气吸精播机施肥量无线计量监测系统的研究

王大可，衣淑娟，赵 雪，马秀莲，戈天剑

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)



气吸精播机施肥量无线计量监测系统的研究

王大可，衣淑娟，赵 雪，马秀莲，戈天剑

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)

针对目前播种机施肥工作环境条件恶劣、人员监测难度大及施肥监测装置较少等问题，以嵌入式微处理器为核心，采用传感器技术、无线通信技术，研究了施肥量计量及工况监测系统，该系统已进行田间生产试验。试验结果表明：施肥计量误差<6.3%，肥箱空、肥管堵、肥管空误报警率为0，报警延迟时间<0.5s，具有较好的全天候作业能力，能够满足实际田间作业中肥量监测及肥量施肥状态预警等任务。

播种机；施肥计量；无线通信；监测

0 引言

随着农业机械化水平的不断提高，精密播种机广泛应用于田间大面积作业中，既提高了生产效率，又降低了生产成本。但是，精密播种机作业过程中由于机械故障等原因，会出现肥箱排空、肥管空或堵塞的情况。精密播种机多为大面积长时间作业，一旦发生上述故障且未及时发现解决，会影响到大面积作物的后期生长，进而严重影响粮食产量。

目前，国外精密播种机电子监测技术较为成熟，准确性与可靠性较高，国内监测系统研究发展的速度也较快。周利明等利用电容传感器法，利用比较肥料通过排肥管时，管内电容值的变化来计算施肥量和肥管的工作状况，能够对各个肥管进行单独的监测，并能够将信息发送上位机实时显示，有着较强的抗污染能力[1-3]。北京大学遥感与地理信息系统研究所[4]苑小伟等利用电容传感器与伺服电机设计了玉米免耕播种施肥机作业监测系统，可以通过调整伺服电机控制播种施肥量，同时对播种施肥量有精准的测量。但是，电容传感器会由于田间灰尘、水分等因素影响到系统电容值测量的准确性[5-10]，且寄生电容较难处理。为此，笔者设计了一套精密播种机施肥计量监测系统。系统以嵌入式微处理器作为核心，通过无线通信的方式进行数据的传输，将红外光电传感器安装到肥管中部对行肥管状态进行监测；将编码器安装在排肥轴上，通过采集编码器的脉冲数对施肥量进行间接测量；通过安装在肥箱侧面的电容式接近开关对箱内状况进行监测，系统的工作参数会在上位机显示。该系统结构简单、成本低、工作运行稳定。

1 监测系统总体设计

系统由下位机施肥计量监测控制部分和上位机显示终端组成，如图1所示。

图1 监测系统结构框图Fig.1 Frame figure of system structure

下位机施肥计量监测部分主要由微处理器、无线模块、编码器、红外光电传感器及接近式电容开关等组成。监测系统使用STC12C5A60S2单片机作为微处理器，通过采集编码器的脉冲数间接计量精密播种机的施肥量，安装在肥管中部的红外光电传感器完成肥管工作状态的监测，电容式接近开关完成对肥箱状态的监测，获取的作业数据通过无线模块传输到上位机终端。

上位机通过无线模块向下位机发送启动、数据采集、停止等控制指令，下位机接收到相应的控制指令后开始工作，将测量的作业参数传送到上位机实时显示。当接收到下位机传来的报警信息后，上位机会显示出现故障的区域，同时启动声光报警，通知机车驾驶员停车排除故障。

2 下位机系统设计

2.1 肥管状态监测装置设计

光电肥管状态监测装置采用光电检测原理。当有肥料经过红外光电传感器时，肥料将传感器发射端光线挡住，接收端返回高电平；当没有肥料经过时，接收端返回低电平。微处理器通过接收端是否发生电平变化来判断肥管内的肥料流动状态。由于田间作业情况复杂，在光电传感器的型号选择上，需要从覆盖特性、抗尘性能及光谱特性等方面进行考虑，常用的发光元件有普通发光二极管、红外发光二极管及激光二极管。普通发光二极管亮度不高，激光二极管成本较高，故选用指向性强、亮度高、聚光性较好的红外发光二极管，接收端使用黑色胶体封装的光敏三极管。考虑到肥管外部无避光装置，日光的照射会影响检测的准确性，在光电传感器的外部较加装黑色塑料避光盒以提高系统的准确性。接收端的电平信号波形不规整，微处理器无法对信号进行准确处理，需经整形电路处理。下位机系统单体电路图如图2所示。

