基于Android和CAN總線的玉米播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究

丁友強(qiáng) 劉彥偉 楊 麗 張東興 崔 濤 鐘翔君

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

作為玉米生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，播種作業(yè)的質(zhì)量直接影響后期產(chǎn)量[1-4]。當(dāng)前，主要通過精量播種技術(shù)提高播種質(zhì)量，玉米精量播種技術(shù)是將定量的良種按照農(nóng)藝要求的株距、行距和播種深度進(jìn)行穴播，同時深施底肥的機(jī)械化種植技術(shù)[5]，該技術(shù)可以提高玉米植株的分布均勻性，減少植株間的光照、水肥競爭，進(jìn)而提高產(chǎn)量[6-7]。

精量播種機(jī)是實現(xiàn)玉米精量播種的關(guān)鍵，國外對精量播種機(jī)的研究較早，目前已由機(jī)械化轉(zhuǎn)向智能化，相關(guān)產(chǎn)品也已投入市場。Precision Planting公司基于20/20 SeedSense控制器開發(fā)的變量播種控制系統(tǒng)[8-10]可根據(jù)作業(yè)處方圖調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，還可以實現(xiàn)播種質(zhì)量實時檢測和精準(zhǔn)的下壓力控制；John Deere公司的SeedStarTM2播種控制系統(tǒng)[11-12]采取多控制器協(xié)同處理的CAN總線分布式控制方式，具有播種質(zhì)量檢測、下壓力控制以及變量施肥功能。國內(nèi)播種機(jī)在機(jī)械性能方面與國外的差距已逐漸縮小，但在智能化方面還明顯落后，實際生產(chǎn)中所用的玉米精量播種機(jī)大多采用地輪驅(qū)動、鏈條傳動[13-16]，且對玉米精量播種機(jī)控制系統(tǒng)的研究還僅限于排種器驅(qū)動電機(jī)的調(diào)速方式上[17-20]。高速、高精度是玉米精量播種機(jī)的發(fā)展趨勢，單方面提升機(jī)械性能難以滿足高速、高精度的作業(yè)要求，在現(xiàn)有高性能玉米精量播種機(jī)上增加監(jiān)控技術(shù)可提升系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)性能和智能化水平，也符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。

本文設(shè)計一種基于Android和CAN總線的玉米精量播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過GPS接收器獲取播種機(jī)前進(jìn)速度，采用CAN總線分布式控制方式設(shè)定各個播種單體排種器轉(zhuǎn)速，通過Android智能設(shè)備完成人機(jī)交互，實現(xiàn)播種行數(shù)任意拓展、拖拉機(jī)位置實時監(jiān)控、播種作業(yè)參數(shù)在線調(diào)整、作業(yè)面積實時統(tǒng)計等功能，以達(dá)到全面監(jiān)測播種機(jī)實時作業(yè)狀態(tài)、提高播種機(jī)智能化水平的目的。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，玉米精量播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由12 V供電電源、GPS接收器、主控制器、Android智能設(shè)備、CAN總線以及單體驅(qū)動系統(tǒng)組成，其中單體驅(qū)動系統(tǒng)又包括變壓器、驅(qū)動器、直流無刷電機(jī)、減速器和光電傳感器。播種作業(yè)時，需要將單體驅(qū)動系統(tǒng)掛接到CAN總線接口上，其個數(shù)由播種機(jī)實際情況確定；主控制器作為整個系統(tǒng)的運(yùn)算中心和信息樞紐，需要匯集來自系統(tǒng)各部分的信號，包括GPS接收器獲取的衛(wèi)星報文，Android智能設(shè)備設(shè)置的播種作業(yè)參數(shù)，驅(qū)動器反饋的電機(jī)狀態(tài)信息，綜合各部分信息后，主控制器一方面將各行電機(jī)轉(zhuǎn)速指令上傳至CAN總線供驅(qū)動器驅(qū)動直流無刷電機(jī)完成播種作業(yè)，另一方面將拖拉機(jī)位置、速度、作業(yè)面積，排種器轉(zhuǎn)速等信息通過USB線發(fā)送至Android智能設(shè)備，供駕駛員了解當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)，在上述過程中，主控制器面板上的GPS信號燈和USB通訊指示燈會以相應(yīng)頻率閃動，以明確系統(tǒng)各部分是否正常工作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system1.GPS接收器 2.RS232串口線 3.主控制器 4.GPS信號燈 5.Android指示燈 6.USB通訊指示燈 7.USB數(shù)據(jù)線 8.Android智能設(shè)備 9.12 V電源線 10.CAN總線 11.變壓器 12.驅(qū)動器 13.排種器 14.直流無刷電機(jī)和減速器 15.光電傳感器

