支持種肥監測的變量施肥系統設計與試驗

楊 碩 王 秀 翟長遠 竇漢杰 高原源 趙春江

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.北京農業智能裝備技術研究中心， 北京 100097； 3.國家農業信息化工程技術研究中心， 北京 100097； 4.俄克拉荷馬州立大學生物系統與農業工程系， 斯蒂爾沃特 74078)

0 引言

施肥播種作業過程中出現施用量精度低、漏播和重播等問題時，將對作物產量造成損失，且污染環境，制約著智能化播種施肥機作業高效發揮。學者在保證種子、肥料的精準化、高效施用方面做了大量的研究，主要集中在精準施肥技術和施肥播種作業狀態監控兩方面[1-4]。精準施肥技術根據目標作物的需肥種類及用量，將肥料施到作物所需的最佳位置。寬幅施肥機多采用液壓馬達驅動控制，適應我國華北等地區的小地塊施肥機多采用電動機驅動方案。文獻[5-7]研究了采用光譜探測、圖像處理及土壤傳感器等實時獲取施肥決策的方法，控制施肥機進行施肥；文獻[2-3,8-14]報道了采用模糊控制、PID控制等多種變量技術來保證肥料用量的精確，并進行了系統的試驗研究；文獻[15-16]在施肥播種關鍵機構方面進行了研究，以保證施肥播種的精量實施。精準施肥技術依據施肥處方圖指導作業，施肥處方圖網格劃分方法對準確施肥至關重要，學者普遍采用垂直或任意角度的均等網格劃分，在網格橫向長度上依據機具作業幅寬或者方形網格，縱向長度上反映的準確度受變量施肥裝備位置滯后及系統反應時間的影響[17-18]。在施肥播種作業狀態的監控方面，通過監控播種、施肥過程中作業參數的變化，對異常故障進行處置。Precision Planting公司生產的20/20 SeedSense系統可以實現多路玉米播種漏播、重播等狀態的監測和機具實時工作地圖的顯示。文獻[19-20]通過研制施肥播種監測傳感器，獲取排種、排肥狀態信息。盧彩云等[4]對施肥播種作業監控系統進行了研究，對小麥播種進行實時監控。文獻[1,21-24]針對連續和間斷播種兩種不同的播種類型進行了研究，并在試驗樣機中對系統進行驗證。DICKEY-john公司生產的智能農業設備通過CAN接口單元的擴展可以實現對播種、施肥的控制和監測。國內學者大多針對單一方面進行研究，造成在施肥機工作過程中，為達到施肥狀態監測和變量施肥實施，需同時安裝兩套控制系統，操作復雜，成本增加。為此，研究一種集成多路施肥作業監測和變量施肥控制的系統迫在眉睫。

針對以上問題，本文擬設計一種實現多路施肥播種作業狀態監測和施肥參數監控的集成系統，旨為解決連續型播種施肥一體機主要作業參數的控制和監測提供一種方法。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

設計的支持多路排肥監測的電動施肥控制系統如圖1所示。控制系統主要由控制器、觸摸屏、數據采集器、排肥電動機、GPS測速模塊、機具起降傳感器和種肥監測傳感器組成。其中，排肥電動機通過鏈輪連接排肥軸，用于排肥控制；種肥監測傳感器安裝于排種器或排肥器出口位置，用于監測連續型排種或肥料下落；機具起降傳感器安裝于機具起降懸掛軸位置，用于監測機具升降；GPS測速模塊接收器安裝于拖拉機頂端高處，用于獲取機具行進速度。

圖1 控制系統結構示意圖Fig.1 Structural diagram of control system1.種肥監測傳感器 2.排肥器 3.鏈輪 4.排肥電動機 5.排肥軸 6.機具起降傳感器 7.數據采集器 8.車載蓄電池 9.觸摸屏 10.控制器 11.GPS測速模塊

工作時，拖拉機帶動播種施肥機前進，控制器根據觸摸屏設置參數，整合機具作業速度和機具起降信息，控制排肥電動機轉速，帶動排肥軸轉動，實現精量排肥。數據采集器采集種肥監測傳感器狀態，接收控制器指令，將信息反饋給控制器。

控制器利用應用協議解析反饋指令，獲得各路排種或排肥狀態，將數據傳送至觸摸屏實時顯示，發生故障時，啟動蜂鳴器進行報警，實現多路排種或排肥作業狀態監測和精量排肥的集成控制。

