依舊采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)。同時，除了起到數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能外，CAN網(wǎng)關(guān)的主控制器還需要處理接收到的速度值，最終輸出驅(qū)動器控制信號，保證施肥量在單位面積上的恒定。主控制器采用STM32F407ZGT6。CAN網(wǎng)關(guān)需要和上位機(jī)觸摸屏建立通信，傳輸農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)在觸摸屏顯示、設(shè)定施肥速度等。

3 CAN總線軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收

設(shè)置CAN總線位時序段長就可以設(shè)定CAN總線通信波特率[9]。為保證通信，網(wǎng)關(guān)和節(jié)點的波特率設(shè)置一致。在主控制器STM32中，CAN總線波特率為500kbps。網(wǎng)關(guān)CAN接收數(shù)據(jù)幀的過程如圖5所示。在此過程中，需要定義過濾器，過濾器根據(jù)標(biāo)示符過濾不需要的信號數(shù)據(jù)，本文使用濾波器0并將其與FIFO0關(guān)聯(lián)。

溫濕度傳感器及GPS發(fā)送函數(shù)標(biāo)識符ID設(shè)置為0xF110，GPS ID設(shè)置為0xF100，GPS節(jié)點在總線上傳輸優(yōu)先級更高。主控制器ID為0xF0F0，施肥機(jī)驅(qū)動器節(jié)點控制器CAN濾波器器標(biāo)識符ID為0xF0F0，模式為32位標(biāo)識符列表，則驅(qū)動器節(jié)點只接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，施肥電機(jī)驅(qū)動器信號優(yōu)先級最高。主控制器接收到CAN總線數(shù)據(jù)時產(chǎn)生1個中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖5 接收數(shù)據(jù)幀過程Fig.5 The process of receiving data frame

主控制器需要識別數(shù)據(jù)來源，在溫度、濕度、速度及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段最高位中分別加入字符T、H、S、N作為標(biāo)示符。

3.2 田間GPS通信

NMEA0183是GPS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，GPS設(shè)備通過USART與GPS節(jié)點控制器通信，控制器解析數(shù)據(jù)之后按上一節(jié)的封裝方法發(fā)送到總線上等待網(wǎng)關(guān)接收GPS模塊，如圖6所示。通過模塊數(shù)據(jù)采集，能夠確定田間作業(yè)位置、農(nóng)機(jī)速度并記錄。GPS數(shù)據(jù)在單片機(jī)上的解析過程如圖8所示。解析$GPGGA指令，得到經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。指令$GPVTG解析過程與之類似，得到速度值，精度0.1km/h。

圖6 GPS數(shù)據(jù)串行通信圖Fig.6 The signal communication of GPS

GPS測速的優(yōu)點在于精度高，能夠記錄地理位置，方便進(jìn)行同一地區(qū)不同作物施肥分區(qū)域設(shè)定；另一方面，相比于編碼器測車輪轉(zhuǎn)速換算車輛速度，GPS測速避免了打滑時車輛物理速度時小于傳感器速度出現(xiàn)過度施肥的情況。

4 施肥系統(tǒng)的自動控制過程

自動施肥系統(tǒng)目的是車輛不同速度下實現(xiàn)施肥量均勻。實現(xiàn)方式是：根據(jù)土地適宜施肥量通過實驗采集了6組速度—施肥機(jī)槽輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)值[11]；根據(jù)車輛速度，在6組典型值中做插值運算得到實時施肥機(jī)轉(zhuǎn)速，由主控制器通過CAN輸出控制值到施肥機(jī)驅(qū)動器節(jié)點，控制施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速；另一方面，轉(zhuǎn)速編碼器將施肥機(jī)轉(zhuǎn)速ADC轉(zhuǎn)換存入寄存器中傳輸?shù)接|摸屏中反饋。

設(shè)時刻t車輛速度采樣值為v，得到施肥槽輪的轉(zhuǎn)速為：n1=kv。其中，k為兩個實驗值間的線性插值比例系數(shù)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n0=εn1，ε為轉(zhuǎn)速比。步進(jìn)電機(jī)具體控制方式為主控制器輸出特定頻率PWM脈沖，經(jīng)過驅(qū)動器隔離放大輸出同頻率驅(qū)動電壓，控制電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。PWM原理如圖7所示。

圖7 PWM示意圖Fig.7 The sketch map of PWM

其表達(dá)式為

其中，T為主控制器產(chǎn)生脈沖的基本周期；N為1個PWM周期內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)；n為1個PWM周期內(nèi)產(chǎn)生的高電平脈沖數(shù)；k為產(chǎn)生的諧波次數(shù)。主控制器設(shè)定PWM表達(dá)式內(nèi)的T、N、n值，就可以得到在PWM周期內(nèi)一定寬度和頻率的高電平脈沖，脈沖寬度保證脈沖能夠被驅(qū)動器識別，脈沖頻率的大小控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM高電平脈沖頻率f為

