智能控制变量施肥机的设计研究

2021-12-05郑栋梁冯振华

农业技术与装备 2021年1期

郑栋梁，冯振华

（许昌电气职业学院，河南许昌 461000）

参照联合国粮农组织的统计，化肥对粮食生产的贡献率约为40.0%，中国耕地面积占世界7.0%左右，能满足世界22.0%以上人口的粮食供给需求。从20世纪70年代以来，国内农业生产中化肥施用量呈现不断增多的趋势，至1990年已成为世界上化肥产品最大的消费国。近些年，农业技术有很大发展进步，很多农用工具产品陆续研发与应用，施肥机便是其一，基于单片机控制优化施肥机控制变量的设计效果，是实现精细农业的重要基础。

1 变量施肥机设计

1.1 硬件控制系统

结合农业变量施肥的现实需求，单片机控制电路由如下3部分构成[1]。

1.1.1 输入土壤养分信号

利用实时传感器采集土壤养分状况信息，能实现在线监测，在获得田间土壤有效成分的含量信息后，将其统一传送到单片机内。因电磁场自体的性质受到土壤所属类型、各类有机物含量值、土壤相对湿度以及其他土壤性质等多方面的影响，故而，能够形成可以被感应到的土壤肥力相关信号。

1.1.2 采集机具运作的实际速度

在本控制机构运作阶段，应重点关注机具作业速度这一指标。控制机构基于特定角度——数字编码器，顺利的把机具前进速度信号转型为脉冲信号，并将其统一完整地输入至单片机。

1.1.3 调控脉冲输出过程

因步进电机电源自带脉冲分配器与功率放大电路，故而单片机系统仅能够将控制脉冲信号输送给步进电机，在此基础上实现脉冲压差，促进高低电平顺利转换过程[2]。

1.2 控制软件

可以采用C 语言研发出一套具有高度普适性的软件系统，针对精细农业变量施肥耕作过程实现科学指导。在动力机械设备运作结算，该软件系统能依照传感器检测出的土壤性质相关信息，参照设定的目标生产量，精确测算排肥量，再依照速度传感器实测出的速度值，测得并规划出步进电机的运转速度，对外输送出相应的脉冲。针对单片机内的应用系统软件，统一采用顺序结构法进行设计，具体是由主程序与中断服务程序量的大部分构成。主程序的功能主要有系统自我检测、原始化系统功能和复位步进电机。当有键被按下后，便会即刻执行相关功能。中断程序主要由速度输入、传感器信号输人中断两部分构成。参照系统正常运作阶段对各操作提出的具体要求，设定主程序、中断服务程序应完成的具体任务，并科学编制出中断优先等级。

2 设定变量施肥决策系统的功能

具体是以投入产出物的变量模型为基础完成施肥决策，在该环节中一定要分析到不同地理环境条件形成的约束。部分农田地势平台规整，部分地势存在一定倾角，所需要输送的投入物存在差异，参照具体结果，编制相配套的施肥决策方案。若检测到农田内土壤条件较为干燥，则辅助应用保水方法。对农田土壤环境条件做科学分析、诊断，将增加劳动成本的投用量。故而需综合分析施肥决策方案和投入成本，力争获得高收益的施肥决策模型。

在具体实践中，可以结合农作物的销售单价，尿素和复合肥的购入成本，复合肥内N、P、K的含量N、P、K需求量值等等相关变量，制定施肥配置的最佳方案。在施肥生产实践中，一定要结合农作物健康生长的现实需求，科学调配应用多种肥料，逐渐实现平衡施肥，实现对变量施肥过程的精准化管理控制。

3 探析变量施肥机的工作原理

3.1 认真落实前期准备工作

指派技术人员把3 点悬挂接至拖拉机等动力机械设备上，结合田间农作物健康生长的现实需求，将适量肥料投放至肥料箱内，连接好电源，开启电控箱上的布设的源开关，将每0.067 hm2地施肥量的数值输入至单片机触摸屏一体机上。

3.2 施肥机作业流程

当动力机械设备运作时速度信号采集系统会即刻步入到工作模式中，检测到的动力设备运行速度信号，快速的被传送至信号处理器内，历经高速测算过程后，信号处理器将有关作业命令传送给硬件执行系统，引导执行系统内装设的步进电机严格依照作业命令正向或着逆向转动相应的圈数，步进电机对安设于丝杆螺母中丝杆的转动过程形成驱动作用。在机械设备在以上的工况下，丝杆螺母及其上部安设的排肥口插板同步进行正向或反向直线运动。步进电机按照正向或者方向转动过程中，就能推动排肥口插板作周而复始的直线运动，其作用有开启、闭合以及调控肥料箱排肥口大小的功能。若拖拉机等动力设备加速或者减缩运作时，排肥口的张开度也会同步改变，以上是实现变量排肥的重要基础，维持单位面积中作物施肥量恒定，当动力机械停运时，由于此时无运行速度信号，施肥作业随即停止。

3.3 电源

选用12 V电瓶作为电源，大部分农业生产工作要求选用拖拉机等动力机械上安装的电瓶即可。电瓶的作用主要是为单片机及电控箱、各种电机运行过程提供充足的电能。

3.4 排肥电机工作原理

在拖拉机等动力设备形成运行速度信号时，排肥电机会智能化启用，无信号时自动闭合。排肥导向板、电机均被集中安装在排肥底板上，排肥电机上设有排肥叶轮，抛撒肥料是叶轮的主要功能。导向板对肥料抛撒面大小形成一定调控作用。

4 智能控制变量施肥机的应用情况

为明确本课题设计变量施肥装置的效能，在2019 年8 月份在某村开展了土地变量施肥试验，选取南薯作为种植品，复合肥作为主肥，尿素是追肥。试验选用的土地种植面积是典型的小田块，总面积为866.67 m2，大概0.09 hm²，实测得水平倾角（φ）10.7°。选用东方红-13 型拖拉机牵引作为施肥机的动力装备，机组前行速度设定为3.4 km/h。

首先，参考试验田块地形地貌，基于倾斜网络法进行田块规划，并对小面积田块进行编号处理。将小区宽度A 定义为播种机的播幅，小区长度B 为20 m。检测各分区的土壤养分类型及具体含量。

其次，将以上数据（测得的各分区土壤养分情况，南薯生长需求养分信息，南薯、尿素和复合肥产品价格S1、S2、S3，复合肥内N、P、K 含量a、b、c，尿素的含氮量45.0%，施肥量和农作物产量等相关性数据）整体输送到变量施肥机内，启用单片机系统生成南薯变量施肥模型，并参照施肥区规划情况编制相配套的施肥方案。设定施肥量DU 为401.1 kg/hm²， DF为472.7 kg/hm²。

该台变量施肥机还配置了GPS、GIS、3S 及计算机处理系统。将计算机显示屏幕装设在操作台的右侧，当拖拉机在农田间运行时，因为地垄高低不同，以致拖拉机无法实现恒速运作，基于GPS 系统的精准定位与计算机的屏幕呈现功能，排肥轴智能的把将N、P、K 等肥料依照所设定的准确量逐一施加到土地内，取得较好的变量施肥效果。

统计不同时点排肥器排量稳定性的实验数据，经测算分析后，得出施肥机在3.4 km/h速度下施肥作业，排肥器排肥量的理论值和实测值的绝对最大误差是2.32%，处于受控范围中（≤2.95%），转速绝对误差最大值2.51%，同样得到较好的控制（≤2.68%）2.67%。