2 硬件設(shè)計和器件選型

2.1 主控制器電源電路設(shè)計

電源電路主要由兩級降壓模塊組成，前一級降壓模塊采用LM2596-5.0型開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，用于將拖拉機(jī)車載蓄電池提供的12 V電源降至5 V，可滿足GPS信號電路、USB通訊電路的電壓需求，同時加入防反接二極管和濾波電路，提高電路安全性和穩(wěn)定性；后一級降壓模塊采用LM1117DT-3.3型電壓調(diào)節(jié)器并輔以濾波、去耦電路將前級5 V電壓降至3.3 V，為STM32主控芯片和CAN收發(fā)器供電，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主控制器電路原理圖Fig.2 Schematic of master controller

2.2 主控制器CAN通訊電路設(shè)計

系統(tǒng)采用CAN總線分布式控制方式，以方便根據(jù)播種機(jī)行數(shù)掛接不同的單體驅(qū)動系統(tǒng)個數(shù)，主控制器通過CAN總線和各個驅(qū)動單體進(jìn)行通訊，其通訊節(jié)點由一個CAN控制器和一個CAN收發(fā)器組成，主控芯片STM32的CAN接口即為CAN控制器，為了構(gòu)成完整節(jié)點，還需要外接一個CAN收發(fā)器[21]，考慮到田間作業(yè)環(huán)境，選用德州儀器公司生產(chǎn)的vp230型隔離式CAN收發(fā)器，該收發(fā)器可在靜電干擾、電壓突變和大噪聲環(huán)境下正常工作，通訊電路如圖2所示。

2.3 主控制器USB通訊和電平轉(zhuǎn)換電路

電平轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)在接收GPS衛(wèi)星報文時將RS232電平轉(zhuǎn)換為STM32可用的TTL電平，采用了比MAX232性能更穩(wěn)定的MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，具備功耗低、體積小的優(yōu)點；USB通訊電路用于STM32和Android智能設(shè)備之間的通訊，其核心是一塊CH9343型全速USB Android Host接口控制芯片，內(nèi)置USB協(xié)議解析器[22-23]，可通過改變芯片接口CFG2、CFG3、CFG4引腳電平選擇工作模式，這里將3個引腳都懸空，使其工作在UART模式。本研究是在前期研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，此部分電路可靠性已通過田間試驗驗證[17]，故沒有進(jìn)行重新設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4 主控制器面板設(shè)計

GPS接收器、主控制器、Android智能終端是系統(tǒng)的三大核心部分，能否正常工作直接影響作業(yè)質(zhì)量，因此在播種機(jī)作業(yè)過程中實現(xiàn)3部分工作狀態(tài)的實時監(jiān)控尤為重要，將GPS信號燈、Android指示燈、USB通訊指示燈安裝于主控制器面板上，以明確三者工作狀態(tài)是否正常，在Android端人機(jī)交互界面也可以獲取上述各部分的狀態(tài)信息，但依靠軟件實現(xiàn)具有延時性，從硬件上采取措施具有更高的可靠性和實時性，當(dāng)系統(tǒng)某部分出現(xiàn)故障時，對應(yīng)指示燈狀態(tài)會立即發(fā)生變化，提醒駕駛員停機(jī)檢查，減小了大面積漏播的風(fēng)險。