2.2 系统通信方式设计

监测系统上位机与下位机之间采用无线通信的方式进行数据传输，使用xl4432无线模块，具有传输距离远及抗干扰性强等特点。上位机与下位机各节点之间采用主从式异步通信方式。

系统上电初始化后，下位机各节点等待上位机发送控制指令，启动指令和停止指令为广播形式，数据采集指令中包含各个无线模块地址。各个节点接收到数据采集指令后先判断与自身地址是否相同，若相同，则向上位机发送相应的信息；若不同，则继续等待上位机指令。上位机发送的每一个数据帧均由帧头FC、帧尾ED、控制命令和地址组成，广播地址为0x00，下位机各节点地址为0x0B-0x16。下位机各节点在收到控制指令后，向上位机传输应答指令的格式包括帧头FC、帧尾ED、对应的模块地址及采集的数据。其中，正常数据的应答指令为0xF0，异常数据的应答指令为0x0F，异常数据应答指令又分为0x01(排空)，0x02(堵塞)。

2.3 施肥量计量装置设计

系统使用PKT1020-360-G05C型编码器，1圈360个脉冲，将编码器安装在播种机的排肥轴上。施肥刻度调节装置上有25、30、35、40、45、50、55、60mm这8种刻度，通过多组实验标定出不同刻度下单个脉冲与施肥量的关联系数，将采集到的脉冲数和关联系数相乘即得到施肥量。编码器工作过程中会出现抖动现象，影响数据测量的准确性。因此，在程序中添加了算法，将编码器的A相接到微处理器的P3.4引脚，B相接到微处理器的P3.5引脚，当A相脉冲发生变化时，B相如果也发生变化，则说明编码器发生了抖动。用A相产生的脉冲数与B相产生的脉冲数相减所得到的脉冲数计算施肥量，提高了监测系统施肥量测量的准确性。

2.4 肥箱状态监测装置设计

压力检测法经常被用在肥箱内剩余肥料的检测上。常用的器件为压力传感器，其实质是一个压敏电阻，当其敏感区域的压力发生变化时，压敏电阻的阻值就会发生变化，测量出肥箱临近排空时阻值，计算出加上5V电压后的输出值作为箱空的标定值，经AD转换后由微处理器进行判断处理。

由于压力传感需要安装在固定的平面上才能稳定的工作，因种箱结构的限制，很难创建平面环境，且肥料在肥箱内的晃动会影响压力传感器的阻值输出，容易发生误报警现象。为了弥补上述不足，选择电容式接近开关进行箱空检测。检测系统使用的电容开关为PNP常开型，可自行调整距离，在电路中通过下拉电阻调整其输出状态。

当肥料距离接近开关距离超出设定范围(10mm)时，接近开关输出低电平，微处理器启动其内部定时器工作；当低电平持续时间超出报警设定时间(系统设置为3s)时,向上位机发送报警信息；肥料充足未超出设定距离时，输出高电平。微处理器通过其电平的变化就可以判断肥箱内的状态，相比于压力传感器，电容式接近开关可靠性和准确性更高，且降低了成本。

3 系统软件设计

监测系统软件设计主要用于肥管和肥箱状态的监测、施肥量的采集、数据的处理及传输。C语言具有运行效率高、可移植性好等优点，软件使用C语言进行程序的编写。播种机开始作业后，监测系统进行上电初始化，下位机等待上位机的启动指令，接到启动指令后，先判断肥管与肥箱的状态施肥是否正常：若正常，启动计数器开始测量施肥量，当接收到上位机的数据采集指令时，上传此时的施肥量；若出现故障，上传故障区域，启动声光报警。其主程序流程图如图3所示。当下位机系统开始运行，系统首先进行初始化，初始化完成后，位于施肥管、肥箱内的传感器开始检测肥管、肥箱是否处于正常状态；若相应检测区域出现异常，反馈给系统，系统停止检测工作，待工作人员解决施肥机构问题，系统开始重新检测施肥情况。若施肥检测无异常，计量系统对施肥量进行监测计量，当收到上位机终端的采集指令后，将当前的数据上传。

图3 主程序流程图Fig.3 Flow chart of main program

4 系统试验

4.1 试验方法

系统试验已在田间进行，播种机选用的是黑龙江八一农垦大学研制的2BJM-6型大马力气吸式原茬精密播种机，试验地为整理好的平整地面。动力机车选用的是美国凯斯210拖拉机，拖拉机行进速度6km/h，进行了排肥量、施肥空堵单项性能试验。

