間歇式三七土壤蒸汽消毒機遠程控制系統(tǒng)設計與驗證*

孫喆興 ， 張向通 ， 夏鳳淏 ， 王鳳花

（昆明理工大學現(xiàn)代農業(yè)工程學院，云南 昆明 650050）

0 引言

三七是我國名貴中藥材之一，云南省三七產量達到全國總產量的96%[1-3]。與其他人參屬植物相類似，三七連作障礙極其嚴重。受此問題影響，傳統(tǒng)三七種植區(qū)宜種土地逐漸枯竭，連作障礙已成為制約三七產業(yè)健康發(fā)展的主要原因。土壤消毒技術能夠快速、高效殺滅土壤中病蟲害，解決作物多年連續(xù)種植中存在的連作問題。近年來，國內外學者對三七土壤物理消毒技術展開研究，發(fā)現(xiàn)田間高溫蒸汽處理是克服三七連作障礙有效且生態(tài)環(huán)保的方法[4]。高溫密集蒸汽在土壤中具有較強的穿透能力，能消除微生物，降解自毒物質。同時，蒸汽處理能夠保持土壤疏松，使重土變成團粒，提高土壤的通透性和排水性，有效地改善多年種植造成的土壤板結問題。

土壤蒸汽消毒法最早由德國人提出，基于土壤蒸汽消毒技術開發(fā)的蒸汽消毒機近幾年得到了較快發(fā)展[5-6]。Gay等開發(fā)的土壤蒸汽消毒機，作業(yè)時蒸汽罩邊緣插入土壤中，起到預防蒸汽泄漏和保溫的作用，同時配有蒸汽發(fā)生器和自動導航系統(tǒng)[7-8]；Nishimura等通過蒸汽控制雜草種子萌芽，對土壤表層雜草種子的處理效果達到90%以上[9]；德國MSD公司的全自動MSDZ-1機型相比于以往機器，蒸汽效率提高了近40%；云南農業(yè)大學張汝坤教授團隊研制的移動式溫室育苗基質蒸汽消毒機，主要適用于工廠化三七基質消毒[10]；南京農業(yè)大學汪小旵等研制的旋耕蒸汽消毒機，由液壓桿伸縮調節(jié)消毒深度，能夠滿足蔬菜土壤消毒的要求[11]；南京林業(yè)大學潘四普等設計了基于脈動燃燒技術的蒸汽發(fā)生裝置，并在該技術基礎上對消毒機蒸汽輸送部件進行了結構設計及土壤傳熱模型的CFD數值模擬[12]；西北農林科技大學許永福等研發(fā)了一款刺罩式土壤蒸汽處理機，通過調節(jié)牽引上的液壓控制系統(tǒng)驅動刺針插入土壤，以萌發(fā)率作為土壤處理及作業(yè)效果的評價指標[13]。然而以上消毒設備無法適應云南丘陵地區(qū)，或者消毒效果難以滿足三七土壤消毒的農藝要求。

因此，為解決三七土壤連作障礙問題，并且降低操作人員直接接觸蒸汽消毒機存在的危險性，本文設計了一款間歇式三七土壤蒸汽消毒機，利用STM32控制單元對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控并利用手機APP對土壤溫度進行實時監(jiān)測，降低人工勞作強度及操作風險。最后進行樣機試制及田間試驗，對消毒機的工作性能進行驗證，為解決三七連作障礙提供了一種安全高效的自動化裝備。

1 裝置結構與運行原理

根據三七種植的農業(yè)需求，進行整機的結構設計。消毒機的整體結構如圖1所示，主要由蒸汽發(fā)生器、車架、提升裝置、蒸汽輸送系統(tǒng)、蒸汽罩殼等組成。控制系統(tǒng)包括STM32F407IGT6單片機、直流無刷電機、減速器、電機驅動器、聯(lián)軸器、編碼器和PT100溫度傳感器等。

圖1 間歇式三七土壤蒸汽消毒機結構示意圖

當三七土壤蒸汽消毒機進入軌道作業(yè)時，提升電機工作，通過螺旋齒輪與直齒輪轉向器，將動力輸送給絲杠與螺紋提升桿，螺紋提升桿將蒸汽罩殼部件向下斜放的同時，絲杠將蒸汽罩殼部件向下豎直壓入土壤，待螺紋提升桿放平蒸汽罩殼部件及消毒針全部被壓入土壤中，提升電機停止工作，車架上蒸汽消毒發(fā)生裝置將蒸汽經過蒸汽軟管并通過主副蒸汽管消毒針噴射進土壤之中。利用藍牙模塊，將STM32單片機中土壤溫度的采樣數據發(fā)送至手機APP，實現(xiàn)對土壤溫度的實時監(jiān)測。為滿足三七土壤消毒的農藝需求，保持土壤溫度大于90 ℃的情況下消毒作業(yè)10 min，提升電機反轉，將蒸汽罩殼部件提升上來，隨后驅動電機工作，將機器帶動至下一個工作地點。控制系統(tǒng)采用24 V直流電源，為直流無刷電機及編碼器、直流電機驅動器及STM32單片機供電。直流電機驅動器根據PWM（Pulse Width Modulation）信號實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)調速，通過編碼器實現(xiàn)對機具前進距離及提升裝置高度的檢測，并據此調節(jié)提升電機的正反轉。間歇式三七土壤蒸汽消毒機主要技術參數如表1所示。

