土壤比貫入阻力測試裝置研究—基于Android手機WIFI控制

任國強，劉鎮業，李義德，張寶鵬，劉冬梅，劉立意

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

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土壤比貫入阻力測試裝置研究—基于Android手機WIFI控制

任國強，劉鎮業，李義德，張寶鵬，劉冬梅，劉立意

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

土壤比貫入阻力是反映耕地土壤板結程度的一項重要指標。現有測量裝置多采用人工手動加載測量的方式，無法依據測量標準保持恒速，準確度、自動化程度及測量效率低，且勞動強度大。為此，應用傳感器技術、機械電子技術、無線通信技術，以及智能終端設備設計研制了一種基于Android手機WIFI控制的電動式土壤比貫入阻力測量裝置。該裝置以單片機傳感器為核心，采用電機驅動實現圓錐測頭按ASAE S313.3 FEB04標準以30.48mm/s恒速貫入土壤，測量數據實時顯示并存儲于TF卡中；初步設計實現了使用Android手機，通過WIFI通訊與測量裝置建立連接、操控測量裝置，接收、存儲測量數據，并繪制曲線。測試結果表明：該裝置結構簡單、測量精度高、操作簡單、自動化程度高，應用前景廣闊。

比貫入阻力；土壤；阻力測試； Android手機；WIFI

0 引言

土壤是農業生產的最重要資源。隨著農業機械化水平的不斷提高、大型機械的使用，農田土壤機械壓實、板結問題越來越嚴重。土壤機械壓實對農業的主要危害表現為土壤容積質量增大、土壤的通氣孔隙度變小、水的滲透能力降低，導致土壤地表徑流變大、土壤侵蝕和流失加重；結構改變，導致土壤微生物的生物量、活性降低；土壤阻力加大，作物根系生長受阻，直接影響新陳代謝作用和營養物質的循環，進而導致作物產量降低[1-8]。因此，快速和準確測量農田土壤比貫入阻力(亦稱圓錐指數Cone Index，簡稱 CI)，獲取農田土壤壓實程度的空間分布信息對指導農業生產和農機耕作具有重要意義。Cater[9]開發了一種集成式土壤圓錐指數儀，包括了壓力傳感器、運算放大器、信號發生器及數據顯示等組成部分，使其獲得平均圓錐指數。1996 年，Lui 等人[10]研制了一臺測試設備，利用多傳感器連續采樣，并可連續測試反映土壤強度的指數(TCI)，獲取了大量土壤壓實信息，其中的變點采樣為線采樣。此外，通過遙感測試土壤空氣滲透量等，獲取土壤壓實程度的方法也曾有報道[11-12]。趙新等[13-14]研制的土壤阻力信息的測試系統，可連續測試農田水平方向上的土壤阻力，以期通過對不同深度土壤阻力信息的測取和分析，獲得農田土壤壓實程度空間分布信息。甄文斌等[15]設計了由牽引機具、深松鏟、傳感器、應變儀及計算機組成的土壤耕作阻力測試系統。通過靜態標定，該系統的線性度、線性遲滯均小于1%。現有測量裝置或采用人工手動加載測量方式或不具有獲取耕地土壤縱向(垂直方向)阻力信息。

為更方便地測量土壤比貫入阻力，獲取田間土壤壓實程度的空間分布信息，應用傳感器技術、機械電子技術、無線通信技術和智能終端設備，設計了基于Android手機WIFI控制的土壤比貫入阻力測量裝置。本設計的研究內容包括土壤比貫入阻力測量裝置的原理與結構、單片機系統的硬件軟件、電機驅動系統、WIFI通信系統，以及Android手機APP的設計。本設計需要達到的目標如下：

1)圓錐測頭按標準恒速貫入，自動測量貫入力和貫入深度，自動存儲記錄，操作簡便，便攜性好;

2)可與Android 手機無線連接，可以通過手機端應用操作界面實現測試裝置啟動、停止,探測桿的上升、下降;測試結果實時顯示、存儲及繪制比貫入阻力與深度關系圖等功能。