其中，n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，φ為驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)，θ為步距角。同時，f≤fm,fm為驅(qū)動器最大識別脈沖頻率。

由軸的剛度可得出

M=K(θH-θL)

其中，M為傳動軸扭矩；(θH-θL)為槽輪與電機(jī)轉(zhuǎn)速差；K為乘數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速差大時，傳動軸有較大沖擊。

為了避免在電機(jī)啟動帶動施肥系統(tǒng)運行時加速度大無法啟動，以及速度大幅變化時施肥系統(tǒng)慣性較大與步進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生沖擊，需要設(shè)計PWM產(chǎn)生曲線。采用的方法是：在PWM輸出變化率大于絕對值2kpbs時，高電平波以絕對值500pbs變化率達(dá)到輸入脈沖速度。

5 試驗及分析

按照設(shè)計的功能和控制過程，設(shè)計完成CAN總線局域網(wǎng)絡(luò)施肥系統(tǒng)，車載實驗如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場實驗圖Fig.8 The experiment

試驗在貴州大方烤煙種植園區(qū)進(jìn)行，施肥雙料為NPJ復(fù)合顆粒肥和生物炭有機(jī)肥。根據(jù)試驗得到適宜施肥量對應(yīng)的槽輪轉(zhuǎn)速，計算得到步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，如表1、表2所示。

表1 不同轉(zhuǎn)速下施肥槽輪測定轉(zhuǎn)速Table 1 The rev of sheave with different speed of vehicle

得到施肥偏差表如表2所示。

表2 雙料施肥偏差Table2 The fertilizer error

系統(tǒng)還進(jìn)行了打滑試驗。車輛本身系統(tǒng)檢測方式為通過霍爾傳感器檢測輪速得到車輛行進(jìn)速度，但這個方法對于多雨和多山地的貴州地區(qū)在施肥時會產(chǎn)生較大誤差。系統(tǒng)通過GPS測速作為步進(jìn)電機(jī)控制參考速度。打滑施肥試驗如表3所示。

表3 打滑施肥試驗Table 3 The experiment of skidding test

結(jié)果表明，系統(tǒng)GPS測速對車輛打滑時施肥誤差有很大抑制作用。

根據(jù)采集樣本檢測施肥均勻度過程如下：施肥樣本量為xi,計算施肥均值，即

施肥樣本標(biāo)準(zhǔn)差為

設(shè)定20個5kg復(fù)合肥試驗采樣點，平均施肥量5.28kg，則標(biāo)準(zhǔn)差為0.23kg，變異系數(shù)Cv=0.044，施肥均勻度較好。

CAN總線將傳感器、編碼器數(shù)據(jù)傳輸?shù)今{駛室內(nèi)觸摸屏，駕駛室內(nèi)觸摸屏綁定IO輸入輸出域，顯示傳感器信息及輸出施肥標(biāo)準(zhǔn)量設(shè)定值，并通過GPRS在遠(yuǎn)端存儲，如圖9所示。

圖9 人機(jī)交互Fig.9 The human-computer interaction system

6 結(jié)論

1)CAN總線上數(shù)據(jù)傳輸速率高，穩(wěn)定可靠。節(jié)點和主控制器之間的布線量減少，節(jié)點設(shè)備的添加更方便，主控制器的網(wǎng)關(guān)功能將CAN協(xié)議和主流工業(yè)協(xié)議MODEBUS轉(zhuǎn)換，適配大部分工業(yè)觸摸屏。該系統(tǒng)整機(jī)集成度高，便于嵌入到車輛電子系統(tǒng)，開發(fā)成本較低，具有很高的移植性。

2)系統(tǒng)不僅滿足了自動施肥的需要，而且提高了農(nóng)機(jī)田間效率，施肥均勻。采用的PWM控制配合高性能STM32F4主控制器控制步進(jìn)電機(jī)方式，不需要復(fù)雜的反饋控制方式就能在極短時間內(nèi)計算出與車輛速度匹配的施肥轉(zhuǎn)速，并在啟動、加速度值較大條件下有平穩(wěn)表現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)測速施肥方式，系統(tǒng)有效地解決了車輛打滑時施肥精度和均勻性問題，避免了以往在貴州地區(qū)施肥出現(xiàn)的困擾。

3)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測和存儲為歷史數(shù)據(jù)分析和施肥策略提供了平臺支撐，提供了建立農(nóng)業(yè)作業(yè)數(shù)據(jù)庫的采集終端。