分層施肥機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與田間試驗

陳金成 張惠 湯智輝 張景 紀(jì)超

摘要：為解決分層施肥作業(yè)過程中難以人工判斷缺肥或堵塞等問題，并根據(jù)施肥作業(yè)實際需求，設(shè)計開發(fā)了一種分層施肥監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)施肥作業(yè)無法實時監(jiān)測機具作業(yè)狀態(tài)和可視化操作的問題。以三菱FX2N PLC及外圍電路進(jìn)行傳感器輸入信號的采集，采用適配modbus協(xié)議的LoRa無線擴頻技術(shù)實現(xiàn)了與上位機的無線數(shù)據(jù)通信，減少了現(xiàn)場布線。通過人機交互界面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，為不同機型機具進(jìn)行系統(tǒng)的移植提供了方便。選取了穿透性強、輻射角度廣的對射式光電傳感器實時監(jiān)測施肥流動狀態(tài)。在機具地輪處安裝霍爾傳感器并可依據(jù)安裝磁鋼的數(shù)量提高作業(yè)速度的精度，從而提高作業(yè)面積的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，也為故障位置信息記錄提供可靠保障。田間試驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)可有效監(jiān)控分層施肥作業(yè)狀態(tài)，人機交互良好，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，滿足復(fù)雜農(nóng)業(yè)中的作業(yè)要求，可以實現(xiàn)100%缺肥或堵塞等故障報警，作業(yè)面積統(tǒng)計誤差小于0.05%，可以實現(xiàn)分層施肥作業(yè)的監(jiān)測目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：分層施肥;監(jiān)測系統(tǒng);故障報警;設(shè)計;田間試驗

中圖分類號：S224.2?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）20-0205-05

收稿日期：2021-01-26

基金項目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃（編號：2018CB010）;國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0200604）;兵團英才第二周期第二層次培養(yǎng)計劃項目。

作者簡介：陳金成（1986—），男，河南商丘人，博士研究生，助理研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品無損檢測與智能控制系統(tǒng)開發(fā)研究。E-mail：shznkycjc@163.com。

通信作者：紀(jì) 超，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事大田農(nóng)機裝備信息感知與控制系統(tǒng)開發(fā)研究。E-mail：jicobear@163.com。

“減肥增效”是推動農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，分層施肥技術(shù)能夠?qū)⑤^適量的肥料施于不同的土壤層中以提高肥料利用率，延長肥效，促進(jìn)作物后期的生長[1-3]。目前，該技術(shù)已在棉花、玉米和小麥等作物開展應(yīng)用，并取得了良好的施用效果 [4-7]。分層施肥機是實現(xiàn)分層施肥作業(yè)的硬件載體，主要通過核心部件施肥靴完成下肥動作。大田惡劣作業(yè)環(huán)境下，常出現(xiàn)因排肥機構(gòu)傳動故障、雜草濕土堵塞施肥靴排肥口等引發(fā)堵肥、漏肥問題，由于后續(xù)緊跟覆土環(huán)節(jié)，故依靠人工隨車觀測難以及時察覺，造成斷條漏施，嚴(yán)重影響后期施肥效果以及作物產(chǎn)量。

為實現(xiàn)堵肥、漏肥報警與作業(yè)參數(shù)監(jiān)測，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究了光電感應(yīng)、電容感應(yīng)、機器視覺等方式進(jìn)行實時監(jiān)測[8-16]。實際農(nóng)田非結(jié)構(gòu)化工況條件下，光電傳感器價格低廉、技術(shù)成熟，應(yīng)用較為廣泛，但探頭表層極易受塵土粘附干擾，削弱感應(yīng)靈敏度;電容傳感器對種肥流量具有一定的響應(yīng)效果，但監(jiān)測精度同樣易受溫度、灰塵、震動等多種外部因素影響;視覺相機監(jiān)測能力能夠達(dá)到像素級別，但造價成本高，且易被雜光侵入，影響成像效果。因此，考慮實際大田推廣應(yīng)用前景，本研究擬采用具有較強塵土穿透能力的光電傳感器實時感應(yīng)肥料施用過程，即在降低成本的基礎(chǔ)上，提高抗干擾能力，保證監(jiān)測精度。同時，構(gòu)建分層施肥機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)漏肥、堵肥報警功能，配置作業(yè)速度、斷條距離測算、作業(yè)面積統(tǒng)計等多項功能模塊，從而優(yōu)化分層施肥機田間作業(yè)性能。

