支持种肥监测的变量施肥系统设计与试验

杨 硕 王 秀 翟长远 窦汉杰 高原源 赵春江

(1.中国农业大学信息与电气工程学院， 北京 100083； 2.北京农业智能装备技术研究中心， 北京 100097； 3.国家农业信息化工程技术研究中心， 北京 100097； 4.俄克拉荷马州立大学生物系统与农业工程系， 斯蒂尔沃特 74078)

0 引言

施肥播种作业过程中出现施用量精度低、漏播和重播等问题时，将对作物产量造成损失，且污染环境，制约着智能化播种施肥机作业高效发挥。学者在保证种子、肥料的精准化、高效施用方面做了大量的研究，主要集中在精准施肥技术和施肥播种作业状态监控两方面[1-4]。精准施肥技术根据目标作物的需肥种类及用量，将肥料施到作物所需的最佳位置。宽幅施肥机多采用液压马达驱动控制，适应我国华北等地区的小地块施肥机多采用电动机驱动方案。文献[5-7]研究了采用光谱探测、图像处理及土壤传感器等实时获取施肥决策的方法，控制施肥机进行施肥；文献[2-3,8-14]报道了采用模糊控制、PID控制等多种变量技术来保证肥料用量的精确，并进行了系统的试验研究；文献[15-16]在施肥播种关键机构方面进行了研究，以保证施肥播种的精量实施。精准施肥技术依据施肥处方图指导作业，施肥处方图网格划分方法对准确施肥至关重要，学者普遍采用垂直或任意角度的均等网格划分，在网格横向长度上依据机具作业幅宽或者方形网格，纵向长度上反映的准确度受变量施肥装备位置滞后及系统反应时间的影响[17-18]。在施肥播种作业状态的监控方面，通过监控播种、施肥过程中作业参数的变化，对异常故障进行处置。Precision Planting公司生产的20/20 SeedSense系统可以实现多路玉米播种漏播、重播等状态的监测和机具实时工作地图的显示。文献[19-20]通过研制施肥播种监测传感器，获取排种、排肥状态信息。卢彩云等[4]对施肥播种作业监控系统进行了研究，对小麦播种进行实时监控。文献[1,21-24]针对连续和间断播种两种不同的播种类型进行了研究，并在试验样机中对系统进行验证。DICKEY-john公司生产的智能农业设备通过CAN接口单元的扩展可以实现对播种、施肥的控制和监测。国内学者大多针对单一方面进行研究，造成在施肥机工作过程中，为达到施肥状态监测和变量施肥实施，需同时安装两套控制系统，操作复杂，成本增加。为此，研究一种集成多路施肥作业监测和变量施肥控制的系统迫在眉睫。

针对以上问题，本文拟设计一种实现多路施肥播种作业状态监测和施肥参数监控的集成系统，旨为解决连续型播种施肥一体机主要作业参数的控制和监测提供一种方法。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

设计的支持多路排肥监测的电动施肥控制系统如图1所示。控制系统主要由控制器、触摸屏、数据采集器、排肥电动机、GPS测速模块、机具起降传感器和种肥监测传感器组成。其中，排肥电动机通过链轮连接排肥轴，用于排肥控制；种肥监测传感器安装于排种器或排肥器出口位置，用于监测连续型排种或肥料下落；机具起降传感器安装于机具起降悬挂轴位置，用于监测机具升降；GPS测速模块接收器安装于拖拉机顶端高处，用于获取机具行进速度。

图1 控制系统结构示意图Fig.1 Structural diagram of control system1.种肥监测传感器 2.排肥器 3.链轮 4.排肥电动机 5.排肥轴 6.机具起降传感器 7.数据采集器 8.车载蓄电池 9.触摸屏 10.控制器 11.GPS测速模块

工作时，拖拉机带动播种施肥机前进，控制器根据触摸屏设置参数，整合机具作业速度和机具起降信息，控制排肥电动机转速，带动排肥轴转动，实现精量排肥。数据采集器采集种肥监测传感器状态，接收控制器指令，将信息反馈给控制器。

控制器利用应用协议解析反馈指令，获得各路排种或排肥状态，将数据传送至触摸屏实时显示，发生故障时，启动蜂鸣器进行报警，实现多路排种或排肥作业状态监测和精量排肥的集成控制。

