氣吸式播種機自動配比施肥控制系統的研究

趙 斌，陳 金，衣淑娟，趙 雪，戈天劍

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

氣吸式播種機自動配比施肥控制系統的研究

趙 斌，陳 金，衣淑娟，趙 雪，戈天劍

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

為了解決傳統粗放施肥化肥用量大、人工配比混肥費時費力及生態環境污染嚴重等問題，設計了一種可根據土壤肥力自動配比的2行變量施肥控制系統。肥箱設計為一體三箱室結構，每一個箱室裝一種肥料并在箱室底部安裝電動排肥器，通過2個下位機控制器控制6個排肥器來實現2行、3種肥料的在線自動配比施肥。系統采用安裝在地輪上的編碼器反饋機車速度信息，通過無線通信模塊將速度信息傳給上位機，上位機結合施肥參數處理后傳給下位機，下位機根據機車速度實時調整排肥電機轉速而控制施肥量。試驗結果表明：該機施肥控制精度在90%以上，可滿足按需配比變量施肥的要求。

播種機；施肥；自動配比；控制系統

0 引言

我國是一個農業大國，近年來農業生產取得的巨大成就很大程度上得益于增施化肥和施肥技術的發展[1]。據聯合國糧農組織統計，我國化肥總產量占世界的16.6%,總產量僅次于美國,居世界第2位，總施用量占世界的27.5%,居世界第1位[2-3]。傳統的粗放施肥不僅導致化肥大量浪費帶來重大經濟損失，同時還造成土壤養分比例失調、農作物有害物質超標、品質下降，影響人們的身體健康[4-5]。土壤中殘留的化肥會以吸附、隨水徑流、反硝化等方式污染地下水源及大氣，嚴重污染生態環境。

變量施肥在國外已有較多的研究和應用，如美國約翰迪爾公司氣吹式種肥車、日本TABAT公司的顆粒肥變量施肥機及法國 KUHN公司的ProTwin8150側式撒肥機等[6]。國內中國農業機械化科學研究院、華南農業大學、黑龍江八一農墾大學等也開展了相關研究[7-9]，但是變量施肥技術仍落后于國外，未能實現大范圍的推廣應用，施肥時通常需要人工將不同肥料按照一定配比混合，然后進行田間作業，費時費力,且多數系統采用有線通信的方式，不僅會增加安裝難度，作業時也容易造成線路損傷。針對以上問題，設計了一種可根據土壤肥力配比的2行播種機變量施肥自動控制系統。系統利用地輪上的編碼器采集機車速度，通過無線通信模塊將機車速度傳給上位機，上位機處理后通過無線通信模塊將速度傳給下位機，下位機結合機車速度實時調整排肥電機轉速而達到在線自動配比施肥的目的。

1 系統結構與原理

氣吸式播種機自動配比施肥控制系統由電源裝置、上位機、下位機控制器、速度采集裝置、無線通信模塊及編碼器等組成，肥箱設計為一體三箱室的結構，以外槽輪式排肥器作為排肥機構。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構Fig.1 Global structure

電源為控制系統和排肥裝置提供電能，速度采集裝置利用地輪上的編碼器獲取機車速度。上位機完成施肥作業過程中參數的設定及信息的采集、顯示和儲存，并將用戶設定的參數(如畝施肥量、周施肥量、機車速度，以及氮肥、磷肥、鉀肥的配比信息)傳給2個下位機控制器。利用自動控制技術與傳感器技術，研制出下位機控制器。電動排肥器采用直流電機驅動排肥槽輪的方式進行工作，通過在外槽輪排肥器上安裝編碼器，實時測量直流電機轉速，完成直流電機轉速的反饋調節。

速度采集裝置實時獲取機車作業速度，并通過無線通信模塊將機車速度信息發給上位機，上位機結合施肥參數處理后通過無線通信模塊發給下位機，下位機控制器根據機車速度實時調整直流電機轉速而控制施肥量。肥箱設計為一體三箱室的結構，每一個箱室裝一種肥料并在箱室底部安裝電動排肥器，通過2個下位機控制器控制6個排肥器而實現2行、3種肥料的在線自動配比施肥。

2 系統設計

2.1 上位機設計

上位機利用C#語言與SQL數據庫開發了電動播種機監控系統，可完成施肥作業參數的設置、作業數據的顯示、存儲和查詢，以及向下位機控制器發送指令和接收地輪速度信息，系統主界面如圖2所示。

圖2 上位機系統主界面Fig.2 Main interface of host computer system

界面右側“開始”按鈕控制著整個系統的啟動與停止；通過設置按鈕可對系統進行作業參數的設定；系統自動顯示氮、磷、鉀施肥量及施肥總量并進行數據統計，可對每行作業數據進行查詢；界面下方有8個按鈕為單行啟動控制按鈕，可根據田間作業實際情況對2行播種施肥分別進行單獨控制；界面右下方可實時顯示日期、時間和星期，方便用戶對作業時間的查詢；上位機通過無線通信模塊與下位機控制器和機車速度采集裝置進行數據傳輸，減少了布線，提高了系統的穩定性。

