張國忠，趙狀狀，劉浩蓬，韓宇航，查顯濤

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070

施肥是水稻生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，直接影響水稻產(chǎn)量[1］。水稻機械化直播是一種省去育秧管理和秧苗搬運等作業(yè)的輕簡、高效、可持續(xù)發(fā)展種植方式，節(jié)本省工，是提高水稻生產(chǎn)機械化的重要發(fā)展方向[2］。當(dāng)前在水田直播種植過程中，施肥環(huán)節(jié)多采用撒施，肥料施于地表，存在易流失、利用率不高、施量不精準(zhǔn)、污染環(huán)境等問題，為此亟需開展與水稻直播配套的肥料深施以及精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)研究[3-4］。圍繞排肥量精準(zhǔn)測控以實施精準(zhǔn)變量施肥，國內(nèi)外研究者進行了廣泛研究。如吳月[5］設(shè)計了能實現(xiàn)肥管堵塞監(jiān)測和肥箱料位檢測功能的小麥深松分層施肥機監(jiān)控系統(tǒng)。譚星祥[6］設(shè)計了一種測試平臺，可用于變量施肥機排肥口實時排肥量檢測。周利明等[7］設(shè)計了一種基于電容傳感器的播種機種肥監(jiān)測系統(tǒng)，可對管路阻塞、排空等故障狀況進行監(jiān)測和報警，適于田間高塵作業(yè)環(huán)境。余洪鋒等[8］設(shè)計了一種基于皮帶秤的施肥機施肥性能檢測裝置，通過檢測排肥口肥料的實時流量以及皮帶秤的運行速度，在室內(nèi)實現(xiàn)施肥機單位面積實時施肥性能的檢測。查顯濤[9］采用光電傳感器同步測定排肥軸轉(zhuǎn)速與動力輸出軸轉(zhuǎn)速，利用PID 閉環(huán)反饋算法實現(xiàn)排肥軸轉(zhuǎn)速與前進速度實時精確匹配，施肥精度明顯提高。上述研究多集中在排肥管路及排肥口，通過肥料流速、排肥軸轉(zhuǎn)速等間接方式檢測肥料的狀態(tài)及排肥量，而對肥箱內(nèi)肥料的狀態(tài)進行直接監(jiān)測的研究較少。在實際施肥作業(yè)時，肥料由于流動性、振動以及堵塞、排肥軸轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)、測量誤差等原因，會導(dǎo)致通過監(jiān)測排肥管內(nèi)的肥料流動變化、肥箱內(nèi)肥料所處位置以及排肥軸的轉(zhuǎn)速等方式獲取的排肥量存在誤差，影響施肥精度。為此，本研究設(shè)計了一種鉸鏈杠桿式肥箱排肥量監(jiān)測系統(tǒng)，以期為實現(xiàn)排肥量智能調(diào)節(jié)以及提升施肥精度提供新思路。

1 材料與方法

1.1 水稻直播同步側(cè)深施肥機總體方案

設(shè)計的排肥量監(jiān)測系統(tǒng)搭建在自主設(shè)計的水稻直播同步側(cè)深施肥機上（圖1），該機由洋馬（VP6D）動力底盤、雙腔氣力式水稻精量排種器、螺旋排肥器、變量施肥控制系統(tǒng)、開溝系統(tǒng)、氣流管路、動力輸出軸、三點懸掛裝置、仿形浮板等部件構(gòu)成，變量施肥系統(tǒng)安裝于直播機后部仿形浮板支撐架上。該機有5 條施肥通道，每條施肥通道由1 個肥箱和1 個螺旋排肥器組成。各排肥器排肥軸由聯(lián)軸器連接，在電機驅(qū)動下同軸轉(zhuǎn)動、同步施肥。每個排肥器對應(yīng)1條排肥管，肥料自排肥器排出，沿肥管依靠自身重力下落至開溝器開設(shè)的肥溝內(nèi)。開溝系統(tǒng)由施肥開溝器和水溝開溝器組成，作業(yè)時施肥開溝器開出肥溝，水溝開溝器在開出水溝的同時也對已開好的肥溝進行彌合封閉，覆蓋深施的肥料、減少流失?？刂葡到y(tǒng)控制驅(qū)動電機對排肥軸轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)變量施肥[10-11］。