1.2 硬件设计

控制器以STC12C5A60S2为核心，控制系统硬件框图如图2所示。MCU内置双串口资源，通过UART0与DC48270B043_06WK_RTC型触摸屏通讯，通过UART1与JY-DAM-3280D型数据采集器通讯。该触摸屏支持RS232串口通讯，可满足对施肥播种作业系统排肥量等参数的设置与监控以及各路排种、排肥状态图形化监测的要求。数据采集器具有32路开关量输入和8路模拟量输出的功能，支持标准Modbus RTU通讯协议，满足最多32路种肥监测传感器的信号读取的要求。种肥监测传感器(保定联宇电子科技有限公司)采用光电对管探测原理，常态为低电平，触发后为高电平，触发脉冲延时3.5 s自动复位，可重复触发，该传感器可满足对连续播种、施肥进行监测的要求。机具起降传感器选用LIS331型倾斜开关传感器。GPS测速模块(北京农业信息技术研究中心)能够将速度信号转换为频率信号输出，测速范围为1.8～130 km/h，采集速度每增加1 km/h，输出频率信号增加36.1 Hz。GPS测速模块输出信号经频率脉冲隔离模块传输至MCU I/O监测口。

图2 控制系统硬件框图Fig.2 Hardware block diagram of control system

本试验样机中排肥电动机采用D5BLD200-24V-30S型电动机，由DMKE D750-BLD型电动机驱动器驱动，另配有PLF090-L2-20-S2-P2-T型减速器。MCU通过改变频率，经FVS-200HZ5V型F/V转换模块，转换为电压模拟量控制电动机驱动器，对电动机转速进行控制，同时监测电动机反馈转速，实现精量排肥的控制和监测。

1.3 触摸屏界面设计

触摸屏界面实现施肥量的设置及监控、多路施肥播种作业状态参数设置及监测(图3)。设置主界面包括施肥量相关参数设置和播种施肥作业状态监测设置。施肥量相关参数的设置包括每公顷施肥量、作业幅宽和施肥量及排肥器个数。多路施肥播种作业状态的设置包括监测工作行号设置和监测灵敏度设置。

图3 触摸屏界面Fig.3 Interface of touch screen

其中，施肥量设置为每公顷所需肥量；作业幅宽设置为机具作业幅宽；每转肥量设置为单排肥器每转排肥量；排肥器个数设置为实际工作排肥器个数；监测灵敏度设置为控制器对种肥监测传感器信号脉冲的扫描间隔时间；工作行设置为对应工作行号。数据监控界面可对实时施肥量、总施肥量和作业面积进行实时监测。多路施肥播种监测界面可实现工作行数中各路工作状态监测，正常状态显示为绿色，否则为红色。

1.4 控制算法设计

播种施肥机通过GPS测速模块获得机具行进速度，速度脉冲频率每增加36.1 Hz，则说明机具行进速度增加1 km/h，控制器取3次行进速度的平均值作为输出值，则播种施肥机速度为

(1)

式中v——播种施肥机行进速度，m/s

f——GPS测速模块信号频率，Hz

排肥电动机与排肥轴传动比为1∶1，则排肥电动机输出转速为

(2)

式中n——排肥电动机输出转速，r/min

w——机具作业幅宽，m

q——施肥量设定值，kg/hm2

p——单排肥器每转排肥量，g/r

m——工作排肥器个数，个

MCU通过输出频率，经F/V转换模块，由电动机驱动器控制电动机转速输出。播种施肥机作业面积通过单位时间内的工作面积累加获得，作业面积为

(3)

式中S——作业面积，hm2

t——工作时间，s

排肥轴转速监测通过电动机转速反馈频率确定，则排肥轴转速为

(4)

式中nb——排肥轴转速，r/min

fb——电动机转速反馈频率，Hz

Pb——排肥电动机极对数，为4

I——减速器减速比，为20

系统由电动机转速反馈频率获取排肥电动机转速实际值，单位时间内的排肥电动机转速实际值累加，获得排肥轴转动圈数的累加值，则总施肥量为

会议要求，各级党委（党组）要加强对《条例》实施的组织领导。要抓好《条例》的宣传解读和学习培训，使各级党组织和广大党员深入领会《条例》精神，全面掌握《条例》内容，增强贯彻执行《条例》的思想自觉和行动自觉。要加强对党员领导干部的培训，提高抓好党支部工作、推动党支部建设的本领。要加强督促落实，确保《条例》各项规定要求落到实处。