1 結構與工作原理

1.1 總體結構

土壤比貫入阻力測量裝置主要有4部分組成：機架與支撐部分、動力傳動部分、傳感探測部分和測控部分，如圖1所示。

1.測控表頭 2.驅動電機 3.推管外套 4.蓄電池 5.應變傳感器

1)機械支撐部分。機架支撐部分主要由三腳架、

固定踏板和支腳等組成。三腳架用于支撐整個動力傳動部分及電源；固定踏板、支腳與三腳架裝配成一體，以確保裝置牢固、測量穩定。

2)動力傳動部分。動力傳動部分由驅動電機、絲杠、螺母及推管等組成。圓錐桿通過連接塞與推管連接；驅動電機通過滾珠絲杠帶動推管實現圓錐桿的豎直進給運動，傳遞效率高。

3)傳感探測部分。傳感探測部分由光電傳感器、應變傳感器和圓錐桿(測桿和圓錐頭)等組成。光電傳感器安裝在絲杠端部，用于檢測圓錐桿貫入速度和深度；應變傳感器配置在推管端部用于測量貫入阻力。

4)測控部分。測控部分以單片機為核心的電路，包括應變放大器、A/D轉換器、LCD液晶顯示器、操作按鈕、無線串口模塊、WIFI模塊、TF存儲模塊和電機驅動等模塊，手機終端可通過WIFI與測控部分無線連接，系統框圖如圖2所示。

1.2 工作原理

本裝置參照ASAE S313.3 FEB04標準設計，能夠精確測量耕地的比貫入阻力[16-17]。電機通過滾珠絲杠帶動推管運動，實現圓錐桿的豎直勻速(30.48mm/s)進給運動。當圓錐桿貫入土壤時，國際標準的圓錐頭受到的阻力通過二力桿傳到頂端，再由頂端的應變式傳感器測得阻力大小，并通過光電傳感器測絲杠轉數、計算深度，將所得的結果實時傳輸到單片機，經單片機處理后再在液晶顯示器實時顯示土壤的貫穿阻力和深度，并將數據保存在TF卡中，方便以后的使用。同時，也可將數據通過WIFI傳輸到手機終端存儲、顯示并繪制出比貫入阻力與深度的關系圖。

圖2 土壤比貫入阻力測試裝置系統框圖

2 基于Android手機控制系統

本裝置的手機控制系統是基于Java語言在Android Studio開發環境下完成[18-19]。

2.1 手機端系統流程

手機端與裝置端采用WIFI點對點連接，手機端調用ServerSocket類中的accept()方法等待裝置端的連接請求，手機向單片機發出SYN請求并進入SYN_ACK，并進入SYN_RCV狀態，手機端確認后回復ACK，進入ESTABLISHED狀態，單片機收到ACK后進入ESTABLISHED狀態，這樣基于TCP協議的連接建立成功；之后，程序等待手機端操作，當有檢測到操作后，手機向測控裝置發出相應控制命令，啟動測控裝置進行測量流程，測控裝置端將測量數據反回給手機端，手機端獲取數據經計算處理顯示于手機端測控界面，并將數據以TXT格式存儲到文件中。手機端程序流程圖如圖3所示。

圖3 手機端程序流程圖

2.2 手機操作界面的設定

為實現手機端操控裝置的啟動、停止，圓錐測桿的上升、下降，可在裝置運行過程中通過手機客戶端利用APP界面的按鈕存儲數據，繪制阻力與深度關系圖等功能，進行相應手機操作界面的設定。手機APP界面主要由顯示界面和操作界面組成[20]：顯示界面分為圖像繪制和實時數據顯示，圖像繪制區的橫縱坐標范圍可根據測量數據進行自動調整；實時數據顯示區會顯示當前狀態下的比貫入阻力和深度大小。操作界面由4個主要button構成，分別控制著測量裝置的運行、停止、復位，以及數據存儲。整體效果如圖4所示。

圖4 手機APP界面顯示圖

初始圖像框架繪制程序模塊如下：

protected void initRenderer() {

mRenderer.setApplyBackgroundColor(true);

mRenderer.setBackgroundColor(Color.CYAN);

mRenderer.setMarginsColor(Color.argb(00, 11, 11, 11));

mRenderer.setAxesColor(Color.BLUE);

if (1 == li) {

mRenderer.setChartTitle("力與深度圖");

mRenderer.setXTitle("力");

mRenderer.setYTitle("深度");

}

else {

mRenderer.setChartTitle("深度壓強圖");

mRenderer.setXTitle("深度");

mRenderer.setYTitle("比貫入阻力");