1 分層施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)以新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所開發(fā)的分層施肥機為載體進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。分層施肥機主要以地輪為主動力鏈條傳動帶動施肥槽輪旋轉(zhuǎn)，使肥料流入導(dǎo)肥管，再利用分層裝置實現(xiàn)不同深度的施肥作業(yè)[17]。分層施肥監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成包括三菱FX2N PLC控制器及外圍硬件電路（下位機）和威綸通工業(yè)觸摸屏（上位機），具體如圖1所示。其中上位機和下位機通過適配modbus協(xié)議的LoRa無線通信技術(shù)實現(xiàn)，減少了現(xiàn)場布線，安裝簡便，易于調(diào)試。

1.2 監(jiān)測原理

為適應(yīng)施肥作業(yè)高塵環(huán)境，本系統(tǒng)優(yōu)選山東諸城迪力科汽車電子有限公司特制開發(fā)的穿透性強、輻射角度廣的對射式光電傳感器作為施肥監(jiān)測探頭，該傳感器在光信號受遮擋的瞬間產(chǎn)生低電平，其他工況下均保持高電平，從而提高了肥料流動性動態(tài)監(jiān)測的靈敏度，實現(xiàn)少量、微小顆粒肥料的快速識別。傳感器工作示意圖、實物及其安裝位置分別如圖2、圖3和圖4所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)施肥堵漏監(jiān)測與作業(yè)參數(shù)統(tǒng)計顯示（作業(yè)速度、作業(yè)面積和作業(yè)時間等）兩大功能。為減少現(xiàn)場接線部署工作和復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的硬件故障率，控制程序中多采用PLC軟繼電器（M）代替物理開關(guān)按鈕，僅通過觸摸屏虛擬按鈕進(jìn)行相關(guān)命令的操作。同時為了減少上位機的數(shù)據(jù)計算量，保障上下位機通信速率和穩(wěn)定性，系統(tǒng)所需相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計算均在PLC控制器中執(zhí)行，其控制系統(tǒng)流程如圖5所示。

2.1 施肥監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測原理可知，僅當(dāng)肥料顆粒通過光電傳感器對射場時產(chǎn)生低電平信號，其余情況均保持高電平狀態(tài)。傳感器輸出信號端接入PLC輸入端口，為滿足高速施肥工況下監(jiān)測需求，將輸入端口設(shè)置為具有8 000 Hz的高速計數(shù)器輸入可避免快速脈沖漏采，保證監(jiān)測靈敏度和精度。圖6為施肥監(jiān)測策略，通過人機界面的“作業(yè)參數(shù)”界面預(yù)設(shè)時間參數(shù)t和t時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)n，待作業(yè)開始定時器（TN）開始計時，同時計數(shù)器（CN）開始計數(shù)t 時間內(nèi)脈沖數(shù)n1，若n1≥n則計數(shù)器溢出復(fù)位定時器重新計時，計數(shù)器也同時復(fù)位重新脈沖計數(shù);若在t時間內(nèi)通過計數(shù)器采集的脈沖數(shù)n1

2.2 作業(yè)速度

本系統(tǒng)采用NPN型霍爾開關(guān)作為測速傳感器，霍爾開關(guān)安裝于支撐地輪的橫梁上，地輪周邊均勻貼有圓形磁鐵，霍爾開關(guān)通過探測磁鐵N極進(jìn)行計數(shù)測速。已知圓形磁鐵數(shù)為m， 霍爾開關(guān)單位時間