1.2 硬件設計

控制器以STC12C5A60S2為核心，控制系統硬件框圖如圖2所示。MCU內置雙串口資源，通過UART0與DC48270B043_06WK_RTC型觸摸屏通訊，通過UART1與JY-DAM-3280D型數據采集器通訊。該觸摸屏支持RS232串口通訊，可滿足對施肥播種作業系統排肥量等參數的設置與監控以及各路排種、排肥狀態圖形化監測的要求。數據采集器具有32路開關量輸入和8路模擬量輸出的功能，支持標準Modbus RTU通訊協議，滿足最多32路種肥監測傳感器的信號讀取的要求。種肥監測傳感器(保定聯宇電子科技有限公司)采用光電對管探測原理，常態為低電平，觸發后為高電平，觸發脈沖延時3.5 s自動復位，可重復觸發，該傳感器可滿足對連續播種、施肥進行監測的要求。機具起降傳感器選用LIS331型傾斜開關傳感器。GPS測速模塊(北京農業信息技術研究中心)能夠將速度信號轉換為頻率信號輸出，測速范圍為1.8～130 km/h，采集速度每增加1 km/h，輸出頻率信號增加36.1 Hz。GPS測速模塊輸出信號經頻率脈沖隔離模塊傳輸至MCU I/O監測口。

圖2 控制系統硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of control system

本試驗樣機中排肥電動機采用D5BLD200-24V-30S型電動機，由DMKE D750-BLD型電動機驅動器驅動，另配有PLF090-L2-20-S2-P2-T型減速器。MCU通過改變頻率，經FVS-200HZ5V型F/V轉換模塊，轉換為電壓模擬量控制電動機驅動器，對電動機轉速進行控制，同時監測電動機反饋轉速，實現精量排肥的控制和監測。

1.3 觸摸屏界面設計

觸摸屏界面實現施肥量的設置及監控、多路施肥播種作業狀態參數設置及監測(圖3)。設置主界面包括施肥量相關參數設置和播種施肥作業狀態監測設置。施肥量相關參數的設置包括每公頃施肥量、作業幅寬和施肥量及排肥器個數。多路施肥播種作業狀態的設置包括監測工作行號設置和監測靈敏度設置。

圖3 觸摸屏界面Fig.3 Interface of touch screen

其中，施肥量設置為每公頃所需肥量；作業幅寬設置為機具作業幅寬；每轉肥量設置為單排肥器每轉排肥量；排肥器個數設置為實際工作排肥器個數；監測靈敏度設置為控制器對種肥監測傳感器信號脈沖的掃描間隔時間；工作行設置為對應工作行號。數據監控界面可對實時施肥量、總施肥量和作業面積進行實時監測。多路施肥播種監測界面可實現工作行數中各路工作狀態監測，正常狀態顯示為綠色，否則為紅色。

1.4 控制算法設計

播種施肥機通過GPS測速模塊獲得機具行進速度，速度脈沖頻率每增加36.1 Hz，則說明機具行進速度增加1 km/h，控制器取3次行進速度的平均值作為輸出值，則播種施肥機速度為

(1)

式中v——播種施肥機行進速度，m/s

f——GPS測速模塊信號頻率，Hz

排肥電動機與排肥軸傳動比為1∶1，則排肥電動機輸出轉速為

(2)

式中n——排肥電動機輸出轉速，r/min

w——機具作業幅寬，m

q——施肥量設定值，kg/hm2

p——單排肥器每轉排肥量，g/r

m——工作排肥器個數，個

MCU通過輸出頻率，經F/V轉換模塊，由電動機驅動器控制電動機轉速輸出。播種施肥機作業面積通過單位時間內的工作面積累加獲得，作業面積為

(3)

式中S——作業面積，hm2

t——工作時間，s

排肥軸轉速監測通過電動機轉速反饋頻率確定，則排肥軸轉速為

(4)

式中nb——排肥軸轉速，r/min

fb——電動機轉速反饋頻率，Hz

Pb——排肥電動機極對數，為4

I——減速器減速比，為20

系統由電動機轉速反饋頻率獲取排肥電動機轉速實際值，單位時間內的排肥電動機轉速實際值累加，獲得排肥軸轉動圈數的累加值，則總施肥量為

會議要求，各級黨委（黨組）要加強對《條例》實施的組織領導。要抓好《條例》的宣傳解讀和學習培訓，使各級黨組織和廣大黨員深入領會《條例》精神，全面掌握《條例》內容，增強貫徹執行《條例》的思想自覺和行動自覺。要加強對黨員領導干部的培訓，提高抓好黨支部工作、推動黨支部建設的本領。要加強督促落實，確保《條例》各項規定要求落到實處。