}

mRenderer.setChartTitleTextSize(40);

mRenderer.setAxisTitleTextSize(30);

mRenderer.setInScroll(true);

mRenderer.setLabelsColor(Color.BLUE);

mRenderer.setLabelsTextSize(30);

mRenderer.setLegendTextSize(30);

mRenderer.setShowLegend(false);

mRenderer.setMargins(new int[]{30, 50, 20, 50});

mRenderer.setPanEnabled(true);

mRenderer.setZoomEnabled(true);

mRenderer.setZoomButtonsVisible(true);

mRenderer.setPointSize(0);

mRenderer.setYLabelsPadding(5);

mRenderer.setYLabelsColor(0,Color.BLUE);

mRenderer.setXLabelsColor(Color.BLUE);

mRenderer.setXLabelsPadding(5);

mRenderer.setXLabelsAngle(10);

XYSeriesRenderer renderer = new XYSeriesRenderer();

mRenderer.addSeriesRenderer(renderer);

renderer.setPointStyle(PointStyle.CIRCLE);

renderer.setFillPoints(true);

renderer.setDisplayChartValues(false);

renderer.setDisplayChartValuesDistance(10);

renderer.setLineWidth(10);

mRenderer.setClickEnabled(true);

mRenderer.setSelectableBuffer(10);

}

2.3 系統整體調試

WIFI控制土壤貫入阻力測試裝置最終實現的功能：可通過Android手機客戶端[21-22]操作界面實現裝置的啟動、停止，圓錐測桿的上升、下降等功能；可在裝置運行過程中通過手機客戶端利用APP界面的按鈕存儲數據，繪制阻力與深度關系圖。主要調試內容如下：

1)WIFI通信測試。用APP按鍵控制裝置啟動停止，裝置可以完成相應指令，證明通信系統沒有問題，裝置均正常工作，然后測試存儲數據繪制圖像等功能。Android手機客戶端界面如圖5所示。

2)裝置基本功能測試。當測試裝置收到手機APP發送的啟動停止指令后，單片機會接收信號并控制推桿電機做出相應動作。

3 應用測試

利用該測試裝置進行土壤比貫入阻力測量實驗。初步應用表明：該儀器結構合理，操作簡便；測量過程中，單片機直接控制顯示、測量及數據存儲；手機端操作無誤，數據傳輸、顯示與圖像繪制正確。

4 結論

應用傳感器技術、機械電子技術、無線通信技術和智能終端設備，研制了一種土壤比貫入阻力測量裝置。該裝置以單片機為核心采用電機驅動，通過WIFI連接初步實現了使用Android手機操控測量裝置，接收、存儲測量數據和繪制曲線功能。應用表明：該裝置自動化程度高，使用方便，測量準確，省時省力，具有較好應用前景。

圖5 Android手機客戶端界面

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Research on the WIFI Control Soil Penetration Resistance Testing Device —Based on the Android Mobile Phone

Ren Guoqiang, Liu Zhenye,Li Yide,Zhang Baopeng,Liu Dongmei, Liu Liyi

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

Soil specific penetration resistance is an important indicator of the study of soil compaction degree. Existing products most use the manual measuring device.Manual operation can't keep constant speed and have low degree of intelligence, low precision, high labor intensity and low artificial measuring efficiency. For this purpose, use sensor technology,mechanical and electrical technology,Wireless communication technology and Intelligent terminal equipment.The corresponding design was developed based on the Android WiFi control of electrodynamic soil penetration resistance tester. Single chip microcomputer is the core of the device. The device driven by the motor let cone probe penetrate into the soil as the constant speed of 30.48 mm/s(the standard of ASAE S313.3 FEB04),realize the real-time measurement and data storage in the measuring device. Using Android phones with WIFI communications, the preliminary design realizes establishing connection with measuring device, controlling measurement device,receiving saving measurement data and drawing curve. Test results indicate that the device has simple structure, high precision measurement, simple operation, a high degree of automation and a wide application prospect.

specific penetration resistance；soil; resistance test; android mobile phone; WIFI

2016-09-01

公益性行業(農業)科研專項( 201503119-06);全國大學生科技創新項目(2015-2016)

任國強(1996-)，男，哈爾濱人，本科生，(E-mail)786136386@qq.com。

劉立意(1963 -)，男，哈爾濱人，研究員級高級工程師，(E-mail)lyliu2468@163.com。

S24; S152

A

1003-188X(2017)07-0143-05