精準變量施肥控制軟件設計研究

初金哲，莊衛東，衣淑娟

(黑龍江八一農墾大學 ，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

20世紀90年代以來，精準農業在發達國家發展較快，規模較大。在美國中西部大平原，土地相對平整，經營規模廣闊，精準農業發展較為迅速。目前，精準農業技術領域已涉及植物保護、施肥、精量播種、水分管理和耕作等各相關領域[1]。

在國外，歐美等國家走在農業技術發展的前端，根據需求大量減少化肥的投入量，使用時根據農作物的需求釆用精準農業技術，精確地調配化肥和農藥的投入量，提高了化肥和農藥的利用率，使生產成本下降，增強了施肥效果，同時降低了農藥與化肥對于環境的污染[2]。歐美等國家還通過提高化肥和農藥的質量及采用農業機具進行中耕施肥，使化肥和農藥的利用率大幅度提升，主要以日本、美國、法國等西方國家為代表[3-6]。大多數發達國家的科學家確立了較為完整的信息網絡，將每年的農作物產量與磷肥、氮肥、鉀肥施肥量，以及土壤養分含量、肥料類型、生長關鍵期的墑情分布等數據輸入到精準農業系統進行存儲，取得了較大的科研進步[7]。目前，精準變量施肥技術在發達國家的大多數大型農場得到應用，其化肥和農藥的利用率達到72%左右。

國內精準變量施肥技術研究的起步相對于歐美等國發展較晚，且設計的精準變量施肥控制軟件對于我國的農作物都具有針對性、地域特殊性，還不適合我國的不同地區和不同農作物施肥模式。精準變量施肥技術仍處于性能測試時期，所以并沒有在我國進行大地塊間的推廣與應用。我國肥料投入使用的技術和手段相對落后，我國化肥的平均利用率僅為35%左右[8]，造成了肥料的巨大浪費，生態環境的迅速惡化。因此，我國從2005年起決定在大田間開始大力推廣和普及精準變量施肥技術。近年來，國內的很多高等院校和農業科研單位大量引入國外先進的精準變量施肥技術，進行消化和接納，取得了顯著的成果。我國自主研發了適用于玉米大豆等農作物的變量施肥機具和精準變量施肥控制系統，主要以國家農業信息技術研究中心、中國農科院、北京農林科學院、河北農業大學、吉林大學及上海交通大學等科研院校為主，并建立了土壤肥料信息系統、小麥綜合管理專家系統、變量施肥智能空間決策支持系統及田間地理信息系統等[9-11]。

為此，針對目前國內變量施肥技術的研究現狀，通過利用Visual Basic6.0、MapObject2.2軟件編寫精準農業變量施肥控制軟件，包括對GPS設備的接收與發送端口數據編寫、CAN總線數據的接收與發送端口數據編寫、CANCOM轉換模塊編寫、施肥調試功能編寫、變量施肥標定功能編寫、變量施肥處方圖功能編寫及記錄作業圖功能編寫。通過編寫的軟件進行室內試驗，對精準變量施肥控制軟件各部分功能進行進一步優化，為下一步在田間進行變量施肥作業試驗打下基礎。試驗由精準變量施肥控制軟件操控室內變量施肥試驗臺上進行，能夠最大限度地提高肥料的利用率[12]。

為了操控變量施肥試驗臺，設計了變量施肥控制軟件，可達到提高肥料利用率、提升農民生產經濟效益和環境效益、按需施肥的目的，提高了我國現代化農業變量施肥的技術水平。

1 精準變量施肥控制軟件設計

1.1 軟件總體框架

依據精準變量施肥控制軟件的主要研究內容，將精準變量施肥控制軟件整體框架結構劃分為8大模塊，即GPS設備的接收與發送端口數據模塊、CAN總線數據的接收與發送端口數據模塊、CANCOM轉換模塊、輸出模塊、施肥調試模塊、變量施肥標定模塊、變量施肥處方圖模塊及記錄作業圖功能模塊。編寫8個功能模塊，以施肥調試模塊和變量施肥處方圖模塊為研究的中心環節，其界面如圖1所示。

圖1 精準變量施肥控制軟件界面圖

1.2 GPS接收模塊

GPS接收功能模塊可以通過RS-232串口接收GPS信息，包括時間、日期、衛星個數、衛星信號、速度、經度、緯度、大地高程及航向等，并顯示GPS數據流，接收到GGA、RMC、GSV、VTG、GSA、BD等語句，保證了各項信息實時的更新及GPS數據信息準確性、實時性。GPS接收功能模塊如圖2所示。