1)施肥系数测定方法：从排肥管中随机选取1路排肥管，调肥拨盘挡位共有25、30、35、40、45、50、55、60mm 8个挡位；将排肥管管尾封住，每个挡位重复10次落肥试验，测得由该排肥管下落肥量质量。设定行进速度为6km/h，测试距离为10m，测得数据如表1所示。

2)施肥量试验方法：12行播种机有2个肥箱，取其中6个排肥管作为研究对象，将6个排肥管的出口用袋接住流出的肥以便称量计算。测试距离为10m，将调肥拨盘挡位设置为60mm，排肥轴每转动1圈，编码器产生360个脉冲。机车行进速度为6km/h。将肥料实际值与估算预计值比较,得到二者之间误差。

3)固态肥监测空堵情况报警试验，试验监测装置能否正常播报排肥管内堵肥或者排空肥状态。取12行播种机机中随机的6行排肥管，1、3、5、7、9、11号排肥管。试验步骤为以下3个步骤：

(1)肥箱肥料装满。机车行进速度6km/h，模拟真实播种施肥环境，观察排肥监测装置是否能够正常工作，同时观察监测装置对于流肥有无影响。

(2)肥箱肥料放空。留取少量肥料，机车行进速度保持6km/h，模拟真实播种施肥状态下，肥料排空的情况，观察当排肥管中没有肥料时，监测系统能否正确发出警示指示。

(3)肥料箱装满。装满肥料，机车行进速度保持6km/h，并将排肥管监测装置上方区域堵塞，模拟真实状况下排肥管肥料堵塞情况，监测系统能否正常发出警示指示。

表1 不同施肥挡位下单管排肥量试验结果Table 1 Fertilizer consumption under different fertilization gear test result g

4.2 试验结果与数据分析

根据表1中的试验数据进行线性回归分析，由于试验中受到颠簸、卡肥等外界因素影响，为避免产生重大误差，所以对每组试验数据进行取平均值计算，得到每组数据平均值进行回归分析。采用SPSS数据处理软件，求得肥流量与不同挡位之间的线性回归模型为Y=9.09X-72.816。

排肥量测试结果表明如表2所示。

表2 肥量试验结果Table 2 Fertilizer consumption test result

排肥量最小误差为4.7%，排肥量最大误差为6.3%，原因是由于空气潮湿，肥出现结块现象，排肥槽内没装满肥，导致肥的流量变小，产生误差。另外，排肥轴每周拨动肥料质量存在不均等现象，使实际值与测定肥量产生了一定的出入。施肥的排空和堵塞监测试验中，6组显示的空堵播报中误报率为0，排空试验和堵塞试验中，传感器均及时响应均能完成预期工作。

5 结论

该施肥计量无线监测系统利用编码器间接测量精密播种机的施肥量，通过红外光电传感器监测肥管的工作状况，利用接近式电容开关进行箱空检测，解决了压力传感器容易导致误报警的问题。数据的传输采用无线通信的方式，减少了布线，使监测装置易于安装和拆卸。上位机终端不仅可以实时显示采集的数据和出现故障的区域，还可以对作业数据进行存储，方便作业结束后进行分析。试验结果显示：施肥量最大误差为6.3%，最小误差为4.7%；空堵试验误报率为0。该系统在实际田间作业中能够达到设计中基本要求，满足实际田间作业中肥量监测及肥量施肥状态预警等任务，对提高我国农业现代化发展水平具有重要意义。

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[2] 周利明，王书茂，张小超，等.基于电容信号的玉米播种机排种性能监测系统[J].农业工程学报, 2012, 28(13): 17-18.

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[4] 苑小伟，张小超，吴才聪.玉米免耕播种施肥机精准作业监控系统[J].农业工程学报，2011(27)：222-223.

[5] 陈绍斌，吕新民, 张丽君.精密播种机监控系统的研究与开发[D].杨陵:西北农林科技大学, 2007：13-15.

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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”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-03);黑龙江省科技厅项目(GZ13B013)；黑龙江省农垦总局科委项目(HNK125B-07-15)

王大可(1991-),男，黑龙江海伦人，硕士研究生，(E-mail)18246781320@163.com。

衣淑娟(1965-)，女，山东栖霞人，教授，博士生导师，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

S223.2+5

A

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