(5)

圖4 控制系統流程圖Fig.4 Flow charts of control system

式中Q——總施肥量，kg

控制系統流程如圖4所示。程序初始化參數后，通過UART0與觸摸屏通訊，發送讀取觸摸屏控件初值的指令。觸摸屏接收到讀取指令，向外發送對應控件參數指令，MCU通過對應協議解析獲得各變量值。GPS模塊冷啟動結束后，向外發送測速脈沖，MCU通過外部中斷0接收該脈沖信號，并對脈沖信號進行測頻計數。速度脈沖頻率每1 s更新，根據公式(1)計算出機具行進速度，并將單位時間速度脈沖計數值清零；分別利用公式(4)、(3)、(5)計算反饋轉速、作業面積和總施肥量。接收到機具下降傳感器信號后，MCU根據公式(2)計算排肥電動機輸出轉速，通過電動機轉速控制曲線獲得輸出頻率值，啟動PWM輸出。排肥電動機運轉后，MCU通過外部中斷1接收排肥電動機反饋轉速脈沖。

間隔1 s，通過UART0向觸摸屏發送數據更新指令。每隔100 ms，MCU通過UART1向數據采集器發送讀取32路開關量采集口狀態指令，將返回數據存入數組hex[j]，對接收到的數據和D_3208_m(初值0x01)進行按位與運算，每進行一次，D_3208_m左移1位，令D_3208_z=D_3208_m&hex[j]，若D_3208_z=D_3208_m，則說明該位監測到了種肥監測傳感器信號，將該路報警監測標志位置0。

若該位未監測到種肥監測傳感器信號，判斷是否到達監測靈敏度設定時間，若超過設定時間，判定該路是否設定為工作狀態，若為工作狀態，則啟動蜂鳴器報警，通過UART1向觸摸屏發送該路故障指令。

2 試驗平臺搭建

2.1 施肥播種監測性能試驗臺

搭建施肥播種監測性能試驗臺，對系統監測性能進行試驗，如圖5所示。

圖5 施肥播種監測試驗臺Fig.5 Diagram of test platform1.控制器 2.報警燈 3.數據采集器 4.箱體 5.支架 6.外槽輪排種器(或排肥器) 7.種肥監測傳感器 8.導管 9.塑料容器 10.電動機 11.電動機驅動器 12.開關電源 13.稱重儀 14.觸摸屏 15.PC機

試驗臺利用開關電源(AC220V-DC12V)供電，由PC機AQMDBLS控制軟件控制AQMD3608BLS型驅動器驅動電動機，從而實現外槽輪排種器或排肥器的轉速控制。觸摸屏用于參數設置和數據讀取；系統控制器進行數據處理；報警燈用于工作狀態報警；數據采集器用于采集種肥監測傳感器的信號。種肥監測傳感器安裝于排種器或排肥器出口位置，下端連接直徑為44 mm的導種管。直徑為0.3 m，高0.15 m的塑料容器用于收集從導管下落的物料。BT418/15B型稱重儀(2.5 g～15 kg，精度0.5 g)對下落的物料進行稱量。

2.2 排肥量變化響應時間性能試驗臺

搭建排肥量變化響應時間性能試驗臺，如圖6所示。將排肥箱升高，下側布置傳送帶，排肥器排肥口距離傳送帶的高度為0.5 m。排肥口處連接導肥管，導肥管出口處緊貼傳送帶表面。在導肥管出口位置設置長度約0.3 m的擋板，防止肥料外濺出傳送帶。傳送帶寬度為0.15 m，總長度4 m，可通過電動機驅動器進行轉速的調節，傳送帶末端轉軸上安裝有轉速碼盤，通過GS08A3-2-Z/BX型齒輪測速傳感器進行測速。

圖6 排肥量變化響應時間性能試驗臺Fig.6 Test platform of response time with different fertilizer rates1.測速碼盤 2.無刷電動機 3.肥箱 4.排肥器 5.導肥管 6.擋板 7.測量尺 8.傳送帶 9.傳送帶電動機驅動器 10.控制器 11.排肥電動機驅動板 12.齒輪測速傳感器

3 試驗與結果分析

3.1 監測靈敏度試驗

監測靈敏度設置的時間長短直接影響排種、排肥監測的可靠性，時間過長，導致報警不及時，時間過短，導致誤報警次數的增加。為了避免在特定落料流速下，因掃描周期短而導致誤報警情況的發生，同時獲得最短的響應時間，進行了系統監測靈敏度試驗。

