基于Android和CAN總線的玉米播種機監控系統研究

丁友強 劉彥偉 楊 麗 張東興 崔 濤 鐘翔君

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083；2.中國農業大學農業農村部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

作為玉米生產的關鍵環節，播種作業的質量直接影響后期產量[1-4]。當前，主要通過精量播種技術提高播種質量，玉米精量播種技術是將定量的良種按照農藝要求的株距、行距和播種深度進行穴播，同時深施底肥的機械化種植技術[5]，該技術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，進而提高產量[6-7]。

精量播種機是實現玉米精量播種的關鍵，國外對精量播種機的研究較早，目前已由機械化轉向智能化，相關產品也已投入市場。Precision Planting公司基于20/20 SeedSense控制器開發的變量播種控制系統[8-10]可根據作業處方圖調整電機轉速，還可以實現播種質量實時檢測和精準的下壓力控制；John Deere公司的SeedStarTM2播種控制系統[11-12]采取多控制器協同處理的CAN總線分布式控制方式，具有播種質量檢測、下壓力控制以及變量施肥功能。國內播種機在機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，實際生產中所用的玉米精量播種機大多采用地輪驅動、鏈條傳動[13-16]，且對玉米精量播種機控制系統的研究還僅限于排種器驅動電機的調速方式上[17-20]。高速、高精度是玉米精量播種機的發展趨勢，單方面提升機械性能難以滿足高速、高精度的作業要求，在現有高性能玉米精量播種機上增加監控技術可提升系統功能，提高系統性能和智能化水平，也符合精準農業的發展要求。

本文設計一種基于Android和CAN總線的玉米精量播種機監控系統，系統通過GPS接收器獲取播種機前進速度，采用CAN總線分布式控制方式設定各個播種單體排種器轉速，通過Android智能設備完成人機交互，實現播種行數任意拓展、拖拉機位置實時監控、播種作業參數在線調整、作業面積實時統計等功能，以達到全面監測播種機實時作業狀態、提高播種機智能化水平的目的。

1 系統整體結構和工作原理

如圖1所示，玉米精量播種機監控系統由12 V供電電源、GPS接收器、主控制器、Android智能設備、CAN總線以及單體驅動系統組成，其中單體驅動系統又包括變壓器、驅動器、直流無刷電機、減速器和光電傳感器。播種作業時，需要將單體驅動系統掛接到CAN總線接口上，其個數由播種機實際情況確定；主控制器作為整個系統的運算中心和信息樞紐，需要匯集來自系統各部分的信號，包括GPS接收器獲取的衛星報文，Android智能設備設置的播種作業參數，驅動器反饋的電機狀態信息，綜合各部分信息后，主控制器一方面將各行電機轉速指令上傳至CAN總線供驅動器驅動直流無刷電機完成播種作業，另一方面將拖拉機位置、速度、作業面積，排種器轉速等信息通過USB線發送至Android智能設備，供駕駛員了解當前作業狀態，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頻率閃動，以明確系統各部分是否正常工作。

圖1 系統整體結構示意圖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數據線 8.Android智能設備 9.12 V電源線 10.CAN總線 11.變壓器 12.驅動器 13.排種器 14.直流無刷電機和減速器 15.光電傳感器

2 硬件設計和器件選型

2.1 主控制器電源電路設計

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型開關電壓調節器，用于將拖拉機車載蓄電池提供的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定性；后一級降壓模塊采用LM1117DT-3.3型電壓調節器并輔以濾波、去耦電路將前級5 V電壓降至3.3 V，為STM32主控芯片和CAN收發器供電，電路結構如圖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通訊電路設計

系統采用CAN總線分布式控制方式，以方便根據播種機行數掛接不同的單體驅動系統個數，主控制器通過CAN總線和各個驅動單體進行通訊，其通訊節點由一個CAN控制器和一個CAN收發器組成，主控芯片STM32的CAN接口即為CAN控制器，為了構成完整節點，還需要外接一個CAN收發器[21]，考慮到田間作業環境，選用德州儀器公司生產的vp230型隔離式CAN收發器，該收發器可在靜電干擾、電壓突變和大噪聲環境下正常工作，通訊電路如圖2所示。

2.3 主控制器USB通訊和電平轉換電路

電平轉換電路負責在接收GPS衛星報文時將RS232電平轉換為STM32可用的TTL電平，采用了比MAX232性能更穩定的MAX3232電平轉換芯片，具備功耗低、體積小的優點；USB通訊電路用于STM32和Android智能設備之間的通訊，其核心是一塊CH9343型全速USB Android Host接口控制芯片，內置USB協議解析器[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上進行的，此部分電路可靠性已通過田間試驗驗證[17]，故沒有進行重新設計，具體結構如圖2所示。

