基于機電一體化技術精準農業機械設計與試驗

趙 杰

(山西鐵道職業技術學院,太原 030000)

0 引言

隨著人口的不斷增長和資源的有限性,農業生產面臨著日益嚴峻的挑戰。傳統農業生產方式存在低效率、低產量和環境污染等問題,為了提高農業生產效益并減少對環境的負面影響,精準農業成為了當前農業發展的重要方向。

在精準農業的實現過程中,機電一體化技術是精準農業機械實現過程中的關鍵技術之一[1-2],將機械結構與電子控制系統相結合,通過傳感器、執行器和控制系統的協同作用,實現對農業機械設備的自動化、智能化和精確化控制,可以提高農業生產的效率和質量,減少資源浪費和環境污染,對農業可持續發展具有重要意義[3-5]。

本研究通過分析精密播種機的工作原理和功能需求,提出一種基于機電一體化的玉米精密播種機設計方案,并通過試驗驗證其可行性和優越性。通過本研究的開展,可以為基于機電一體化技術的精準農業機械設計提供實用的參考和指導,推動農業生產方式的轉型升級,促進農業可持續發展。

1 機電一體化技術在精準農業機械設計種的應用

1.1 傳感器技術

機電一體化系統利用多種傳感器來實時監測農田的環境參數和作物生長狀況,如光電傳感器、聲波傳感器和溫濕度傳感器等,能夠準確獲取土壤濕度、光照強度、溫度等關鍵信息,為精準農業提供重要的數據支持[6]。

1)土壤濕度傳感器。機電一體化系統可以實時監測土壤的水分含量,隨后基于土壤濕度的實時數據,農戶或農場管理者可以根據作物的生長階段和需水量,精確地調控灌溉系統,避免過度或不足的灌溉,提高水資源利用效率。

2)光照強度傳感器。通過監測光照強度,農戶可以根據作物對光照需求調整種植密度、種植位置和遮蔭措施,以最大程度地滿足作物的光合作用需求,促進作物生長發育。

3)溫濕度傳感器。實時監測農田的溫度和濕度情況,對于作物的生長和病蟲害防治至關重要。通過分析溫度、濕度數據,農戶可以及時采取措施來預防或控制病蟲害的發生,例如調整通風系統、施用適當的農藥等。

1.2 智能控制技術

機電一體化系統通過微控制器、PLC等控制系統實現對農業機械的集中控制和協同作業,為精準農業提供了強大的功能,同時能夠根據傳感器獲取的數據進行實時分析和決策,以實現對農業機械參數的自動調整和優化。

在實際工作過程中,首先通過微控制器和PLC等控制系統處理傳感器采集的大量數據,并根據預設的算法和邏輯進行實時分析。通過對數據的分析,控制系統能夠判斷農田的狀態和作物的需求,例如土壤濕度是否達到需水閾值、光照強度是否符合作物生長要求等。然后控制系統根據分析的結果,可以對農業機械的參數進行自動調整和優化。例如,在灌溉系統中,控制系統可以根據土壤濕度傳感器的數據,自動控制灌溉設備的開關和水流量,以實現精確的灌溉。同樣,在施肥系統中,控制系統可以根據作物的需求和土壤的養分情況,自動調節施肥設備的投放量和頻率,實現精準施肥[7]。

此外,機電一體化系統還可以通過互聯網技術實現遠程監控和遠程操作。農田中安裝的傳感器和控制系統可以與互聯網相連接,將數據傳輸到云平臺或農場管理中心。通過遠程監控,農戶和農場管理者可以隨時了解農田的狀態和作物的生長情況,及時采取措施。同時,遠程操作功能使得農戶可以通過手機或電腦對農業機械進行遙控,實現遠程決策支持和設備操作,提高工作效率,減少人力成本。

1.3 數據處理與決策技術

機電一體化技術在數據處理和決策支持方面發揮著重要作用。通過將農田采集的大量數據進行集中存儲和處理,利用數據挖掘、統計分析等方法,可以揭示出作物生長的趨勢、關鍵因素及與病蟲害的相關性等,通過集成機電一體化系統所提供的數據和模型結果,決策支持系統能夠為農戶和農場管理者提供決策建議和優化方案。例如,根據作物生長模型和水肥模型的結果,決策支持系統可以推薦最佳的灌溉和施肥方案。另外,基于病蟲害預測模型,決策支持系統可以提前預警并建議防治措施,幫助農戶及時采取應對措施,最大限度地保護作物的產量和質量[8]。

2 玉米精密播種機機電一體化控制方案設計

2.1 設計要求

1)精確的播種深度控制。通過傳感器獲取土壤特性和作物需求的相關信息,并通過控制系統實時調整播種機工作狀態,以確保種子的準確埋入適宜的深度。

2)精準的行距控制。根據作物生長特性和農田管理要求,通過控制系統調整播種機工作參數,確保行距的一致性和準確性,以避免過密或過疏的種植情況。

3)穩定的種子數量控制。設計的機電一體化控制方案需要能夠穩定地控制種子的排放量,通過控制系統自動調整播種機的工作參數,確保每個行程中種子數量的精確控制,以保證作物的均勻種植密度。