2.5 單體驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動器電壓需求為24 V，因此需要通過變壓器將車載蓄電池的12 V電壓升至24 V，本系統(tǒng)選用易穩(wěn)科技24 V、5 A的直流變壓器，具有適應(yīng)性好、轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點；為方便拓展，驅(qū)動器需具備CAN通訊功能，采用艾科力自動化科技有限公司開發(fā)的ADL060-10A型電機(jī)驅(qū)動器，該驅(qū)動器可驅(qū)動交流、無刷、有刷等不同類型的電機(jī)，直流無刷電機(jī)內(nèi)置霍爾傳感器，驅(qū)動器可根據(jù)霍爾傳感器輸出信號組合的變化頻率計算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速，并實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)PID控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流閾值可通過配套的上位機(jī)軟件設(shè)定，閉環(huán)控制參數(shù)也可通過上位機(jī)軟件自動整定；單體驅(qū)動系統(tǒng)中排種器驅(qū)動電機(jī)選用時代超群BL55S06-230TF9型直流無刷電機(jī)，減速器為瑞德傳動科技PL57B010A型行星減速器，傳動比為10，其選型依據(jù)均已在前期研究中闡明[17]。

3 軟件設(shè)計

3.1 GPS接收器靜止?fàn)顟B(tài)下的速度漂移測定

當(dāng)前電驅(qū)式播種作業(yè)的主要測速手段有編碼器測速、霍爾傳感器測速、雷達(dá)測速等。編碼器測速無法避免高速狀態(tài)下測速輪滑移、胎壓變化造成測速不準(zhǔn)的情況；霍爾傳感器測速適合在水泥地上，在翻耕地上變異系數(shù)較大；雷達(dá)測速可將誤差率控制在3%以內(nèi)，但受地表狀況影響較大，能提供的信息也僅限于速度一項。GPS測速不受播種機(jī)結(jié)構(gòu)、地表狀況的影響，且能提供包括經(jīng)緯度、航向角、高程在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)，相較于上述幾種測速方式具有較大優(yōu)勢。

圖3 UB-355型GPS接收器靜止?fàn)顟B(tài)下的速度漂移Fig.3 Drift velocity of UB-355 GPS receiver under stationary state

本系統(tǒng)在進(jìn)行播種作業(yè)時，由GPS接收器獲取播種機(jī)當(dāng)前速度，在獲取速度信息的過程中，會受到衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收器鐘差、大氣折射誤差以及信號的多路徑效應(yīng)等多種因素影響[24-26]，導(dǎo)致測量速度和實際速度存在差距，為衡量該誤差對系統(tǒng)性能的影響，統(tǒng)計了開闊地GPS接收器靜止?fàn)顟B(tài)下的速度漂移情況，采集樣本數(shù)為300個，結(jié)果如圖3所示，可以看出，樣本中速度漂移最大值emax=0.127 1 m/s，最小值emin=0.003 1 m/s,算術(shù)平均值eavg1=0.041 6 m/s；為進(jìn)一步研究速度漂移的分布規(guī)律，利用SPSS軟件對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其偏度系數(shù)為0.543，峰度系數(shù)為0.491,兩者均小于1，故可認(rèn)為速度漂移近似服從正態(tài)分布，利用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除穩(wěn)態(tài)區(qū)間外的異常值后[27]，速度漂移平均值eavg2=0.041 3 m/s,由其產(chǎn)生的平均株距誤差公式為

(1)

式中 Δl——平均株距誤差，cm

l——預(yù)設(shè)株距，cm

v——播種機(jī)當(dāng)前速度，m/s

由式(1)可以看出，Δl隨著速度的增大越來越小。且同靜止?fàn)顟B(tài)相比，GPS接收器在動態(tài)條件下漂移情況減弱，因此在田間實際作業(yè)時平均株距誤差要小于Δl。