1.3 CANCOM轉換模塊

利用一個CANCOM轉換模塊將CAN數據轉換為串口數據進行接收，也可以通過軟件發送串口數據通過CANCOM轉換模塊轉換為CAN數據進行發送。

1.3.1 設備連接

首先將CANCOM轉換模塊連接好電源線、CAN總線及USB轉232轉換器。EARTH管腳為接地線，CAN_G 為信號地，這兩個腳可不用連接；CAN_L為CAN低，CAN_H為CAN高，不要接反。CANCOM轉換模塊連接電源后，設備3個燈的狀態應該為PWR常亮，COM閃爍，CAN不亮。CAN燈只有在有CAN數據收發或配置時才會亮起。轉換模塊如圖3所示。

圖2 GPS接收功能模塊

圖3 CANCOM轉換模塊

1.3.2 配置說明

配置界面如圖4所示。需要配置的參數主要有串口波特率和CAN總線波特率，配置前需要確認好這兩個信息。轉換模式選擇為透明轉換，配置好參數后點擊寫配置，完成配置工作。

圖4 調制配置界面

1.4 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊主要包括兩大部分，即RS-232串口的接收與輸出、CAN總線數據的發送與接收。

1.4.1 RS-232串口的接收與輸出

首先選擇與GPS設備相符的通信端口號(COM2)設置基本信息如下：通信波特率選擇為9 600，奇偶校驗為無，數據長度為8，停止位為1位；然后，點擊打開按鈕精準變量施肥控制軟件開始接收GPS信息。串口輸出調試界面如圖5所示。

圖5 串口輸出調試界面

1.4.2 CAN總線數據的接收與輸出

首先選擇與變量施肥試驗臺設備相符合的CAN總線數據端口號COM1，通信波特率選擇為250 000；然后，點擊打開按鈕精準變量施肥控制軟件開始接收變量施肥試驗臺發送的CAN總線數據信息，以及通過軟件向變量施肥試驗臺發送CAN總線數據信息指令操控變量施肥試驗臺進行作業試驗，如圖6所示。

1.5 施肥調試模塊

施肥調試模塊是精準變量施肥控制軟件的核心部分，可以精準地調控變量施肥試驗臺進行變量施肥作業。施肥調試模塊包括機具信息、施肥管理、施肥作業信息、設備信息等模塊。

1.5.1 機具信息

進入機具信息模塊選擇相對應的機具信息，如肥管數目、作業幅寬等；選擇完畢后，點擊確定按鈕進行更新信息。機具信息界面如圖7所示。

圖7 機具信息界面

1.5.2 施肥管理

進入到施肥管理模塊，首先選擇使用肥料的名稱與類型，然后進行總體目標施肥量的選擇。本模塊設置了化肥類型為N肥、P肥、K肥、W肥等4種肥料類型供使用者進行選擇，可供選擇的肥料分別為尿素、硝酸鈉、磷酸一銨、磷酸二銨、硫酸鉀及硫酸鋅等,如圖8所示。

圖8 施肥管理界面

1.5.3 施肥作業信息

在機具信息與施肥管理信息選擇完畢后，進入施肥作業信息模塊就會出現如圖9所示的信息。施肥作業信息模塊的主要作用是直觀地顯示出所選擇化肥類型、化肥名稱、肥管數量、化肥排量、目標施肥量，以及用來觀測的實際施肥量等信息。

圖9 施肥作業信息界面

1.5.4 設備信息

在設備信息模塊中，可以直觀地觀測到所連接的變量施肥試驗臺的通訊信息、作業狀態、作業幅寬、地輪轉速、行駛速度及馬達轉速的信息，如圖10所示。地輪轉速、作業幅寬、作業狀態及實際馬達轉速都來源于變量施肥試驗臺傳輸的信息(即通訊信息)。行駛速度可以取自GPS接收機的速度，也可以人為進行修改。當點擊啟動作業按鈕時，機具開始進行作業，頁面中實際施肥量及實際馬達轉速根據行駛速度的改變和目標施肥量的改變開始發生改變；點擊停止，機具作業停止。

圖10 設備信息界面

1.6 變量施肥標定模塊

變量施肥標定模塊可以觀測肥料類型、肥料名稱、目標轉速、運行時間、倒計時及實際轉速等信息。變量施肥標定模塊是用來檢測軟件中所顯示的液壓馬達轉速和液壓馬達的實際轉速是否相同，以此來判定精準變量施肥控制軟件能否精準地控制機車的馬達轉速；進入變量施肥標定模塊后，首先選擇肥料類型和肥料名稱，然后選擇目標轉速并輸入目標值，最后設置運行的時間。點擊啟動按鈕可以觀測實際馬達轉速的數值，以此與目標值進行對比，來判定精準變量施肥控制軟件能否精準地控制機車的馬達轉速。施肥標定界面如圖11所示。