4)自動化操作和智能化控制。基于集成微控制器、PLC等控制系統,實現對播種機的自主作業和路徑規劃,減輕農民的勞動強度,并提高作業效率和一致性。

5)數據采集和分析功能。控制方案應具備數據采集和分析功能,能夠實時監測和采集播種過程中的關鍵數據,如播種深度、行距、種子數量等,通過數據分析。

6)可遠程監控和操作。控制方案應具備遠程監控和操作的能力,通過互聯網技術實現對玉米精密播種機的遠程監控和參數調整,并實時監測播種機的工作狀態和數據,及時進行調整和優化。

2.2 總體方案

控制系統在機電一體化控制方案中起著至關重要的作用,本文基于機電一體化技術的玉米精密播種機采用模塊化設計方案(圖1),將控制部分分為播種速度采集、播種電機驅動、播種狀態監測、播種深度測量、人機交互及報警和CAN通信等幾個關鍵模塊。

圖1 精密播種機智能控制方案

3 玉米精密播種機智能控制系統硬件設計

本章主要介紹玉米精密播種機智能控制系統的硬件設計。根據控制系統的要求和相關參數計算,確定控制芯片、驅動電機、傳感器及顯示屏等相關硬件設備的型號。

3.1 控制方案

精密玉米播種機智能控制方案主要包括兩個主控模塊,用于對播種電機、播種監測和播深監測進行控制(圖2),通過兩個主控模塊的協同工作,精密玉米播種機智能控制方案可以實現對播種電機的精確控制,確保種子的準確排放和播種力度。同時,播種監測和播深監測模塊可以實時提供播種狀態和深度信息,為控制系統提供實時調整和優化參數。

圖2 基于機電一體化下玉米精密播種機硬件控制系統框圖

3.2 關鍵部件設計與選型

3.2.1 主控模塊

1)主控模塊1負責對播種電機進行控制,通過接收來自傳感器的反饋信號,能夠監測播種機的工作狀態和播種效果。根據預設的播種參數和種植要求,該模塊可以實時調整播種電機的轉速和運行時間,從而控制種子的排放速度和播種深度,以達到精準播種的目的。

2)主控模塊2數據處理和決策支持功能,能夠實時監測播種機的工作狀態、土壤濕度、光照強度等環境參數,以及播種深度等關鍵數據。基于這些數據,實現數據分析、模型建立和決策支持,提供精準的播種建議、施肥調整等決策支持。

播種電機控制主控模塊1選擇Arduino Mega 2560,主控模塊2選擇Raspberry Pi 4,主要性能參數如表1所示,通過將Arduino Mega 2560和Raspberry Pi 4組合,可以實現對播種電機的精確控制和對播種數據的實時處理與決策支持,為精密玉米播種機的智能控制方案提供強大的計算和控制能力,幫助優化播種過程,提高種植效果和農作物產量[9-10]。

表1 播種電機控制主控模塊型號及性能參數

3.2.2 播種電機選型

針對播種過程中工作環境惡劣、電機處于高負荷工作及需要較大扭矩的要求,本文選擇直流無刷電機作為排種軸的驅動電機,具有調速性能好、穩定性高、扭矩輸出大等特點,非常適合用作排種軸的驅動電機。通過合適的電機控制器和控制算法,可以實現對直流無刷電機的精確控制和優化,以滿足播種機在惡劣工作環境下的要求,其基本結構如圖3所示。

圖3 直流無刷電機基本結構

3.2.3 傳感器的選型

1)播種檢測傳感器選型。在精密玉米播種機中,播種檢測傳感器用于監測播種過程中的種子排放和播種狀態。目前常用的播種監測傳感器主要包括光電傳感器、霍爾傳感器、壓力傳感器、電容傳感器和振動傳感器等。本文綜合考慮田間工作要求選擇壓力傳感器,型號為MPXV5010DP,具有高穩定性和快速響應等應用優勢,能夠實時檢測壓力變化。

壓力傳感器可以安裝在播種機的排種器部分,在種子排放過程中,傳感器會感知到種子的排放壓力變化,并將壓力信號轉化為相應的電壓信號輸出。通過檢測和分析輸出信號,可以判斷種子的排放情況和播種狀態,從而實現精準的播種控制。

2)播深測量傳感器選型。在精密玉米播種機中,播深測量傳感器用于測量播種機在土壤中的播種深度,本文選擇超聲波傳感器,利用超聲波的發射和接收來測量播種機與土壤之間的距離,從而計算播種深度。傳感器發射超聲波信號并接收回波,通過測量回波的時間來確定播種深度。