(5)

图4 控制系统流程图Fig.4 Flow charts of control system

式中Q——总施肥量，kg

控制系统流程如图4所示。程序初始化参数后，通过UART0与触摸屏通讯，发送读取触摸屏控件初值的指令。触摸屏接收到读取指令，向外发送对应控件参数指令，MCU通过对应协议解析获得各变量值。GPS模块冷启动结束后，向外发送测速脉冲，MCU通过外部中断0接收该脉冲信号，并对脉冲信号进行测频计数。速度脉冲频率每1 s更新，根据公式(1)计算出机具行进速度，并将单位时间速度脉冲计数值清零；分别利用公式(4)、(3)、(5)计算反馈转速、作业面积和总施肥量。接收到机具下降传感器信号后，MCU根据公式(2)计算排肥电动机输出转速，通过电动机转速控制曲线获得输出频率值，启动PWM输出。排肥电动机运转后，MCU通过外部中断1接收排肥电动机反馈转速脉冲。

间隔1 s，通过UART0向触摸屏发送数据更新指令。每隔100 ms，MCU通过UART1向数据采集器发送读取32路开关量采集口状态指令，将返回数据存入数组hex[j]，对接收到的数据和D_3208_m(初值0x01)进行按位与运算，每进行一次，D_3208_m左移1位，令D_3208_z=D_3208_m&hex[j]，若D_3208_z=D_3208_m，则说明该位监测到了种肥监测传感器信号，将该路报警监测标志位置0。

若该位未监测到种肥监测传感器信号，判断是否到达监测灵敏度设定时间，若超过设定时间，判定该路是否设定为工作状态，若为工作状态，则启动蜂鸣器报警，通过UART1向触摸屏发送该路故障指令。

2 试验平台搭建

2.1 施肥播种监测性能试验台

搭建施肥播种监测性能试验台，对系统监测性能进行试验，如图5所示。

图5 施肥播种监测试验台Fig.5 Diagram of test platform1.控制器 2.报警灯 3.数据采集器 4.箱体 5.支架 6.外槽轮排种器(或排肥器) 7.种肥监测传感器 8.导管 9.塑料容器 10.电动机 11.电动机驱动器 12.开关电源 13.称重仪 14.触摸屏 15.PC机

试验台利用开关电源(AC220V-DC12V)供电，由PC机AQMDBLS控制软件控制AQMD3608BLS型驱动器驱动电动机，从而实现外槽轮排种器或排肥器的转速控制。触摸屏用于参数设置和数据读取；系统控制器进行数据处理；报警灯用于工作状态报警；数据采集器用于采集种肥监测传感器的信号。种肥监测传感器安装于排种器或排肥器出口位置，下端连接直径为44 mm的导种管。直径为0.3 m，高0.15 m的塑料容器用于收集从导管下落的物料。BT418/15B型称重仪(2.5 g～15 kg，精度0.5 g)对下落的物料进行称量。

2.2 排肥量变化响应时间性能试验台

搭建排肥量变化响应时间性能试验台，如图6所示。将排肥箱升高，下侧布置传送带，排肥器排肥口距离传送带的高度为0.5 m。排肥口处连接导肥管，导肥管出口处紧贴传送带表面。在导肥管出口位置设置长度约0.3 m的挡板，防止肥料外溅出传送带。传送带宽度为0.15 m，总长度4 m，可通过电动机驱动器进行转速的调节，传送带末端转轴上安装有转速码盘，通过GS08A3-2-Z/BX型齿轮测速传感器进行测速。

图6 排肥量变化响应时间性能试验台Fig.6 Test platform of response time with different fertilizer rates1.测速码盘 2.无刷电动机 3.肥箱 4.排肥器 5.导肥管 6.挡板 7.测量尺 8.传送带 9.传送带电动机驱动器 10.控制器 11.排肥电动机驱动板 12.齿轮测速传感器

3 试验与结果分析

3.1 监测灵敏度试验

监测灵敏度设置的时间长短直接影响排种、排肥监测的可靠性，时间过长，导致报警不及时，时间过短，导致误报警次数的增加。为了避免在特定落料流速下，因扫描周期短而导致误报警情况的发生，同时获得最短的响应时间，进行了系统监测灵敏度试验。