圖1 水稻直播同步側(cè)深施肥機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of synchronous side deep fertilizer applicator for rice direct seeding

1.2 施肥機排肥量監(jiān)控系統(tǒng)組成

直播同步側(cè)深施肥機排肥量監(jiān)控系統(tǒng)組成及原理如圖2 所示。筆者所在研究團隊前期對該系統(tǒng)中人機交互、機具速度測定、數(shù)據(jù)通訊、排肥量校驗、排肥軸轉(zhuǎn)速測定以及動力驅(qū)動模塊進行了研究[9］。為進一步提高施肥精度，本研究基于上述基礎(chǔ)研究增設(shè)了肥箱排肥量監(jiān)測系統(tǒng)模塊（圖2 中紅框部分）。該系統(tǒng)包括稱質(zhì)量、多路排肥量監(jiān)測兩部分。稱質(zhì)量部分由鉸鏈杠桿機架、平行梁稱質(zhì)量傳感器等組成，以平行梁稱質(zhì)量傳感器為工作元件，承載并測量安裝在鉸鏈杠桿機構(gòu)上方的肥箱以及肥箱內(nèi)實時肥料所受重力。多路排肥量監(jiān)測部分由控制器、排肥量監(jiān)測、數(shù)據(jù)通訊、監(jiān)視器等模塊組成，負責(zé)收集各稱質(zhì)量傳感器獲取的排肥量信號，并將其處理后傳輸至監(jiān)視器交互界面，便于機手對施肥系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)實時查看、配置。各排肥器上安裝的稱質(zhì)量裝置以及稱質(zhì)量傳感器相互獨立，分別為每個監(jiān)測通道配置節(jié)點，節(jié)點間采用串口通訊方式與控制器連接，控制器與監(jiān)視器采用無線通訊方式，通訊方案設(shè)計如圖3所示。

圖2 施肥機排肥量監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理Fig.2 Composition and working principle of fertilizer discharge monitoring system

圖3 通訊方案框圖Fig.3 Block diagram of communication

1.3 稱質(zhì)量裝置設(shè)計

平行梁稱質(zhì)量傳感器由彈性體、測量橋路、電阻應(yīng)變片等組成，可將力引起的變形轉(zhuǎn)化成電信號并經(jīng)過測量電路處理轉(zhuǎn)換后得到所稱質(zhì)量物體實際質(zhì)量[12-13］。根據(jù)平行梁稱質(zhì)量傳感器的受力方式，綜合考慮機械裝置安裝使用空間大小以及維護成本，設(shè)計了一種獨立肥箱平行梁稱質(zhì)量傳感器稱質(zhì)量裝置，主要由排肥箱、稱質(zhì)量傳感器、上安裝板、下安裝板、鉸鏈、墊板、排肥料斗構(gòu)成。該裝置上安裝板一側(cè)與鉸鏈固定連接，另一側(cè)與稱質(zhì)量傳感器懸空端接觸，排肥漏斗固連在上安裝板中間矩形槽內(nèi)，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4 所示。由圖4 可知，設(shè)排肥箱重力為m1g，排肥箱內(nèi)肥料重力為m2g；肥箱及肥料重心作用點到鉸鏈回轉(zhuǎn)中心O點距離為L1；稱質(zhì)量傳感器受力F1，其受力作用點A到回轉(zhuǎn)中心O點距離為L2。為簡化分析，不考慮肥料排放引起的重心位置變化，當(dāng)OA連線相對于水平面夾角為α，排肥箱安裝面相對于水平面夾角為γ時，存在如下杠桿關(guān)系：

圖4 鉸鏈杠桿式稱質(zhì)量裝置工作原理Fig.4 Working principle diagram of hinge lever weighing device