相關研究表明,溫度會影響聲波在空氣中的傳播速度,而超聲波傳感器測量距離是基于聲波的傳播時間來計算的。因此,在使用超聲波傳感器進行數據采集時,進行溫度補償是必要的,以確保采集到的數據的準確性。聲波在空氣中的傳播速度與溫度之間的變化規律如式(1)

(1)

式中 c—聲波速度,m/s;

T—環境溫度,℃。

綜上所述,本研究選擇US-100 超聲波傳感器,具有快速的測量響應時間,能夠實時獲取播種深度信息,同時具有較大的測量范圍,適用于不同播種深度的測量需求和準確的距離測量。

4 智能控制系統軟件設計

4.1 編程語言及開發環境

4.1.1 編程語言

在精密玉米播種機智能控制方案中,針對主控模塊的編程語言和開發環境,本文選擇Python進行編程,適用于快速開發、原型驗證和數據處理等應用,可以快速實現復雜的算法和數據處理邏輯,方便進行數據分析和決策支持。

4.1.2 開發環境

1)Arduino開發環境。對于使用Arduino Mega 2560作為播種電機控制主控模塊的情況,使用Arduino開發環境進行編程。Arduino開發環境提供了簡單易用的集成開發環境(IDE),適用于Arduino板的編程和上傳。它具有豐富的庫函數和示例代碼,方便進行硬件控制和通信。

2)Raspberry Pi開發環境。對于使用Raspberry Pi 4作為數據處理與決策支持主控模塊的情況,本章節采用Raspberry Pi開發環境進行編程。Raspberry Pi開發環境支持多種編程語言,如Python和C/C++,并提供了豐富的開發工具和資源,可以方便地連接到互聯網,并支持遠程開發和操作。

4.2 控制系統程序設計

4.2.1 主程序設計

控制系統主程序設計是精密玉米播種機智能控制方案中的關鍵,本文設計的主程序部分如圖3所示,該程序可以通過不斷循環進行數據采集、數據處理與決策,以及控制輸出,實現對播種電機的啟停控制,并根據播種監測傳感器的狀態進行相應的決策處理。

4.2.2 子程序設計

子程序設計是精密玉米播種機智能控制系統的關鍵部分,用于實現特定功能的模塊化代碼,部分運行程序如圖4所示。本文定義了兩個子程序:seed_detection()用于種子檢測和處理,motor_control()用于播種電機的控制。這些子程序可以被主程序循環調用,以實現播種過程的監測和控制。

圖4 基于機電一體化技術下玉米精密播種機主程序設計

圖5 基于機電一體化技術下玉米精密播種機子程序設計

seed_detection()子程序根據傳感器引腳的狀態判斷種子的排放情況,并根據檢測結果執行相應的操作。在這個示例中,簡單地使用if語句來模擬種子排放正常和異常的情況,并根據情況執行不同的操作。

motor_control()子程序根據傳入的狀態參數控制播種電機的啟停。通過判斷狀態參數,可以使用GPIO.output()來控制播種電機引腳的狀態,從而實現啟動或停止播種電機的運行。

5 田間試驗驗證

本次試驗內容主要包括單粒監測試驗,單粒監測試驗旨在驗證播種機的單粒監測功能,以確保種子的準確排放和播種質量。

根據《單粒(精密)播種機試驗方法》(GB/T 6973—2005)中的規定,本次試驗中測定的樣本數量應大于等于250組數據。為此,在每一個種箱中放入300粒玉米種子作為試驗樣本,并設置一個收納裝置用于收集播下的玉米種子。在播種后,記錄檢測系統監測到的播種數量。為了避免試驗結果受到偶然性因素的影響,本次試驗進行了5次重復,每次試驗中,播種數量設定為300粒玉米種子,檢測到的播種數量是通過監測系統實時記錄的。試驗結果如表2所示,系統監測精準率較高,但是根據表格中記錄的數據可知,每次試驗中檢測到的播種數量略低于設定的播種數量。主要是是由于種子排放過程中的一些因素,如種子粘連或堵塞等。

表2 玉米單粒測試試驗結果

6 結論

本文針對玉米精密播種機的智能控制系統進行了設計和研究。通過機電一體化技術的應用,結合各種傳感器和控制系統,實現了對播種電機、播種監測和播深監測的精準控制和監測。主要得到以下結論:

1)在硬件系統的設計中,本文選擇Arduino Mega 2560作為播種電機控制主控模塊,具有良好的調速性能和穩定性,能夠滿足播種機在惡劣環境下的高負荷工作要求。選擇Raspberry Pi 4作為數據處理與決策支持主控模塊,利用其強大的計算能力和互聯網連接功能,實現對農田環境參數和作物生長狀況的實時監測、數據分析和決策支持。

2)在軟件系統中,本文選擇Python進行編程,可以快速實現復雜的算法和數據處理邏輯,方便進行數據分析和決策支持。

3)通過田間試驗驗證了播種機的單粒播種功能,結果顯示,播種機能夠穩定地排放種子,具有較高的播種準確性和一致性。