基于4G的自動化施肥控制系統設計

石 磊，陳開東，李 偉，張建峰

（無錫華普微電子有限公司，江蘇無錫214035）

1 引言

農業是國民經濟發展的基礎，農業和農村的發展直接影響著中國國民經濟的可持續發展和社會穩定。隨著農業的發展，我國的化肥使用量呈增長趨勢。化肥是農業高產量的主要要素，且化肥成本在總成本中占據的比重較大，我國化肥總產量占世界的16.6%，僅次于美國，居世界第2位，總施肥用量占世界的27.5%，居世界第1位[1]。但我國存在化肥利用率偏低和氮、磷、鉀及微量元素施用量比例失調等問題，未被利用的化肥一方面造成經濟上的重大損失[2-3]，另一方面導致土壤生產力下降、地下水污染等生態問題以及農產品品質下降等問題，化肥的精準化利用直接影響農作物的產出和農民的收入以及環境的質量。精準農業是當代農業發展的大方向，而自動化精準施肥作為精準農業的重要組成部分，是解決上述問題的有效手段。自動化精準施肥能根據不同地區、不同農作物、不同的土壤和生長環境，全面平衡施肥量，具有明顯的經濟效益和環境效益。至今為止，國內外已有許多專家學者對變量施肥技術做出了研究[4-15]，但同國外研究相比，中國的變量施肥技術還不成熟，化肥使用仍存在較多缺陷，因此，研究和開發自動化、智能化、精準化的施肥機，對實現我國農業可持續發展具有非常重要的意義和實用價值。

本文研究的是基于4G網絡與比例-積分-微分（Proportional Integral Differential，PID）算法[16-17]設計的自動化精準施肥控制系統，利用現代信息技術、物聯網技術和微信平臺來實現施肥機的遠程租賃、資源共享[18-19]。用戶可以通過對系統進行不同的配置來實現施肥量的動態調整，即按需投入，可大大提高化肥的利用率，減少浪費、降低對環境和食品安全的危害。整個系統具有操作簡單、施肥量可調范圍廣、控制性能穩定可靠、控制精度較高等特點。

2 系統總體設計

施肥控制系統如圖1所示，主要由按鈕總成、肥料監測、主軸監測、施肥電機、施肥電機轉速監測裝置、4G通訊模組、LCD顯示屏等部分組成。4G通訊原理如圖2所示，設備實物如圖3所示。

圖1 施肥控制系統

圖2 4G模組原理

圖3 系統實物圖

施肥電機采用直流電機經行星減速箱減速輸出，輸入電壓為9~24 V，對應經行星減速箱輸出的轉速為400 r/min，施肥電機采用恒扭矩控制方式，在電機尾端裝配轉速傳感器，實時監測電機的轉速。主軸轉速監測主要采用霍爾轉速傳感器監測齒數為20齒的齒輪，為保證其穩定性（減小數值的跳動性），可采用計數方式進行轉速監測，主軸轉速即行駛速度。

3 控制系統軟件設計

3.1 單片機施肥控制軟件設計

本系統的設計主要以單片機為核心，系統采用C語言，軟件上采用順序結構的設計方法，控制程序主要由初始化程序、主程序和中斷服務子程序組成。設計流程如圖4所示。

圖4 設計流程

設備上電后首先進行初始化，再從Flash中讀取參數配置，包含電機參數配置、肥料參數配置、設備金額、服務器的域名（IP）以及服務器端口號。初始化和參數加載完成后界面跳轉到主界面，設備通過配置的IP和端口號向服務器發送連接請求，如果連接不成功在配置界面顯示連接錯誤。同時施肥機等待施肥邏輯觸發并實時檢測參數配置輸入。主界面、配置界面和充值二維碼界面分別如圖5~7所示。

圖5 主界面

圖6 配置界面

圖7 充值二維碼界面

3.2 設備遠程通信機制

底層通信協議采用TCP長連接，終端為客戶端，平臺為服務端，默認監聽端口9002。平臺可通過“通信參數設置”命令修改TCP服務端IP地址或端口。協議報文采用網絡字節序（Big endia）。

平臺連接維護：

1)平臺與終端建立新的連接時，關閉與終端之前建立的連接；

2)平臺在連續5個心跳周期內沒有收到終端數據，關閉當前連接；

3)平臺在發送消息給終端時，如果檢測到鏈路異常，關閉當前連接。

終端連接維護：

1)終端上電及通信模塊復位后，與平臺建立新的連接；

2)連接失敗后，終端每隔2 s后嘗試重新與平臺建立連接；

3)終端與平臺建立新的連接后，關閉之前的連接；

4)終端在發送消息給平臺時，如果檢測到鏈路異常，關閉當前連接；

5)終端在達到重傳次數后，仍未收到應答，關閉當前連接。

3.3 設備充值系統

系統由前端應用、后臺和終端設備組成。前端應用包括微信小程序和業務管理Web客戶端。后臺包括在線支付系統、業務管理系統、第三方系統接口、系統管理4個子系統，其中設備二維碼在線生成算法集成在設備系統中。