由結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，排肥箱安裝面相對于水平面夾角γ大小保持不變，有：

通過式（2）可知，可由稱質(zhì)量傳感器測得受力F1換算獲得排肥箱內(nèi)實時剩余肥料質(zhì)量m2，其與肥箱起始裝肥量m0之間的差值即為所在排肥通路的實時實際排肥量。該值與文獻[9］中由監(jiān)測排肥軸轉(zhuǎn)速獲取的排肥量值因測量位置、對象不一樣，相互獨立，兩者進行校驗，從而可對排肥器是否堵塞、肥箱肥料排放是否通暢等進行監(jiān)測，也可對實際排肥量進行實時調(diào)整，有效提高實際排肥精度。

所設(shè)計的鉸鏈杠桿式稱質(zhì)量裝置三維結(jié)構(gòu)如圖5 所示，平行梁稱質(zhì)量傳感器安裝于上下安裝板之間，承受上方肥箱、肥料所受重力；排肥箱體安裝于上安裝板上，用安裝螺栓與上安裝板固聯(lián)；下安裝板固定于排肥支架上，鉸鏈安裝于上下安裝板之間，上安裝板與排肥箱一起可繞鉸鏈銷軸回轉(zhuǎn)。在上安裝面與肥箱底面之間加裝厚度5 mm 的高密度EPE 珍珠棉，以減小振動影響。所采用的平行梁稱質(zhì)量傳感器技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 平行梁稱質(zhì)量傳感器參數(shù)Table 1 Parameters of parallel beam weighing sensor

圖5 鉸鏈杠桿式稱質(zhì)量裝置Fig.5 Hinge lever weighing device

1.4 多路排肥量監(jiān)測裝置設(shè)計

施肥機排肥量監(jiān)測裝置包括控制器、排肥量監(jiān)測、數(shù)據(jù)通訊、監(jiān)視器等模塊。各模塊組成和功能為：（1）控制器。采用單片機為控制核心，對傳感器輸出數(shù)據(jù)進行處理，并由無線傳輸模塊發(fā)送給監(jiān)視器。（2）排肥量監(jiān)測模塊。負責(zé)讀取稱質(zhì)量傳感器獲取到的數(shù)據(jù)，經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換模塊之后通過串口通訊方式將數(shù)據(jù)信息傳輸給控制器。（3）數(shù)據(jù)通訊模塊。負責(zé)將控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式發(fā)送給監(jiān)視器。（4）監(jiān)視器模塊。實時顯示機具的作業(yè)狀態(tài)，便于機手對系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)實時查看、配置。

主要硬件選型為：控制器選用ST 公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6 型32 位單片機。AD 轉(zhuǎn)換模塊型號為HX711，其不僅能實現(xiàn)AB 雙通道數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)傳輸方面還具有主動發(fā)送和被動發(fā)送功能，穩(wěn)定性較高，成本低。為提高監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，保證安裝于機具尾部的傳感器數(shù)據(jù)能快速穩(wěn)定的傳輸給監(jiān)視器，選用EBYTE公司生產(chǎn)的UART無線串口模塊E34-2G4D20D，該模塊具有傳輸速率高、不限波長、支持大數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c。

為實現(xiàn)施肥系統(tǒng)多通道排肥量變化的顯示、施肥機作業(yè)參數(shù)以及排肥量監(jiān)測系統(tǒng)控制，選用淘晶馳X5-7寸串口電容觸摸組態(tài)液晶顯示屏。該顯示屏采用串口通訊、頁面和控件特效豐富、支持多點觸控，結(jié)構(gòu)簡單，擴展功能強大，且其硬件電路簡單、顯示方向可以任意設(shè)置、價格低，性價比高。

1.5 監(jiān)視器設(shè)計

為方便作業(yè)機手或田邊人員隨時查看作業(yè)狀態(tài)，開發(fā)了基于串口顯示屏的監(jiān)視器界面程序以及人機交互界面，可顯示直播施肥機作業(yè)時動力底盤行駛速度、排肥軸轉(zhuǎn)速、作業(yè)面積等。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由顯示器、無線通訊模塊、電源等組成，設(shè)計完成后的顯示界面如圖6 所示。監(jiān)視器置于作業(yè)機手前側(cè)，采用無線傳輸方式，實現(xiàn)施肥系統(tǒng)各通道肥箱質(zhì)量參數(shù)的遠程顯示。該監(jiān)視器輸出傳輸功能由串口觸摸屏、E34-2G4D20D 雙向傳輸無線串口模塊、LM2596S直流可調(diào)穩(wěn)壓電源模塊和7.4 V聚合物鋰電池組成。