3.2 作業(yè)面積統(tǒng)計

為統(tǒng)計播種機(jī)實時作業(yè)面積，構(gòu)建了作業(yè)面積統(tǒng)計的數(shù)學(xué)模型，其基本思想是對播種機(jī)速度進(jìn)行時間上的積分，計算出行駛路程后，再乘以作業(yè)幅寬，即可得作業(yè)面積。如圖4所示，橫坐標(biāo)為作業(yè)時間，縱坐標(biāo)為播種機(jī)速度，l2為GPS接收器獲取的播種機(jī)實時速度曲線，通過3.1節(jié)可知存在速度漂移，且其最大誤差emax=0.127 1 m/s，根據(jù)此誤差和曲線l2繪制圖4中的l1、l3，播種機(jī)實際速度曲線應(yīng)介于l1、l3之間，設(shè)由曲線l1、v=0、t=tn、t=0所圍成的曲邊梯形的面積為Sl1，由曲線l2、v=0、t=tn、t=0所圍成的曲邊梯形的面積為Sl2，由曲線l3、v=0、t=tn、t=0所圍成的曲邊梯形的面積為Sl3，則播種機(jī)實際行駛路程S滿足Sl1

(2)

(3)

(4)

圖4 作業(yè)面積統(tǒng)計數(shù)學(xué)積分模型Fig.4 Area statistic model of worked field

聯(lián)立式(2)～(4)得

Sl3=Sl2+|emax|tn

(5)

Sl1=Sl2-|emax|tn

(6)

式中|emax|為常量，故計算出Sl2，即可得到Sl1、Sl3值，圖4中曲線l2在區(qū)間[0,tn]上是連續(xù)的，故在[0,tn]上可積，考慮到GPS接收器接收衛(wèi)星報文的頻率存在上限，必須對曲線l2進(jìn)行離散化處理，可在區(qū)間[0,tn]中插入若干個分點：0

(7)

當(dāng)λ無限趨近于0時，可得到Sl2實際值，繼而計算出Sl1、Sl3值。UB-355型GPS接收器最大接收頻率為10 Hz，所以區(qū)間最小長度為0.1 s，在0.1 s的時間里，近似地認(rèn)為播種機(jī)速度沒有發(fā)生變化，并將此作為編程依據(jù)，其流程如圖5所示。

圖5 作業(yè)面積統(tǒng)計程序流程圖Fig.5 Program flow chart of worked field area statistic

3.3 通訊協(xié)議定義

系統(tǒng)工作時，主控制器和Android智能設(shè)備之間存在大量數(shù)據(jù)交互，為保證通信速度和可靠性， 同時也為了提高軟件規(guī)范性，降低后期閱讀和調(diào)試難度，定義了如下主控制器端和Android端之間的通訊協(xié)議：

(1)Android端播種作業(yè)參數(shù)設(shè)置(AC: Android to Controller Configuration)

格式：$AC,P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,*checksum

其中“$”：幀起始位；AC：識別符；P0：通訊協(xié)議版本；P1：排種器驅(qū)動電機(jī)至排種器的總傳動比；P2：排種器排種盤型孔數(shù)；P3：預(yù)設(shè)播種株距；P4～P9：保留字段，用于未來功能拓展；checksum：校驗和，$與*之間所有字符異或之和。舉例如下

$AC,V1.0,50,25,20,,,,,,,*52

其含義為這是一條由Android端發(fā)送至主控制器端的播種作業(yè)參數(shù)設(shè)置語句，遵循1.0版本的通訊協(xié)議，設(shè)置排種器驅(qū)動電機(jī)至排種器的總傳動比為50，排種器排種盤型孔數(shù)為25，預(yù)設(shè)播種株距20 cm。

(2)主控制器端播種機(jī)狀態(tài)信息反饋(CA:Controller to Android message)

格式：

$CA,P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10,P11,P12,P13,P14,P15*checksum

其中“$”：幀起始位；CA：識別符；P0：通訊協(xié)議版本；P1、P2：播種機(jī)所處位置經(jīng)度、經(jīng)度半球；P3、P4：播種機(jī)所處位置緯度、緯度半球；P5：播種機(jī)當(dāng)前速度；P6：排種器排種盤轉(zhuǎn)速；P7：已作業(yè)面積；P8～P15：保留字段，用于未來功能拓展；checksum：校驗和，$與*之間所有字符異或之和。舉例如下