產(chǎn)生磁脈沖數(shù)為p，地輪直徑為d，則可根據(jù)式（1）（2）計算獲得地輪轉(zhuǎn)速（n）和施肥作業(yè)實時速度（v）。

n=pm;（1）

v=π×d×n。（2）

2.3 作業(yè)面積和時間

作業(yè)面積與作業(yè)時間是客觀衡量機具作業(yè)性能的重要指標(biāo)。已知測速傳感器（霍爾開關(guān)）產(chǎn)生的電磁脈沖數(shù)為P，地輪轉(zhuǎn)1圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)（即安裝的磁鐵數(shù)）為m，作業(yè)幅寬為L，作業(yè)面積為S，則作業(yè)面積計算公式為

S=πdm×P×L。（3）

當(dāng)作業(yè)開始時開啟控制器中的100 ms 定時器，累計其溢出次數(shù)，從而得到作業(yè)時間。

3 人機交互界面設(shè)計

本系統(tǒng)采用威綸通MT6071iE觸摸屏作為人機交互界面的上位機載體，主要涉及數(shù)據(jù)信息采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和歷史記錄等功能。

主界面（圖7）主要包括：（1）標(biāo)題、日期、時間注釋區(qū)。功能：主要用來顯示日期和時間，并可以重啟系統(tǒng)。（2）信息警告區(qū)。功能：當(dāng)施肥各路出現(xiàn)故障時，動態(tài)滾動提示各路報警狀態(tài)。（3）數(shù)據(jù)顯示區(qū)。功能：設(shè)置單元作業(yè)名稱，此功能主要是針對須要記錄標(biāo)注性的作業(yè)參數(shù)的情況，根據(jù)需求可以設(shè)置也可以不進(jìn)行設(shè)置，須要與操作區(qū)“開始單元作業(yè)”和“結(jié)束單元作業(yè)”按鍵結(jié)合使用此功能;顯示實時作業(yè)速度、自開機不間斷作業(yè)面積和作業(yè)時間。（4）報警提示。功能：綠色表示工作正常，當(dāng)作業(yè)時監(jiān)測到堵塞或缺肥情況顯示為紅色。（5）單路控制監(jiān)測區(qū)。功能：每一路監(jiān)測均可獨立控制，當(dāng)按鈕顯示為深綠色時可進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)設(shè)置為不需要監(jiān)測時顯示紅色。（6）操作區(qū)。功能：“開始作業(yè)”，作業(yè)開始時須要通過按下此按鈕切換為開始作業(yè)模式，并當(dāng)作業(yè)速度大于0時監(jiān)測系統(tǒng)開始工作，當(dāng)再次按下此按鈕時監(jiān)測系統(tǒng)停止監(jiān)測。“菜單設(shè)置”，當(dāng)按下此按鍵時將彈出一個按鍵列表（圖7右側(cè)），可以在按鍵列表中點選不同的按鍵并彈出不同的窗口，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

3.1 參數(shù)設(shè)置和歷史作業(yè)

參數(shù)設(shè)置（圖8）主要根據(jù)不同的作業(yè)機具進(jìn)行各個參數(shù)的調(diào)整和變更，此頁面可以記錄不同的作業(yè)參數(shù)和顯示當(dāng)前或記憶上次設(shè)置的工藝參數(shù)。此頁面可以通過“新增參數(shù)” “更新當(dāng)前參數(shù)” “刪除當(dāng)前參數(shù)”和 “刪除全部參數(shù)”功能按鈕管理配方數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù);待選中參數(shù)配方表中某一行參數(shù)時可通過“參數(shù)傳送”按鈕寫入控制器。

歷史作業(yè)（圖9）用來記錄單元作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，每天更新1次記錄，項目包括編號、時間、日期、作業(yè)項目、作業(yè)面積、單元作業(yè)所需時間（單位小時和分鐘）和本季度總作業(yè)面積;根據(jù)系統(tǒng)存儲的要求可以對歷史作業(yè)記錄進(jìn)行刪除和復(fù)寫操作。