2.4 主控制器面板設計

GPS接收器、主控制器、Android智能終端是系統的三大核心部分，能否正常工作直接影響作業質量，因此在播種機作業過程中實現3部分工作狀態的實時監控尤為重要，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是否正常，在Android端人機交互界面也可以獲取上述各部分的狀態信息，但依靠軟件實現具有延時性，從硬件上采取措施具有更高的可靠性和實時性，當系統某部分出現故障時，對應指示燈狀態會立即發生變化，提醒駕駛員停機檢查，減小了大面積漏播的風險。

2.5 單體驅動系統設計

驅動器電壓需求為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，本系統選用易穩科技24 V、5 A的直流變壓器，具有適應性好、轉化效率高的優點；為方便拓展，驅動器需具備CAN通訊功能，采用艾科力自動化科技有限公司開發的ADL060-10A型電機驅動器，該驅動器可驅動交流、無刷、有刷等不同類型的電機，直流無刷電機內置霍爾傳感器，驅動器可根據霍爾傳感器輸出信號組合的變化頻率計算出當前轉速，并實現電機轉速的閉環PID控制，電機的轉速、電流閾值可通過配套的上位機軟件設定，閉環控制參數也可通過上位機軟件自動整定；單體驅動系統中排種器驅動電機選用時代超群BL55S06-230TF9型直流無刷電機，減速器為瑞德傳動科技PL57B010A型行星減速器，傳動比為10，其選型依據均已在前期研究中闡明[17]。

3 軟件設計

3.1 GPS接收器靜止狀態下的速度漂移測定

當前電驅式播種作業的主要測速手段有編碼器測速、霍爾傳感器測速、雷達測速等。編碼器測速無法避免高速狀態下測速輪滑移、胎壓變化造成測速不準的情況；霍爾傳感器測速適合在水泥地上，在翻耕地上變異系數較大；雷達測速可將誤差率控制在3%以內，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測速不受播種機結構、地表狀況的影響，且能提供包括經緯度、航向角、高程在內的多種數據，相較于上述幾種測速方式具有較大優勢。

圖3 UB-355型GPS接收器靜止狀態下的速度漂移Fig.3 Drift velocity of UB-355 GPS receiver under stationary state

本系統在進行播種作業時，由GPS接收器獲取播種機當前速度，在獲取速度信息的過程中，會受到衛星星歷誤差、衛星鐘差、接收器鐘差、大氣折射誤差以及信號的多路徑效應等多種因素影響[24-26]，導致測量速度和實際速度存在差距，為衡量該誤差對系統性能的影響，統計了開闊地GPS接收器靜止狀態下的速度漂移情況，采集樣本數為300個，結果如圖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,算術平均值eavg1=0.041 6 m/s；為進一步研究速度漂移的分布規律，利用SPSS軟件對樣本數據進行分析，發現其偏度系數為0.543，峰度系數為0.491,兩者均小于1，故可認為速度漂移近似服從正態分布，利用拉依達準則剔除穩態區間外的異常值后[27]，速度漂移平均值eavg2=0.041 3 m/s,由其產生的平均株距誤差公式為

(1)

式中 Δl——平均株距誤差，cm

l——預設株距，cm

v——播種機當前速度，m/s

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

3.2 作業面積統計

為統計播種機實時作業面積，構建了作業面積統計的數學模型，其基本思想是對播種機速度進行時間上的積分，計算出行駛路程后，再乘以作業幅寬，即可得作業面積。如圖4所示，橫坐標為作業時間，縱坐標為播種機速度，l2為GPS接收器獲取的播種機實時速度曲線，通過3.1節可知存在速度漂移，且其最大誤差emax=0.127 1 m/s，根據此誤差和曲線l2繪制圖4中的l1、l3，播種機實際速度曲線應介于l1、l3之間，設由曲線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，則播種機實際行駛路程S滿足Sl1

(2)

(3)

(4)

圖4 作業面積統計數學積分模型Fig.4 Area statistic model of worked field

聯立式(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在區間[0,tn]上是連續的，故在[0,tn]上可積，考慮到GPS接收器接收衛星報文的頻率存在上限，必須對曲線l2進行離散化處理，可在區間[0,tn]中插入若干個分點：0

(7)

當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，所以區間最小長度為0.1 s，在0.1 s的時間里，近似地認為播種機速度沒有發生變化，并將此作為編程依據，其流程如圖5所示。