表1 間歇式三七土壤蒸汽消毒機主要技術參數

2 系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)主要由STM32F407IGT6單片機（主頻168 MHz，直流5 V電源供電，I/O引腳輸入電壓3.3 V）組成，該單片機共有14個通用定時器（TIM1～TIM14）及2個基本定時器（TIM15～TIM16），可以實現(xiàn)定時計數、PWM信號輸出以及輸入捕獲與輸出比較等功能。利用E6B2-CWZ3E歐姆龍增量式旋轉編碼器記錄電機實時轉速。三七土壤蒸汽消毒機的執(zhí)行機構包括57BL115S21型直流無刷電機（額定功率210 W，額定電壓24 V，額定轉速3 000 r/min），減速器5GU-50K以及直流無刷電機驅動器AQMD6015BLS，利用PWM信號實現(xiàn)對無刷直流電機的閉環(huán)調速。系統(tǒng)通過24 V直流電源進行供電，并利用24 V轉5 V的降壓模塊給STM32單片機及編碼器上電，三七土壤蒸汽消毒機控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 三七土壤蒸汽消毒機控制系統(tǒng)結構

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 STM32控制單元軟件設計

依據間歇式三七土壤蒸汽消毒機的運行原理對控制系統(tǒng)進行設計，STM32單片機對消毒機的運行狀態(tài)進行檢測，利用閉環(huán)調速方式調節(jié)直流電機轉速，具體控制流程如圖3所示。

圖3 電機調速流程

下位機程序在Keil μVision5開發(fā)平臺利用C語言開發(fā)，通過向控制器的I/O引腳輸入不同的開關量信號，控制器循環(huán)掃描I/O引腳的電平狀態(tài)，確定無刷電機的運行狀態(tài)。控制器利用定時器TIM1、TIM3和TIM9記錄并存儲的各編碼器的脈沖數，從而計算直流電機的理論轉速和實時轉速，并將其作為PI控制閉環(huán)調速算法的輸入量進行數據處理，并利用錄入的程序通過GPIO引腳輸出PWM信號，實現(xiàn)對直流電機的調速。

2.2.2 手機APP監(jiān)控系統(tǒng)設計

手機端程序在Android Studio上利用Kotlin語言進行編寫，并內置了輕量型數據庫SQLlite用于儲存對應的用戶信息，單片機、手機端APP以及數據庫均使用腳本對象表示符號（JSON）數據格式互傳數據。

用戶登錄成功之后，會顯示用戶的IP地址與連接狀態(tài)，利用RequestData()線程調用ParseJSON()方法，對STM32傳輸的優(yōu)化后的土壤溫度數據進行解析，創(chuàng)建并初始化JsonData對象后調用GetString()方法，獲取土壤溫度具體數據并在窗口實時顯示，在每次對電機進行啟停或轉速調節(jié)的操作后，裝置都會通過藍牙模塊將消息發(fā)送至STM32單片機。

與此同時，用戶可以通過手機APP的控制指令控件對電機的啟停狀態(tài)及轉速進行調節(jié)，Button對象將綁定的預設數值發(fā)送至藍牙模塊，STM32收到指令并解析后調用編寫好的程序，從而實現(xiàn)遠程控制的功能。手機APP的工作流程如圖4所示。

圖4 手機APP的工作流程

3 系統(tǒng)功能測試

3.1 藍牙通信功能測試

土壤蒸汽消毒機遠程控制系統(tǒng)具有遠程監(jiān)控功能，溫度檢測模塊采集到的溫度數據和上位機發(fā)送的控制指令都是通過藍牙通信模塊進行傳輸的，所以必須對藍牙通信模塊進行功能測試。將硬件系統(tǒng)搭建完成，給系統(tǒng)上電后，通過測試上位機Android端APP與藍牙模塊能否建立連接，檢測藍牙通信功能是否正常，如圖5所示。系統(tǒng)上電后，藍牙模塊LED燈閃爍，若成功建立連接，藍牙模塊LED燈由閃爍變?yōu)槌Ａ翣顟B(tài)并且APP界面中“藍牙配置”按鈕顯示為“連接成功！”。

圖5 APP溫度數據顯示

3.2 電機驅動功能測試

硬件系統(tǒng)搭建完畢，上電并與上位機Android端建立藍牙連接后，進行系統(tǒng)電機驅動功能測試。按下APP界面的電機控制按鈕，觀察電機是否完成相應動作。如果系統(tǒng)電機驅動功能正常，按下“正轉”按鈕，電機開始正轉；按下“停止”按鈕，電機停止轉動；按下“反轉”按鈕，電機開始反轉，電機功能測試現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 電機功能測試

4 結語

課題組結合物聯(lián)網技術、自動控制技術設計了以STM32F407IGT6單片機為核心的間歇式三七土壤蒸汽消毒機及控制系統(tǒng)。通過手機APP實現(xiàn)對消毒機運動狀態(tài)及土壤溫度的實時監(jiān)控，提高了系統(tǒng)工作效率，降低了設備工作能耗，提高了設備的安全性。對數據采集的準確性和電機功能進行測驗，仿真結果表明，該遠程控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運作，滿足土壤蒸汽消毒的農藝要求。