圖11 施肥標定界面

1.7 變量施肥處方圖模塊

變量施肥處方圖模塊可以觀測調入軟件中處方圖的經度、緯度、土壤養分含量及機車的行駛速度(輸出級別)。依據在變量施肥處方圖上的一定變量施肥處方圖界面，可以實時觀測到地圖上個點的經度、緯度及土壤養分含量等信息，如圖12所示。

圖12 變量施肥處方圖界面

首先選擇添加圖層調入變量施肥處方圖，選擇控制圖層和分組級別可以直觀地根據顏色看出在這一地塊中土壤養分的分布情況；點擊開始作業按鈕，變量施肥試驗臺開始模擬地塊進行變量施肥作業；作業結束后，變量施肥試驗臺停止工作，軟件后臺會對本次基于變量施肥處方圖的變量施肥作業進行記錄，并將記錄圖保存在DATA文件夾中，名字為2017年12月22日9點55分31秒開始作業記錄，文件類別為MDB 文件。

1.8 記錄作業圖功能模塊

記錄作業圖功能模塊可以觀測調入軟件中作業記錄圖記錄的點數、經度、緯度、施肥量最大值和最小值、變量施肥作業的行走路徑等信息，如圖13所示。

圖13 記錄作業圖界面

首先點擊打開作業數據按鈕打開記錄圖文件，選擇施肥量點擊繪制圖，軟件會根據變量施肥試驗臺行走的路徑進行繪制。如果想直觀地顯示，也可以點擊投影圖按鈕。隨著鼠標在記錄圖上點的移動，軟件會顯示出實時的點的經度、緯度、實際施肥量等信息(也可以通過觀察顏色來直觀判定施肥量得多少)。點擊回放按鈕，記錄圖界面會顯示變量施肥作業過程中從開始作業到結束作業過程中每一個記錄點，最終合成行走路線(記錄圖)。

2 精準變量施肥控制軟件測試試驗

2.1 試驗方案

變量施肥試驗臺正常運轉后，打開施肥監控系統及施肥控制器，將尿素裝入肥箱，將排肥軸動力裝置連接液壓泵站，將排肥器的排肥口打開，開啟施肥控制器中的精準變量施肥控制軟件；打開串口與CAN口接收變量施肥試驗臺數據信息，分別為通訊信息、作業狀態、實際施肥量及地輪轉速等，進入變量施肥調試界面設定肥料類型、肥料名稱、肥管數量、化肥排量、目標施肥量、作業幅寬及機車行駛速度等參數；點擊啟動作業按鈕，變量施肥試驗臺開始運轉，排肥軸開始轉動，在試驗臺開始運作5s之后、排肥器運作穩定時開始進行試驗。將排肥器的開度定位55mm，開啟施肥控制器進入變量施肥調試界面進行操作，設定機車行駛速度5km/h，在觸摸屏中利用觸摸筆進行操作點擊，目標施肥量數值改變。試驗中，目標施肥量調控范圍為300～450kg/hm2，運行時間60s，排出的肥料名稱為尿素。最后，點擊啟動作業按鈕，排肥軸開始轉動，在試驗臺開始運作5s之后、排肥器運作穩定時開始試驗。

2.2 試驗結果

對于尿素，當排肥器的開度定位在55mm，確定機車行駛速度為5km/h，改變目標施肥量調整范圍在100～450kg/hm2，采集到變量施肥試驗臺實際的液壓馬達轉速數值。對采集到的數據運用SPSS軟件進行回歸分析，如表1、表2所示。

表1 目標施肥量與馬達轉速之間的關系

表2 回歸分析表

續表2

由表2可看出：顯著性為0，小于0.05。這說明，目標施肥量與馬達轉速之間有影響并且極顯著。回歸分析表中的Beta值代表回歸系數，Beta值大于0.8，說明方程線性相關。該數為0.946，大于0.8，說明目標施肥量與馬達轉速之間存在線性關系。

3 結論

編寫了精準變量施肥控制軟件，通過對軟件的性能和功能檢測，進一步優化，最終確定軟件核心功能符合本文設計的需求。精準變量施肥控制軟件實現了CANCOM數據信息之間的轉換交流。試驗結果表明：本精準變量施肥控制軟件技術先進、性能可靠、操作方便，具有較高的控制精度，滿足設計要求。