圖5 作業面積統計程序流程圖Fig.5 Program flow chart of worked field area statistic

3.3 通訊協議定義

系統工作時，主控制器和Android智能設備之間存在大量數據交互，為保證通信速度和可靠性， 同時也為了提高軟件規范性，降低后期閱讀和調試難度，定義了如下主控制器端和Android端之間的通訊協議：

(1)Android端播種作業參數設置(AC: Android to Controller Configuration)

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

其中“$”：幀起始位；AC：識別符；P0：通訊協議版本；P1：排種器驅動電機至排種器的總傳動比；P2：排種器排種盤型孔數；P3：預設播種株距；P4～P9：保留字段，用于未來功能拓展；checksum：校驗和，$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端發送至主控制器端的播種作業參數設置語句，遵循1.0版本的通訊協議，設置排種器驅動電機至排種器的總傳動比為50，排種器排種盤型孔數為25，預設播種株距20 cm。

(2)主控制器端播種機狀態信息反饋(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“$”：幀起始位；CA：識別符；P0：通訊協議版本；P1、P2：播種機所處位置經度、經度半球；P3、P4：播種機所處位置緯度、緯度半球；P5：播種機當前速度；P6：排種器排種盤轉速；P7：已作業面積；P8～P15：保留字段，用于未來功能拓展；checksum：校驗和，$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送至Android端的播種機狀態信息反饋語句，遵循1.0版本的通訊協議，當前播種機位置為東經116.408 88°、北緯39.915 53°，當前播種機速度為8.037 68 km/h，排種器排種盤轉速為22 r/min，已作業面積為0.158 hm2(2.37畝)。

3.4 主控制器軟件設計

主控制器是整個系統中功能最為復雜的部分，其軟件部分主要負責實現GPS報文解析、CA語句打包、AC語句解析、排種器調速指令下發等功能。GPS報文解析方法在前期研究中已做詳細介紹，在本系統中，除了需要解析出播種機當前速度外，還需要解析出播種機當前位置經緯度坐標；CA語句打包，是指將播種機當前速度、位置、作業參數、已作業面積以及排種器排種盤轉速在內的播種機狀態信息按照3.3節中定義的通訊協議整合成CA語句發送至Android端；AC語句解析，是指將Android端設置的播種作業參數按照3.3節中定義的通訊協議解析出來。

(8)

式中n——排種器驅動電機轉速，r/min

μ——排種器驅動電機到排種器的傳動比

N——排種器型孔數

排種器調速指令下發，是指根據解析出的播種作業參數、播種機當前速度結合公式(8)將轉速指令發送至CAN總線上，CAN總線上各播種單體節點接收到轉速指令后由驅動器調整電機轉速，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端人機交互軟件開發

當前Android智能設備已大規模普及，其優異的性能完全滿足作為控制平臺的需求，采用Android智能設備作為本系統人機交互軟件載體，一方面可減少系統成本，同時也符合精準農業智能化趨勢的要求。采用Android Studio進行開發，本系統軟件可以安裝在任意搭載了Android系統的平板或手機上，其界面如圖7所示，作業時，通過目標參數一欄分別設置傳動比、排種盤型孔數、播種株距，軟件將遵循3.3節協議(1)將這些數據發送至主控制器，同時按照3.3節協議(2)將主控制器反饋的傳動比、排種盤型孔數、播種株距等當前參數以及播種機位置、速度、排種盤轉速、已作業面積等播種機狀態信息解析出來，顯示在軟件界面上。

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

4 臺架試驗

臺架試驗能夠準確控制單個變量，排除田間復雜環境對試驗指標造成的可能干擾，易于評價特定因素對試驗指標的影響規律。臺架試驗在中國農業大學工學院精量播種實驗室變量播種試驗臺上進行，該試驗臺留有4個電驅式排種器電機接口，采用計算機軟件模擬GPS信號，可用于檢測電驅式精量排種器作業效果，也可以檢驗電驅式播種機控制系統工作性能(圖8)。

圖8 臺架試驗Fig.8 Bench tests of system

4.1 系統功能試驗

系統功能試驗主要檢測能否成功設置傳動比、排種盤型孔數、播種株距等參數，以及能否根據GPS模擬信號正確顯示播種機位置、速度、排種盤轉速、已作業面積等播種機狀態信息。臺架試驗表明，在對各個參數進行調整后，Android端人機交互界面能夠正確顯示出播種機當前狀態，排種器驅動電機轉速也能夠得到及時調整，表明系統各功能工作可靠。