试验分别利用磷酸二胺颗粒肥(容积密度为980 g/L)和小麦(容积密度为796 g/L)在不同流速下进行试验，得出排肥速率为10 686 g/min(转速100 r/min)时，种肥监测传感器反馈频率最低，平均值为2.5 Hz，方差为1.4 Hz；排种速率为6 087 g/min(转速75 r/min)时，监测反馈频率最低，平均值为2.4 Hz，方差为1.7 Hz。为了避免误报警，同时获取最高的监测灵敏度，选择种肥监测传感器监测反馈频率最低时的槽轮转速作为试验设定转速，排肥时选定槽轮转速为100 r/min，排种时选定排肥转速为75 r/min，设定脉冲监测阈值为1。通过触摸屏设定监测灵敏度时间，范围为1～5 s，设定间隔1 s，每组试验采样100次。对系统误报警次数进行记录，结果如表1所示。

由试验结果可得，监测灵敏度设定为3 s时，系统监测排肥的准确率达到100%，监测排种的准确率为99%。因此，设定脉冲监测阈值1、监测灵敏度3 s为系统对排种、排肥可靠监测的设置参数。

表1 监测灵敏度试验结果Tab.1 Experiment results of monitoring sensitivity

3.2 单排肥器排肥量变化响应时间试验

排肥量变化响应时间直接影响精准变量施肥处方边界变化时变量实施效果，为了获得系统排肥量变化的响应时间关系，利用排肥量变化响应时间试验台(图6)进行试验。试验时，传送带的行进速度设定为2.88 km/h，通过控制器改变排肥量，在0～11 500 g/min范围内，以575 g/min为间隔依次进行试验，采集3 m内间隔20 cm的排肥量，则每次肥量收集的时间间隔为0.25 s，记录各肥量及时间点，获得肥量变化随响应时间的结果，如图7所示。试验结果表明，在0～11 500 g/min的排肥量变化范围内，系统响应时间最大为0.75 s，平均为0.56 s，标准差为0.18 s。

图7 排肥量变化响应时间试验结果Fig.7 Results of response times with different fertilizer rates

3.3 排肥量控制精度试验

为了验证系统的排肥量控制精度，以试验样机为平台，进行了排肥量控制精度试验。试验样机以2BMGF-7/14型免耕播种施肥机为平台，幅宽220 cm，选用的N-P2O5-K2O符合肥料容积密度为920.3 g/L，单排肥器每转排肥量为62.9 g/r。试验时，控制器设定施肥量范围为450～750 kg/hm2，试验样机在4～6 km/h范围内匀速或随机速度行驶，于排肥铲出口处设置塑料袋收集肥料、称量，采样距离为30 m，单次试验采样作业面积为67.2 m2。

3.3.1电动机转速控制曲线

电动机转速精度直接影响排肥量的控制精度。电动机驱动器具有模拟量驱动和频率驱动两种方式，经试验测得，模拟量驱动方式具有更好的转速控制稳定性和线性度。由于STC12C5A60S2单片机无模拟量输出功能，系统采取改变控制器输出频率的方式，经F/V转换模块，控制电动机驱动器。为了获得电动机转速与频率的关系曲线，设置输出频率范围为0～160 Hz，间隔10 Hz，采集电动机输出转速，试验结果如图8所示。

图8 电动机转速控制曲线Fig.8 Control curve of motor rotation speed

由试验可得，采用最小二乘法直线拟合，R2=1，输出频率与转速具有良好的线性关系，确定了电动机输出转速与系统输出频率的计算关系。

3.3.2测速标定试验

机具行进速度的获取精度对于系统排肥量控制精度影响较大。于河北省赵县农村合作社对GPS测速模块进行了测速标定试验，在机具行进速度2.35～6.75 km/h范围内，行进30 m过程的试验数据如表2所示。系统监测速度为GPS测速模块输出频率增加36.1 Hz时，机具行进速度增加1 km/h计算的速度；实际速度为机具行进30 m过程中的速度平均值；速度线性系数为实际速度与系统监测速度的比值。结果表明GPS测速线性系数平均值为1.20，方差为0.02，最终确定测速模块的线性系数为1.20。