2．2 下位機設計

下位機以單片機為中央處理芯片，通過無線通信模塊接收上位機設置的不同肥料的比例、畝施肥量及周施肥量等數據，并將設定的施肥參數和機車速度進行綜合運算，得出控制排肥槽輪轉速的控制脈沖，以直流電機為執行原件,由直流電機帶動排肥槽輪轉動。通過2個下位機控制器分別控制3臺直流電機轉速達到變量施肥的目的。單個下位機控制原理如圖3所示。

圖3 下位機控制原理Fig.3 Lower machine control principle

施肥參數、機車速度通過上位機處理后傳給下位機，單片機結合施肥參數和機車速度，基于PID算法調節PWM，不斷調整脈沖信號占空比來對直流電機進行調速控制，通過編碼器實時測量直流電機轉速，完成直流電機轉速的反饋調節。

2．3 速度采集裝置

由于播種機采用電機控制排肥器，為保證作業質量，應保證電機轉速與機車作業速度的跟隨性，因此需要對機車作業速度進行實時獲取。傳感器位于整個系統的前端，是實現自動檢測和控制的重要環節，傳感器的性能對整個系統的性能具有重要影響。常用的測速傳感器主要有光電式傳感器、電磁式傳感器、霍爾傳感器、編碼器4種類型，這4種測速傳感器雖各具優點，但具有一定的局限性，容易受田間環境、自身頻率、安裝位置的影響和限制。因此，系統選擇編碼器作為機車速度采集器件，因其具有測量精度高、響應迅速的特點。編碼器安裝在機車的地輪上，微處理器通過在測量時間內采集的編碼器脈沖數與地輪的尺寸計算出機車的作業速度，速度采集裝置通過無線通信模塊將速度信息發送給上位機。

2.4 肥箱設計

肥箱設計為一體三箱室的結構，每一個箱室裝一種肥料，可用于氮、磷、鉀等多種肥料的在線配比。肥箱的3個箱室之間由V型隔板分開，提高了顆粒肥料的流凈率和排肥的均勻性，增加了系統的穩定性。

為了實現每次向肥箱內投入肥料后能夠使得作業順利完成，避免多次添加肥料的動作，肥箱設計分為1:1:2的結構。其中，大箱為主肥箱，兩小箱為輔助肥箱，肥料箱的容量為200kg左右，以氮肥、磷肥、鉀肥為例，測量尿素、過磷酸鈣、顆粒鉀3種肥料的堆密度分別為0.751、0.998、1.134g/cm3。肥料箱體積計算公式為

v=m/ρ

(1)

其中，v為肥料箱體積(m3)；m為肥箱設計容納肥料質量(kg)；ρ為肥料的堆密度(kg/cm3)。由式(1)可以得出肥箱體積約為0.21m3。

3 系統工作流程

系統可對作業參數、機械參數進行設定，具有數據實時顯示、查詢及存儲等功能。作業參數完成畝施肥量的設定，機械參數完成周施肥量的設定。系統能實時顯示完成機車速度、作業面積、播種機狀態和氮肥、磷肥、鉀肥的用量等信息，完成肥料的施用量及施肥總量的查詢，并對作業數據進行實時存儲。系統工作流程如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖Fig.4 Flow chart of system work

機車進入田間作業，用戶根據土壤肥力設定施肥參數；系統接通電源后完成上電自檢及各功能模塊的初始化；當準備就緒時機車啟動，等待作業指令，程序也進入等待指令狀態；機車啟動，地輪轉動，地輪速度采集裝置通過無線通信模塊向上位機發送速度信息，上位機將機車速度、畝施肥量、周施肥量等處理后通過無線通信模塊發給2個下位機控制器，下位機控制器結合施肥信息驅動直流電機進行作業；機車停止時，速度采集裝置不再向上位機發送速度信息，下位機接收不到上位機發送的信息便不再驅動電機轉動即作業停止。系統根據用戶設定值及機車速度實時調整直流電機轉速，在線自動完成肥料配比，實現2行作業的變量施肥。

4 系統試驗

4.1 PWM調速標定

為了實現對直流電機的精準控制，在實驗室內通過反復調試的方式對調速系統進行標定。標定過程中，計算機向2個下位機控制器發送指令，不斷調整脈沖信號的占空比，以控制電機的平均電壓來控制直流電機帶動排肥槽輪以不同的速度運轉。通過安裝在排肥器上的編碼器實時監測電機轉速，并反饋給計算機進行實時存儲，從而控制電機轉速。田間作業時，預先設定好施肥量后，系統可以根據機車速度自動調節電機轉速，從而實現自動配比的精準變量施肥。選取氮肥(尿素)的試驗數據進行標定，統計結果如圖5所示。

圖5 電機轉速標定Fig.5 Motor speed calibration

對測量數據進行擬合，可得到電機轉速與PWM占空比之間的對應關系為R=105.35P-20.78。其中，R為排肥電機轉速，取值范圍為10～80r/min；P為PWM占空比，取值范圍為0.25～0.95。