$CA,V1.0,11640888,E,3991553,N,803768,22,237000,,,,,,,,*4F

其含義為這是一條由主控制器端發(fā)送至Android端的播種機(jī)狀態(tài)信息反饋語句，遵循1.0版本的通訊協(xié)議，當(dāng)前播種機(jī)位置為東經(jīng)116.408 88°、北緯39.915 53°，當(dāng)前播種機(jī)速度為8.037 68 km/h，排種器排種盤轉(zhuǎn)速為22 r/min，已作業(yè)面積為0.158 hm2(2.37畝)。

3.4 主控制器軟件設(shè)計

主控制器是整個系統(tǒng)中功能最為復(fù)雜的部分，其軟件部分主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)GPS報文解析、CA語句打包、AC語句解析、排種器調(diào)速指令下發(fā)等功能。GPS報文解析方法在前期研究中已做詳細(xì)介紹，在本系統(tǒng)中，除了需要解析出播種機(jī)當(dāng)前速度外，還需要解析出播種機(jī)當(dāng)前位置經(jīng)緯度坐標(biāo)；CA語句打包，是指將播種機(jī)當(dāng)前速度、位置、作業(yè)參數(shù)、已作業(yè)面積以及排種器排種盤轉(zhuǎn)速在內(nèi)的播種機(jī)狀態(tài)信息按照3.3節(jié)中定義的通訊協(xié)議整合成CA語句發(fā)送至Android端；AC語句解析，是指將Android端設(shè)置的播種作業(yè)參數(shù)按照3.3節(jié)中定義的通訊協(xié)議解析出來。

(8)

式中n——排種器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

μ——排種器驅(qū)動電機(jī)到排種器的傳動比

N——排種器型孔數(shù)

排種器調(diào)速指令下發(fā)，是指根據(jù)解析出的播種作業(yè)參數(shù)、播種機(jī)當(dāng)前速度結(jié)合公式(8)將轉(zhuǎn)速指令發(fā)送至CAN總線上，CAN總線上各播種單體節(jié)點接收到轉(zhuǎn)速指令后由驅(qū)動器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證播種株距一致。整體流程如圖6所示。

圖6 主控制器程序流程圖Fig.6 Program flow chart of main controller

3.5 Android端人機(jī)交互軟件開發(fā)

當(dāng)前Android智能設(shè)備已大規(guī)模普及，其優(yōu)異的性能完全滿足作為控制平臺的需求，采用Android智能設(shè)備作為本系統(tǒng)人機(jī)交互軟件載體，一方面可減少系統(tǒng)成本，同時也符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能化趨勢的要求。采用Android Studio進(jìn)行開發(fā)，本系統(tǒng)軟件可以安裝在任意搭載了Android系統(tǒng)的平板或手機(jī)上，其界面如圖7所示，作業(yè)時，通過目標(biāo)參數(shù)一欄分別設(shè)置傳動比、排種盤型孔數(shù)、播種株距，軟件將遵循3.3節(jié)協(xié)議(1)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器，同時按照3.3節(jié)協(xié)議(2)將主控制器反饋的傳動比、排種盤型孔數(shù)、播種株距等當(dāng)前參數(shù)以及播種機(jī)位置、速度、排種盤轉(zhuǎn)速、已作業(yè)面積等播種機(jī)狀態(tài)信息解析出來，顯示在軟件界面上。

圖7 Android端人機(jī)交互界面Fig.7 Human-computer interface on Android terminal

4 臺架試驗

臺架試驗?zāi)軌驕?zhǔn)確控制單個變量，排除田間復(fù)雜環(huán)境對試驗指標(biāo)造成的可能干擾，易于評價特定因素對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律。臺架試驗在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院精量播種實驗室變量播種試驗臺上進(jìn)行，該試驗臺留有4個電驅(qū)式排種器電機(jī)接口，采用計算機(jī)軟件模擬GPS信號，可用于檢測電驅(qū)式精量排種器作業(yè)效果，也可以檢驗電驅(qū)式播種機(jī)控制系統(tǒng)工作性能(圖8)。