圖6 監(jiān)視器顯示界面Fig.6 Monitor display interface

監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸方式工作過程為：由可調(diào)壓穩(wěn)壓模塊將聚合物鋰電池輸出的7.4 V 電壓調(diào)至5.0 V，并穩(wěn)定輸出給監(jiān)視器和無線傳輸模塊供電。串口屏通電后進入開機顯示界面，點擊用戶登錄即可進入?yún)?shù)顯示界面，可觀察到各通道及肥箱排肥情況以及作業(yè)機具各項變化參數(shù)。各通道傳感器獲得數(shù)據(jù)通過有線傳輸給控制器，控制器所獲得各項數(shù)據(jù)通過串口端發(fā)送給E34-2G4D20D 雙向無線傳輸串口模塊，無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給串口屏實時顯示，實現(xiàn)對作業(yè)參數(shù)的動態(tài)觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 平行梁稱質(zhì)量傳感器精度校驗

對平行梁稱質(zhì)量傳感器進行了精度校驗。校驗前，采用Arduino 平臺設(shè)計了20 kg 電子秤段碼液晶顯示程序，以方便顯示傳感器稱質(zhì)量測量數(shù)值，輔助進行精度檢驗。硬件包含Arduino UNO R3 主板、平行梁稱質(zhì)量傳感器、HX711 AD 轉(zhuǎn)換模塊和8 位數(shù)碼管。稱質(zhì)量前采用精度0.01 g、量程0~30 kg 天平稱量好每份質(zhì)量均為1 000 g 的“肥料砝碼”10 份，測試時每隔5 s 向排肥箱內(nèi)加入1 份“肥料砝碼”，隨后依次取出，待顯示屏內(nèi)示數(shù)顯示穩(wěn)定后讀取并記錄。試驗重復(fù)5次，對獲得數(shù)據(jù)進行回歸分析。結(jié)果如圖7 所示，可見稱質(zhì)量結(jié)果與排肥箱內(nèi)加入肥料質(zhì)量存在顯著線性關(guān)系，平行梁稱質(zhì)量傳感器精度高，數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，滿足使用要求。

圖7 平衡梁傳感器精度校驗結(jié)果Fig.7 Verification results

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

以水稻直播同步側(cè)深施肥機為試驗臺架，綜合考慮監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用場景，將標(biāo)定試驗分為靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定2種情況，檢驗監(jiān)測系統(tǒng)在不同工況下的測試性能。標(biāo)定試驗及各施肥通道編號情況如圖8 所示。靜態(tài)標(biāo)定時，直播機原地靜止，排肥軸回轉(zhuǎn)，開啟肥箱排肥量監(jiān)測系統(tǒng)，在0~20 kg 范圍內(nèi)，每隔5 s 向排肥箱內(nèi)加入1 kg 肥料并記錄1 次數(shù)據(jù)，每通道重復(fù)試驗3次。動態(tài)標(biāo)定試驗中，直播機不移動但啟動發(fā)動機，其他條件與靜態(tài)標(biāo)定試驗保持一致，所得結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，各通道監(jiān)測系統(tǒng)在0~20 kg范圍內(nèi)呈線性相關(guān)關(guān)系：y=kx，其中，x代表肥料質(zhì)量，g；y代表監(jiān)測系統(tǒng)顯示數(shù)值，g；k為各通道測量橫縱坐標(biāo)之間的比例系數(shù)。結(jié)果顯示，靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定下各通道曲線擬合度R2均大于0.999，監(jiān)測系統(tǒng)測量值與實際值之間均具有良好線性擬合度，各監(jiān)測通道相對誤差在1%以內(nèi)。