試驗分別利用磷酸二胺顆粒肥(容積密度為980 g/L)和小麥(容積密度為796 g/L)在不同流速下進行試驗，得出排肥速率為10 686 g/min(轉速100 r/min)時，種肥監測傳感器反饋頻率最低，平均值為2.5 Hz，方差為1.4 Hz；排種速率為6 087 g/min(轉速75 r/min)時，監測反饋頻率最低，平均值為2.4 Hz，方差為1.7 Hz。為了避免誤報警，同時獲取最高的監測靈敏度，選擇種肥監測傳感器監測反饋頻率最低時的槽輪轉速作為試驗設定轉速，排肥時選定槽輪轉速為100 r/min，排種時選定排肥轉速為75 r/min，設定脈沖監測閾值為1。通過觸摸屏設定監測靈敏度時間，范圍為1～5 s，設定間隔1 s，每組試驗采樣100次。對系統誤報警次數進行記錄，結果如表1所示。

由試驗結果可得，監測靈敏度設定為3 s時，系統監測排肥的準確率達到100%，監測排種的準確率為99%。因此，設定脈沖監測閾值1、監測靈敏度3 s為系統對排種、排肥可靠監測的設置參數。

表1 監測靈敏度試驗結果Tab.1 Experiment results of monitoring sensitivity

3.2 單排肥器排肥量變化響應時間試驗

排肥量變化響應時間直接影響精準變量施肥處方邊界變化時變量實施效果，為了獲得系統排肥量變化的響應時間關系，利用排肥量變化響應時間試驗臺(圖6)進行試驗。試驗時，傳送帶的行進速度設定為2.88 km/h，通過控制器改變排肥量，在0～11 500 g/min范圍內，以575 g/min為間隔依次進行試驗，采集3 m內間隔20 cm的排肥量，則每次肥量收集的時間間隔為0.25 s，記錄各肥量及時間點，獲得肥量變化隨響應時間的結果，如圖7所示。試驗結果表明，在0～11 500 g/min的排肥量變化范圍內，系統響應時間最大為0.75 s，平均為0.56 s，標準差為0.18 s。

圖7 排肥量變化響應時間試驗結果Fig.7 Results of response times with different fertilizer rates

3.3 排肥量控制精度試驗

為了驗證系統的排肥量控制精度，以試驗樣機為平臺，進行了排肥量控制精度試驗。試驗樣機以2BMGF-7/14型免耕播種施肥機為平臺，幅寬220 cm，選用的N-P2O5-K2O符合肥料容積密度為920.3 g/L，單排肥器每轉排肥量為62.9 g/r。試驗時，控制器設定施肥量范圍為450～750 kg/hm2，試驗樣機在4～6 km/h范圍內勻速或隨機速度行駛，于排肥鏟出口處設置塑料袋收集肥料、稱量，采樣距離為30 m，單次試驗采樣作業面積為67.2 m2。

3.3.1電動機轉速控制曲線

電動機轉速精度直接影響排肥量的控制精度。電動機驅動器具有模擬量驅動和頻率驅動兩種方式，經試驗測得，模擬量驅動方式具有更好的轉速控制穩定性和線性度。由于STC12C5A60S2單片機無模擬量輸出功能，系統采取改變控制器輸出頻率的方式，經F/V轉換模塊，控制電動機驅動器。為了獲得電動機轉速與頻率的關系曲線，設置輸出頻率范圍為0～160 Hz，間隔10 Hz，采集電動機輸出轉速，試驗結果如圖8所示。

圖8 電動機轉速控制曲線Fig.8 Control curve of motor rotation speed

由試驗可得，采用最小二乘法直線擬合，R2=1，輸出頻率與轉速具有良好的線性關系，確定了電動機輸出轉速與系統輸出頻率的計算關系。

3.3.2測速標定試驗

機具行進速度的獲取精度對于系統排肥量控制精度影響較大。于河北省趙縣農村合作社對GPS測速模塊進行了測速標定試驗，在機具行進速度2.35～6.75 km/h范圍內，行進30 m過程的試驗數據如表2所示。系統監測速度為GPS測速模塊輸出頻率增加36.1 Hz時，機具行進速度增加1 km/h計算的速度；實際速度為機具行進30 m過程中的速度平均值；速度線性系數為實際速度與系統監測速度的比值。結果表明GPS測速線性系數平均值為1.20，方差為0.02，最終確定測速模塊的線性系數為1.20。