1)用戶通過微信掃碼可以自動觸發客戶服務微信小程序；

2)進入微信小程序后，如果客戶名下只有一臺設備，小程序會自動進入該設備的管理界面，如果客戶名下有多臺設備，小程序將顯示客戶設備清單，需要用戶在設備清單中選擇特定設備；

3)用戶選定設備后，預付費界面顯示客戶姓名（或單位名稱）、聯系電話、設備編號、設備剩余工作時間、最近繳費時間、最近繳費金額等信息；

4)用戶可填寫本次采購金額（或采購作業時間）后發起訂單支付。

充值流程如圖8所示。

圖8 充值流程

3.4 施肥電機控制流程設計

設定好電機系數、程序系數、肥料參數、施肥量等作業參數后，啟動施肥機，在程序中通過定時器和外部中斷采集施肥機行駛速度。在尾部行程開關閉合的狀態下，單片機采集施肥機的行駛速度后，根據設定好的參數并結合施肥公式計算出施肥電機的轉速，施肥電機控制流程如圖9所示。

圖9 施肥電機控制流程

施肥量精確度與施肥電機轉速有著密切的聯系，電機通過皮帶帶動8路施肥螺桿完成施肥過程；試驗過程中，根據計算出的驅動電機理論轉速與驅動電機反饋的實際轉速，實時調整電機轉速達到預設的目標轉速，當實際轉速誤差大于目標轉速時，系統將減小輸出電壓占空比；當實際轉速誤差小于目標轉速時，系統將增加輸出電壓占空比；系統通過PID控制算法對施肥電機轉速進行實時調控，保證施肥量均勻。結合施肥量、施肥機行駛速度和施肥電機轉速的關系，施肥電機轉速計算式如下：

式中：A為每公頃最大施肥量，單位kg/hm2（1 hm2=10000 m2）；Vmax為施肥電機最高轉速，單位r/min；B為用戶設置每公頃施肥量，單位kg/hm2；D為施肥電機系數；C為程序匹配系數；F為肥料參數；V1為主軸監測的實時行駛速度，單位km/h；VN為主軸的最高行駛速度，單位km/h。

4 測試與分析

4.1 施肥電機轉速采集

為了測試系統的施肥電機轉速采集準確性，使用信號發生器產生方波控制施肥電機轉動，利用示波器實時監控施肥電機轉動帶動齒輪轉動產生的霍爾信號頻率，來計算施肥電機的轉速，計算式如下：

式中：fH為霍爾頻率，單位Hz；P為齒輪的極對數。

試驗過程中，使用極對數為10的齒輪，施肥電機連續轉動1 min后取平均值，根據示波器采樣頻率并結合公式進行計算得出實際轉速，通過實際轉速與采集轉速計算后得出采樣準確率。準確率=1-|(采集轉速-實際轉速)|/實際轉速，從表1可知，總體的采樣準確率為99.33%。

表1 施肥電機轉速采集試驗結果

4.2 施肥電機控制精度試驗

試驗過程中，將施肥量分別設置成225 kg/hm2和405 kg/hm2，利用電機帶動齒輪轉動來模擬行駛速度，范圍為0.3~4.5 km/h。設定每公頃最大施肥量為675 kg/hm2，施肥電機最高轉速為400 r/min，施肥電機系數為1，程序匹配系數為1，肥料參數為1，主軸的最高行駛速度為5.4 km/h，連續轉動時間為1 min，通過公式計算得出理論轉速，并與實際施肥轉速計算后得出施肥準確率。

準確率=1-|(實際施肥轉速-理論施肥轉速)|/理論施肥轉速，從表2可知，當施肥量設置值為225 kg/hm2，施肥的準確率平均值為95.06%；當施肥量設置值為405 kg/hm2，施肥的準確率平均值為98.90%。總體的平均施肥準確率經計算為96.98%，誤差平均值為3.02%，系統控制精度較穩定。

表2 施肥電機控制精度試驗結果

5 結論

本文以單片機為核心設計了一款4G自動化施肥機，試驗表明，自動化施肥機操作簡單，同時能根據余額狀況實現是否進行停機操作并自動彈出充值界面提醒充值；在施肥電機控制精度試驗中得出實際與標準的轉速偏差均值在3.02%，說明系統在作業時能根據行駛速度實時調整施肥電機的轉速，且施肥電機的實際轉速與期望的目標轉速基本一致，滿足系統精準施肥的要求。目前國內的化肥利用率仍遠低于部分發達國家，在這一領域的國產自動化設計仍需繼續努力。