圖8 臺架試驗Fig.8 Bench tests of system

4.1 系統(tǒng)功能試驗

系統(tǒng)功能試驗主要檢測能否成功設(shè)置傳動比、排種盤型孔數(shù)、播種株距等參數(shù)，以及能否根據(jù)GPS模擬信號正確顯示播種機(jī)位置、速度、排種盤轉(zhuǎn)速、已作業(yè)面積等播種機(jī)狀態(tài)信息。臺架試驗表明，在對各個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，Android端人機(jī)交互界面能夠正確顯示出播種機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，排種器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速也能夠得到及時調(diào)整，表明系統(tǒng)各功能工作可靠。

4.2 排種器驅(qū)動電機(jī)調(diào)速精度試驗

圖9 排種器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差Fig.9 Diagram of speed control precision error of drive motor

排種器驅(qū)動電機(jī)的調(diào)速精度是保證播種株距的基礎(chǔ)，在實際田間作業(yè)中，播種株距除受到控制系統(tǒng)控制精度影響外，還會受排種器性能、導(dǎo)種管內(nèi)種子碰撞、落種后在種床上的彈跳等多種因素的影響，通過出苗后株距的統(tǒng)計結(jié)果來得出控制系統(tǒng)控制精度存在缺陷，因此設(shè)計臺架試驗，統(tǒng)計相應(yīng)作業(yè)速度下電機(jī)實際轉(zhuǎn)速和理論轉(zhuǎn)速的相對誤差，以檢驗控制系統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速精度，試驗在傳動比50、播種株距21 cm、排種盤型孔數(shù)25、速度3～18 km/h的條件下進(jìn)行，從圖9中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對誤差均小于0.46%，調(diào)速精度高。

5 田間試驗

為了檢驗系統(tǒng)的實際性能，進(jìn)行了田間試驗，系統(tǒng)搭載在課題組研發(fā)的氣力式玉米免耕精量播種機(jī)上，排種器為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的氣壓組合孔式玉米精量排種器[28-29]，由John Deere 6B954型拖拉機(jī)為播種機(jī)提供作業(yè)所需動力，試驗于2018年7月25日在河北省固安縣西市村進(jìn)行。

5.1 作業(yè)面積統(tǒng)計試驗

通過皮尺測得試驗地塊長243 m，寬18 m，實際面積為0.437 3 hm2(6.56畝)，采用帶有面積測量功能的中國臺灣佳明公司eTrex209x型手持式GPS+北斗雙星接收機(jī)進(jìn)行對比試驗，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，可以看出，本系統(tǒng)3次測量平均相對誤差為0.81%，略大于eTrex209x的0.29%，在測量穩(wěn)定性上，本系統(tǒng)測量標(biāo)準(zhǔn)差為0.06 hm2，優(yōu)于eTrex209x的0.11 hm2。綜合而言，本系統(tǒng)作業(yè)面積統(tǒng)計功能誤差較小，可提高測量效率，降低勞動強(qiáng)度。

表1 作業(yè)面積測量精度對比Tab.1 Comparison of measurement accuracy of working area hm2

5.2 播種試驗

圖10 田間播種試驗Fig.10 Field seeding experiments

田間試驗和數(shù)據(jù)采集如圖10所示。試驗前對地塊進(jìn)行淺旋作業(yè)，將雜草和秸稈粉碎后混入土中，以創(chuàng)造良好的種床條件；所用的氣力式玉米免耕精量播種機(jī)掛載有4個播種單體，其中2個播種單體采用地輪鏈條驅(qū)動，其余2個采用本系統(tǒng)驅(qū)動，玉米種子選用鄭單958，播種株距為21 cm，作業(yè)速度為4、6、8、10、12 km/h 5個水平，采用后期出苗測株距的方式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理依據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》，將合格指數(shù)、變異系數(shù)作為評價控制系統(tǒng)性能的指標(biāo)。