表2 靜態(tài)、動態(tài)標(biāo)定回歸分析結(jié)果Table 2 Static and dynamic calibration regression analysis results

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定試驗現(xiàn)場Fig.8 Monitoring system calibration test site

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)性能

機具田間實際作業(yè)前進時會產(chǎn)生振動，為此以水泥平地為試驗場地，根據(jù)NY/T 1003—2006《施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，模擬實際作業(yè)情況，開展了動態(tài)性能試驗。試驗過程中用油門控制直播機前進速度，每行駛15 m 記錄1 次各通道實際排肥量和監(jiān)視器顯示數(shù)值，重復(fù)3 次。結(jié)果顯示，各通道平均相對誤差最大為4.75%，最小為3.13%，通道之間差值僅為1.42%，滿足作業(yè)需求。

2.4 田間試驗效果

試驗地點為湖北省洪湖市四屋門村春露合作社種植基地。試驗小區(qū)面積為217 m2。采用“三寧”復(fù)合肥料，其中N、P2O4、K2O 質(zhì)量比例為18∶10∶12，總養(yǎng)分≥40%，施用目標(biāo)值設(shè)為30 kg/667 m2。每次試驗前各肥箱依次加入6 kg復(fù)合肥，每完成1個施肥單元作業(yè)視為1 次試驗，重復(fù)3 次，試驗現(xiàn)場如圖9 所示，結(jié)果如表3 所示。表3 中，監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測剩余總肥量指作業(yè)結(jié)束后各通道稱質(zhì)量傳感器監(jiān)測出的各肥箱剩余肥料總質(zhì)量。實際測量剩余總肥量指作業(yè)結(jié)束后收集各肥箱內(nèi)實際剩余肥量之和，該值由人工用稱量天平稱量獲取。監(jiān)測系統(tǒng)相對誤差指的是監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測剩余總肥量Mc與實際測量剩余總肥量Mz之間的相對誤差，該值可用于評價監(jiān)測系統(tǒng)的精確性，計算公式如下：

圖9 監(jiān)測系統(tǒng)田間試驗現(xiàn)場Fig.9 Field test site of monitoring system

表3 監(jiān)測系統(tǒng)性能分析Table 3 Performance analysis of monitoring system

由表3結(jié)果可知，本研究監(jiān)測系統(tǒng)相對誤差最大為4.79%，最小為3.55%。

3 討 論

近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響日益受到關(guān)注，對施肥的精量化要求不斷提高，多種先進施肥量監(jiān)測裝置不斷被開發(fā)出來。如金敏峰[14］設(shè)計的一種小麥播種施肥一體機及其播量監(jiān)測裝置，其田間試驗表明肥箱在小負載（5 kg）時，相對誤差最大為5.4%，最小為4.2%；大負載（50 kg）時，相對誤差最大為0.7%，最小為0.38%。姜萌等[15］設(shè)計了一種小麥精播種播量監(jiān)測裝置，其田間試驗表明系統(tǒng)的絕對檢測誤差范圍為1.12%~5.63%，平均絕對百分比誤差為3.12%。丁永前等[16］提出了一種基于動態(tài)稱量原理的泛函式播種施肥量監(jiān)測方法，其動態(tài)播量的檢測數(shù)據(jù)在作業(yè)面積大于0.033 hm2時，測試最大絕相對偏差為9.61%，單次測試中，最大平均值為4.73%，最大標(biāo)準(zhǔn)差為1.97%。本研究設(shè)計了一種鉸鏈杠桿式肥箱排肥量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對各肥箱排肥量獨立、同步實時測量，田間試驗結(jié)果表明其監(jiān)測相對誤差最大為4.79%，最小為3.55%，本研究設(shè)計的肥箱排肥量監(jiān)測系統(tǒng)精度與上述研究相當(dāng)，但結(jié)構(gòu)更加簡單。將該監(jiān)測系統(tǒng)與基于排肥軸回轉(zhuǎn)的排肥量監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合，可實現(xiàn)施肥機排肥量實時自主調(diào)節(jié)，可為智能施肥技術(shù)與裝備研究提供參考。