表2 GPS模块测速标定试验结果Tab.2 Calibration experiment results of GPS speed module

3.3.3排肥量控制精度试验

试验结果如表3所示，可得在设定施肥量为450、600、750 kg/hm2范围，4～6 km/h匀速下，排肥量准确率平均值分别为96.90%、94.72%和97.76%，方差分别为2.79%、1.13%和1.14%。变车速下的排肥量准确率分别为92.95%、96.79%和99.75%。系统在变行进速度的过程中，排肥量准确率平均值分别为95.92%、95.24%和98.26%，方差分别为3.01%、1.39%和1.36%。施肥量设定范围为450～750 kg/hm2，总体排肥量准确率平均值为96.47%，肥量控制效果较好，排肥量准确率大于93%。在设定600、750 kg/hm2的排肥量准确率中，变行进速度的准确率高于匀速时，可能是由于GPS测速模块在低速和较高速度下测量误差相互补偿造成的。

表3 排肥量控制精度试验结果Tab.3 Experiment results of accuracy of fertilization

3.4 系统施肥量变化响应时间试验

以试验样机为平台，施肥量变化值为75、150、225、300、375、450 kg/hm2，依次在播种施肥机行驶过程中进行手动施肥量输入，使施肥量变化差值依次等于上述施肥量变化值，依次分成6组进行试验，记录行进距离30 m，采样间隔为1 m，如图9所示。

图9 系统排肥量变化响应时间试验Fig.9 Experiment of system response time with different fertilizer rates

通过采样间隔除以速度得到采样时间，由采样间隔内肥量变化分析得出施肥量变化过程中系统响应时间。对每个施肥量变化值重复记录2或3次响应时间，取平均值，试验结果如表4所示。

各施肥量变化值下，6组总平均响应时间为1.08 s，标准差为0.21 s；平均速度为3.79 km/h时，平均反应距离为1.14 m，标准差为0.22 m。结果表明施肥量变化与响应时间不存在明显的正相关性，说明电动机驱动变量排肥控制具有较稳定的响应时间。

表4 系统施肥量变化响应时间试验结果Tab.4 Experiment results of system response time with different fertilizer rates

3.5 田间试验

利用试验样机，于河北省赵县光辉农业机械服务专业合作社进行了大田试验(图10)。设定施肥量为450、600、750 kg/hm2，采集播种施肥机行进30 m内的排肥量，利用施肥总量减去剩余总量获得排肥量，测得排肥量准确率分别为94.41%、92.61%和97.05%，系统排肥量准确率平均值为94.69%，方差为2.23%。表明系统在大田工作环境，仍能保持良好的排肥控制精度。进行了系统监测可靠性验证，设定监测灵敏度为3 s，脉冲监测阈值为1，系统采集14路排种、排肥过程中，人为堵塞任意1路，采样100次的试验中，系统报警准确率为100%。

图10 田间试验Fig.10 Field experiment1.GPS测速模块 2.种肥监测传感器 3.压实轮 4.排种轴 5.排肥轴 6.拖拉机 7.排肥电动机 8.控制器

4 结论

(1)设计了一种支持多路施肥播种状态监测的变量施肥机集成控制系统，该系统能够完成设定排肥量，根据机具行进速度改变排肥电动机转速，达到精量排肥；对多路施肥播种作业状态进行可视化监测，并进行故障报警的功能。该系统能够满足对小麦播种施肥机、玉米追肥机等连续型播种监测、施肥监测和排肥量控制的要求。

(2)确定了单排肥器和整机两种情况下，采用电动机驱动排肥控制的系统肥量变化响应时间。试验结果表明，单排肥器排肥量变化0～11 500 g/min的范围内，系统响应时间最大为0.75 s，平均为0.56 s，标准差为0.18 s；在整机试验中，设定排肥量变化范围为75～450 kg/hm2，以75 kg/hm2递增，平均响应时间最大为1.42 s，平均反应距离最大为1.51 m(行进速度3.80 km/h)。

(3)试验结果表明，系统解决了多路连续性排种、施肥监测与精量排肥控制集成的问题。在改变行进速度的过程中，施肥量设定范围为450～750 kg/hm2，整机试验得系统总体排肥量准确率平均值为96.47%；田间试验得排肥量准确率平均值为94.69%，方差为2.23%，系统能够满足施肥精度要求；采用数据采集器对最多32路排肥监测，设定监测灵敏度为3 s时，小麦排种和施肥监测报警准确率达到100%。