4.2 田間試驗

考慮到對系統的適用性，選取國內農戶普遍施用的顆粒肥為試驗材料，以尿素、過磷酸鈣和顆粒鉀對象，于2016年7月在黑龍江省綠色草原牧場2.67hm2砂土地進行試驗，配套拖拉機標定功率25.7kW,動力輸出軸轉速為720r/min，標定工具為電子秤。根據農田施肥經驗，設置氮肥、磷肥、鉀肥的畝施肥量分別為12、7、7kg，按氮肥、磷肥、鉀肥1.7:1:1的比例進行自動配比，在排肥管出口處綁系塑料袋，以10m遞增的距離進行施肥試驗，并進行單獨稱量。N肥(尿素)、P肥(過磷酸鈣)和K肥(顆粒鉀)的試驗數據分別如表1～表3所示。

表1 氮肥試驗數據

表2 磷肥試驗數據

表3 鉀肥試驗數據

表1中，行駛距離為10m時，左側誤差為9.03%，這是由于氮肥(尿素)為圓潤的顆粒狀晶體，自身流動性較大，作業時機車的震動加促氮肥的滑落，導致氮肥多施，誤差偏大。表3中，行駛距離為40m時，右側誤差為8.92%，這是由于鉀肥(顆粒鉀)為不規則的顆粒狀固體，自身與排肥器摩擦阻力較大且流動性較小，導致作業時鉀肥少施，誤差偏大。表1～表3數據表明：系統左右2行施肥控制精度在90%以上，且氮肥、磷肥、鉀肥的配比為1.7:1:1,滿足按需自動配比的設計和要求。

5 結論

設計了一種可配比的2行變量施肥智能控制系統，經過大量田間試驗，系統可根據土壤肥力設定施肥量并在線自動調節3種肥料的配比，減小了人工配比混肥的繁復勞動，提高了化肥利用率，減小了生態環境污染。系統控制方式靈活，可實現2行作業的任意行單獨控制；主從系統間采用無線通信模塊進行數據傳輸，減少了布線，易于安裝和拆卸，提高了系統的穩定性。田間試驗表明：本系統施肥精度控制在90%以上，能夠滿足農業生產中按需混合配比施肥的要求，對提高我國農業現代化水平具有重要意義。

[1] 李凱，張立新，張麗萍,等.雙變量施肥機的設計與試驗[J].甘肅農業大學學報，2016，8(4)：128-133.

[2] 趙登峰,張立新,吳金林.變量施肥研究現狀及在新疆棉花上的應用展望[J].農機化研究，2012，34(4):213-218.

[3] 李世成，秦來壽.精準農業變量施肥技術及其研究進展[J].世界農業，2007,335(3):57-59．

[4] 張濤，趙潔．變量施肥技術體系的研究進展[J].農機化研究，2010，32(7):233-236.

[5] 陳遠鵬，龍慧，劉志杰．我國施肥技術與施肥機械的研究現狀及對策[J].農機化研究，2015，37(4):255-260.

[6] 陳滿，汪小旵，孫國祥,等.冬小麥精準播種施肥控制系統研究[J].中國農機化，2016，37(9):24-27,42.

[7] 劉陽春，張小超，偉利國，等．一種變量施肥技術的實現及其臺架試驗[J].農業機械學報，2010，41(9)：159-162．

[8] 齊興源，周志艷，楊程，等.稻田氣力式變量施肥機關鍵部件的設計與試驗[J].農業工程學報，2016，32(6)：20-26.

[9] 趙斌，衣淑娟，戈天劍，等.基于SI4432的精播機種肥作業無線監測系統研究[J].農機化研究,2015,37(12):23-25.

Research on Gas Suction Seeder Automatic Proportioning Fertilization Control System

Zhao Bin， Chen Jin, Yi Shujuan, Zhao Xue, Ge Tianjian

(College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China)

In order to solve the traditional extensive fertilizer with large consumption, ratio of artificial mixed fertilizer waste time and energy, serious environmental pollution , design one can according to soil fertility to ratio of 2 rows automatic proportioning fertilization control system. Fertilizer box design for 3 cases of chamber structure, each chamber with a fertilizer and installing two fertilizer seeds at the bottom of the chamber, through two lower machine respectively control 3 fertilizer seeds to achieve 2 rows, 3 kinds of fertilizer on-line automatic proportioning fertilization. The system use the encoder installed on the wheel to feedback locomotive speed ,using wireless communication module to transmit speed to PC, PC combined with fertilization parameters after processing to the lower machine, the lower machine according to the speed of the locomotive to control fertilizer rate.Experimental show that the control accuracy of system is more than 90%, meeting the requirements of on-demand proportion variable fertilization.

seeder; fertilization; automatic proportioning; control system

2016-11-29

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-03)

趙 斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導師，(E-mail)616283364@qq.com。

陳 金(1992-),男，河南舞陽人，碩士研究生，(E-mail)760153633@qq.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2018)02-0160-05