3.2 報警及故障位置記錄

報警記錄（圖10）模塊是記錄施肥作業(yè)過程中，第X路或多路故障的歷史信息，主要用于顯示故障發(fā)生的時間、類型、次數(shù)和累計時間等，便于后期查看和數(shù)據(jù)分析，有助于機具性能優(yōu)化改進(jìn)。為便于信息查詢，提供了3種信息篩選按鈕（顯示所有事件、隱藏確認(rèn)時間和隱藏恢復(fù)事件）。

故障位置記錄（圖11）：當(dāng)故障發(fā)生時采集脈沖數(shù)據(jù)并記錄報警時的累計脈沖數(shù)，當(dāng)停止作業(yè)、檢查機具時再次記錄脈沖數(shù)據(jù)，計算故障時間段內(nèi)機具的行走距離，為后續(xù)補肥作業(yè)留置定位信息。

4 田間試驗

為檢測分層施肥機控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)與穩(wěn)定性，于2020年10月15日前往第八師121團32連進(jìn)行田間試驗測試。試驗所用肥料為尿素和復(fù)合肥2種，圖12為試驗現(xiàn)場。

4.1 肥料缺失監(jiān)測試驗

為監(jiān)測肥料漏施問題，分別向2組肥箱添加 5 kg 尿素和復(fù)合肥，作業(yè)起始階段，輸肥管處持續(xù)下肥狀態(tài)，系統(tǒng)未發(fā)出報警信息，待肥箱排空，處于缺肥狀態(tài)時，系統(tǒng)報警器響起，并在人機交互界面上呈現(xiàn)出報警狀態(tài)。通過多次檢測試驗，結(jié)果表明缺肥報警準(zhǔn)確率達(dá)100%。

4.2 肥料堵塞監(jiān)測試驗

在作業(yè)前選定某一路施肥靴，將其下端排肥孔用軟棉布包裹住，形成堵塞。肥箱中加入10 kg肥料，啟動施肥機進(jìn)行試驗，當(dāng)發(fā)生報警時立即停止作業(yè)，并查看交互界面中顯示堵塞的施肥行是否與預(yù)置堵塞的施肥行相互一致，更換堵塞其他施肥靴，重復(fù)上述試驗過程，通過統(tǒng)計50組肥料堵塞對照試驗結(jié)果，表明堵肥報警準(zhǔn)確率同樣達(dá)100%。

4.3 作業(yè)面積統(tǒng)計試驗

人工測量機具作業(yè)的行走距離和作業(yè)幅寬，將人工測算面積與系統(tǒng)統(tǒng)計面積進(jìn)行試驗對比，具體結(jié)果如表1所示。試驗均值誤差為0.022%，最大誤差小于0.05%，達(dá)到了設(shè)計的統(tǒng)計誤差要求。

5 結(jié)論與討論

本研究設(shè)計了一種分層施肥機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，以三菱FX2N PLC作為控制器，威綸通觸摸屏作為上位機，并利用LoRa無線擴頻技術(shù)和modbus協(xié)議建立了上下位機的穩(wěn)定可靠通信，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的一體化操作和作業(yè)參數(shù)的實時監(jiān)測。

田間試驗結(jié)果表明，肥料缺失與肥料堵塞報警成功率均達(dá)到100%;作業(yè)面積監(jiān)測相對誤差≤0.05%，滿足田間作業(yè)需求。

分層施肥作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)滿足了現(xiàn)有條件下的作業(yè)監(jiān)測功能要求，也可為其他農(nóng)業(yè)作業(yè)監(jiān)測提供通用性適配。針對未來智能農(nóng)機的發(fā)展，還要在數(shù)據(jù)自動化分析、智能決策、農(nóng)機物聯(lián)網(wǎng)和云平臺等方面進(jìn)一步研究。

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