表2 GPS模塊測速標定試驗結果Tab.2 Calibration experiment results of GPS speed module

3.3.3排肥量控制精度試驗

試驗結果如表3所示，可得在設定施肥量為450、600、750 kg/hm2范圍，4～6 km/h勻速下，排肥量準確率平均值分別為96.90%、94.72%和97.76%，方差分別為2.79%、1.13%和1.14%。變車速下的排肥量準確率分別為92.95%、96.79%和99.75%。系統在變行進速度的過程中，排肥量準確率平均值分別為95.92%、95.24%和98.26%，方差分別為3.01%、1.39%和1.36%。施肥量設定范圍為450～750 kg/hm2，總體排肥量準確率平均值為96.47%，肥量控制效果較好，排肥量準確率大于93%。在設定600、750 kg/hm2的排肥量準確率中，變行進速度的準確率高于勻速時，可能是由于GPS測速模塊在低速和較高速度下測量誤差相互補償造成的。

表3 排肥量控制精度試驗結果Tab.3 Experiment results of accuracy of fertilization

3.4 系統施肥量變化響應時間試驗

以試驗樣機為平臺，施肥量變化值為75、150、225、300、375、450 kg/hm2，依次在播種施肥機行駛過程中進行手動施肥量輸入，使施肥量變化差值依次等于上述施肥量變化值，依次分成6組進行試驗，記錄行進距離30 m，采樣間隔為1 m，如圖9所示。

圖9 系統排肥量變化響應時間試驗Fig.9 Experiment of system response time with different fertilizer rates

通過采樣間隔除以速度得到采樣時間，由采樣間隔內肥量變化分析得出施肥量變化過程中系統響應時間。對每個施肥量變化值重復記錄2或3次響應時間，取平均值，試驗結果如表4所示。

各施肥量變化值下，6組總平均響應時間為1.08 s，標準差為0.21 s；平均速度為3.79 km/h時，平均反應距離為1.14 m，標準差為0.22 m。結果表明施肥量變化與響應時間不存在明顯的正相關性，說明電動機驅動變量排肥控制具有較穩定的響應時間。

表4 系統施肥量變化響應時間試驗結果Tab.4 Experiment results of system response time with different fertilizer rates

3.5 田間試驗

利用試驗樣機，于河北省趙縣光輝農業機械服務專業合作社進行了大田試驗(圖10)。設定施肥量為450、600、750 kg/hm2，采集播種施肥機行進30 m內的排肥量，利用施肥總量減去剩余總量獲得排肥量，測得排肥量準確率分別為94.41%、92.61%和97.05%，系統排肥量準確率平均值為94.69%，方差為2.23%。表明系統在大田工作環境，仍能保持良好的排肥控制精度。進行了系統監測可靠性驗證，設定監測靈敏度為3 s，脈沖監測閾值為1，系統采集14路排種、排肥過程中，人為堵塞任意1路，采樣100次的試驗中，系統報警準確率為100%。

圖10 田間試驗Fig.10 Field experiment1.GPS測速模塊 2.種肥監測傳感器 3.壓實輪 4.排種軸 5.排肥軸 6.拖拉機 7.排肥電動機 8.控制器

4 結論

(1)設計了一種支持多路施肥播種狀態監測的變量施肥機集成控制系統，該系統能夠完成設定排肥量，根據機具行進速度改變排肥電動機轉速，達到精量排肥；對多路施肥播種作業狀態進行可視化監測，并進行故障報警的功能。該系統能夠滿足對小麥播種施肥機、玉米追肥機等連續型播種監測、施肥監測和排肥量控制的要求。

(2)確定了單排肥器和整機兩種情況下，采用電動機驅動排肥控制的系統肥量變化響應時間。試驗結果表明，單排肥器排肥量變化0～11 500 g/min的范圍內，系統響應時間最大為0.75 s，平均為0.56 s，標準差為0.18 s；在整機試驗中，設定排肥量變化范圍為75～450 kg/hm2，以75 kg/hm2遞增，平均響應時間最大為1.42 s，平均反應距離最大為1.51 m(行進速度3.80 km/h)。

(3)試驗結果表明，系統解決了多路連續性排種、施肥監測與精量排肥控制集成的問題。在改變行進速度的過程中，施肥量設定范圍為450～750 kg/hm2，整機試驗得系統總體排肥量準確率平均值為96.47%；田間試驗得排肥量準確率平均值為94.69%，方差為2.23%，系統能夠滿足施肥精度要求；采用數據采集器對最多32路排肥監測，設定監測靈敏度為3 s時，小麥排種和施肥監測報警準確率達到100%。