4.2 排種器驅動電機調速精度試驗

圖9 排種器驅動電機轉速誤差Fig.9 Diagram of speed control precision error of drive motor

排種器驅動電機的調速精度是保證播種株距的基礎，在實際田間作業中，播種株距除受到控制系統控制精度影響外，還會受排種器性能、導種管內種子碰撞、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計結果來得出控制系統控制精度存在缺陷，因此設計臺架試驗，統計相應作業速度下電機實際轉速和理論轉速的相對誤差，以檢驗控制系統的電機調速精度，試驗在傳動比50、播種株距21 cm、排種盤型孔數25、速度3～18 km/h的條件下進行，從圖9中可以看出，電機轉速相對誤差均小于0.46%，調速精度高。

5 田間試驗

為了檢驗系統的實際性能，進行了田間試驗，系統搭載在課題組研發的氣力式玉米免耕精量播種機上，排種器為中國農業大學工學院研制的氣壓組合孔式玉米精量排種器[28-29]，由John Deere 6B954型拖拉機為播種機提供作業所需動力，試驗于2018年7月25日在河北省固安縣西市村進行。

5.1 作業面積統計試驗

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+北斗雙星接收機進行對比試驗，統計結果如表1所示，可以看出，本系統3次測量平均相對誤差為0.81%，略大于eTrex209x的0.29%，在測量穩定性上，本系統測量標準差為0.06 hm2，優于eTrex209x的0.11 hm2。綜合而言，本系統作業面積統計功能誤差較小，可提高測量效率，降低勞動強度。

表1 作業面積測量精度對比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

田間試驗和數據采集如圖10所示。試驗前對地塊進行淺旋作業，將雜草和秸稈粉碎后混入土中，以創造良好的種床條件；所用的氣力式玉米免耕精量播種機掛載有4個播種單體，其中2個播種單體采用地輪鏈條驅動，其余2個采用本系統驅動，玉米種子選用鄭單958，播種株距為21 cm，作業速度為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據，數據處理依據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，將合格指數、變異系數作為評價控制系統性能的指標。

對采集的原始數據合格指數、變異系數進行方差分析，結果如表2所示，可以看出，驅動方式、作業速度及其交互作用對合格指數和變異系數均有顯著影響。為直觀地看出兩種驅動方式下速度對合格指數和變異系數的影響，繪制圖11所示的折線圖，從圖中可以看出，在作業速度為4 km/h 時，采用本系統驅動作業合格指數平均值為94.81%，變異系數平均值為13.59%；地輪驅動作業合格指數平均值為94.56%，變異系數平均值為13.42%，兩種驅動方式的合格指數和變異系數均無較大差異；隨著作業速度的提高，地輪驅動作業合格指數不斷下降，變異系數也逐漸增大，當作業速度達到12 km/h時，變異系數達到最大值22.17%，合格指數下降到83.25%，已低于國家標準；本系統作業合格指數在速度為6 km/h時達到最高，為96.52%，之后隨著速度增大而不斷下降，但當速度達到12 km/h 時，合格指數為90.05%，變異系數為18.92%，不難發現，在高速狀態下本系統作業各指標均優于地輪驅動作業。

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

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

6 結論

(1)搭建了基于Android和CAN總線的玉米精量播種機監控系統，系統利用GPS接收器采集播種機速度，以STM32單片機作為主控制器核心處理芯片，負責整個系統的運算和指令下發，采用CAN總線分布式控制方式設定各個播種單體排種器轉速，通過Android智能設備完成人機交互，可實現的主要功能有：播種行數任意拓展、播種機位置實時監控、播種作業參數在線調整、作業面積實時統計。

(2)對GPS接收器速度誤差進行了分析，建立了已作業面積積分統計模型，根據該模型設計了作業面積統計算法，與eTrex209x手持式GPS+北斗雙星接收機進行了作業面積對比試驗，結果表明，本系統面積測量平均相對誤差為0.81%，略高于eTrex209x的0.29%，在測量穩定性方面，本系統面積測量標準差為0.06 hm2，優于eTrex209x的0.11 hm2。

(3)田間試驗表明，作業速度、驅動方式及其交互作用對合格指數和變異系數均有顯著影響。當作業速度為4 km/h時，本系統驅動作業合格指數和變異系數平均值分別為94.81%、13.59%，地輪驅動作業合格指數和變異系數平均值分別為94.56%、13.42%，兩種驅動方式的合格指數和變異系數均無較大差異。隨著作業速度的提高，兩種驅動方式的合格指數和變異系數整體上都呈下降趨勢，但地輪驅動作業的方式受速度影響更為顯著。當作業速度達到12 km/h時，本系統作業合格指數為90.05%，變異系數為18.92%，優于地輪驅動的83.25%、22.17%。高速作業狀態下本系統作業各項指標均優于地輪驅動作業。