對采集的原始數(shù)據(jù)合格指數(shù)、變異系數(shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示，可以看出，驅(qū)動方式、作業(yè)速度及其交互作用對合格指數(shù)和變異系數(shù)均有顯著影響。為直觀地看出兩種驅(qū)動方式下速度對合格指數(shù)和變異系數(shù)的影響，繪制圖11所示的折線圖，從圖中可以看出，在作業(yè)速度為4 km/h 時，采用本系統(tǒng)驅(qū)動作業(yè)合格指數(shù)平均值為94.81%，變異系數(shù)平均值為13.59%；地輪驅(qū)動作業(yè)合格指數(shù)平均值為94.56%，變異系數(shù)平均值為13.42%，兩種驅(qū)動方式的合格指數(shù)和變異系數(shù)均無較大差異；隨著作業(yè)速度的提高，地輪驅(qū)動作業(yè)合格指數(shù)不斷下降，變異系數(shù)也逐漸增大，當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到12 km/h時，變異系數(shù)達(dá)到最大值22.17%，合格指數(shù)下降到83.25%，已低于國家標(biāo)準(zhǔn)；本系統(tǒng)作業(yè)合格指數(shù)在速度為6 km/h時達(dá)到最高，為96.52%，之后隨著速度增大而不斷下降，但當(dāng)速度達(dá)到12 km/h 時，合格指數(shù)為90.05%，變異系數(shù)為18.92%，不難發(fā)現(xiàn)，在高速狀態(tài)下本系統(tǒng)作業(yè)各指標(biāo)均優(yōu)于地輪驅(qū)動作業(yè)。

表2 合格指數(shù)和變異系數(shù)雙因素方差分析Tab.2 Double factor variance analysis of qualified index and precision index

圖11 不同作業(yè)速度下的合格指數(shù)和粒距變異系數(shù)Fig.11 Qualified index and distance variation coefficient at different working speeds

6 結(jié)論

(1)搭建了基于Android和CAN總線的玉米精量播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)利用GPS接收器采集播種機(jī)速度，以STM32單片機(jī)作為主控制器核心處理芯片，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的運(yùn)算和指令下發(fā)，采用CAN總線分布式控制方式設(shè)定各個播種單體排種器轉(zhuǎn)速，通過Android智能設(shè)備完成人機(jī)交互，可實現(xiàn)的主要功能有：播種行數(shù)任意拓展、播種機(jī)位置實時監(jiān)控、播種作業(yè)參數(shù)在線調(diào)整、作業(yè)面積實時統(tǒng)計。

(2)對GPS接收器速度誤差進(jìn)行了分析，建立了已作業(yè)面積積分統(tǒng)計模型，根據(jù)該模型設(shè)計了作業(yè)面積統(tǒng)計算法，與eTrex209x手持式GPS+北斗雙星接收機(jī)進(jìn)行了作業(yè)面積對比試驗，結(jié)果表明，本系統(tǒng)面積測量平均相對誤差為0.81%，略高于eTrex209x的0.29%，在測量穩(wěn)定性方面，本系統(tǒng)面積測量標(biāo)準(zhǔn)差為0.06 hm2，優(yōu)于eTrex209x的0.11 hm2。

(3)田間試驗表明，作業(yè)速度、驅(qū)動方式及其交互作用對合格指數(shù)和變異系數(shù)均有顯著影響。當(dāng)作業(yè)速度為4 km/h時，本系統(tǒng)驅(qū)動作業(yè)合格指數(shù)和變異系數(shù)平均值分別為94.81%、13.59%，地輪驅(qū)動作業(yè)合格指數(shù)和變異系數(shù)平均值分別為94.56%、13.42%，兩種驅(qū)動方式的合格指數(shù)和變異系數(shù)均無較大差異。隨著作業(yè)速度的提高，兩種驅(qū)動方式的合格指數(shù)和變異系數(shù)整體上都呈下降趨勢，但地輪驅(qū)動作業(yè)的方式受速度影響更為顯著。當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到12 km/h時，本系統(tǒng)作業(yè)合格指數(shù)為90.05%，變異系數(shù)為18.92%，優(yōu)于地輪驅(qū)動的83.25%、22.17%。高速作業(yè)狀態(tài)下本系統(tǒng)作業(yè)各項指標(biāo)均優(yōu)于地輪驅(qū)動作業(yè)。