旋耕播種施肥復式作業機測控系統的設計*

陳彩蓉 ，曹文韜 ，張建峰 ， 胡 飛

（1.南京農業大學工學院，江蘇 南京 210031；2.南京農業大學人工智能學院，江蘇 南京 210031；3.連云港蘇友機械有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

小麥是世界上種植分布最廣、種植面積以及貿易量最大的糧食作物之一，小麥種植占我國農業谷物種植的比重很大。傳統旋耕播種機多利用地輪鏈傳動方式驅動排種器，由于受到秸稈或雜草覆蓋量、土壤含水率以及土地表面平整度的影響，導致地輪附著力減弱，容易出現地輪打滑等情況；在調節播量時，需要手動調節地輪與排種器轉軸之間的傳動比，且調節等級有限，難以滿足高速、高精度的作業要求。有關學者針對以上問題進行了研究，設計了一些基于編碼器測速的精量播種機控制系統，但編碼器測速仍然受到地輪打滑的影響，且不同地塊、不同土壤條件都有不同的滑移率，不能保證修正參數的普適性，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[1-2]。

隨著精細農業的發展，利用新型驅動和智能調速系統取代傳統地輪驅動，實現精準智能播種逐漸成為發展趨勢[3-6]。播種和施肥是農業生產的重要環節，田間作業時，駕駛員和農機管理人員無法直接觀察到種（肥）箱中種子和肥料的余量，難以做到及時加種、加肥。排種管、施肥管作業過程中不可避免地會出現堵塞、漏播等現象，導致播種和施肥作業的質量難以保證，最終影響作物產量和質量。隨著信息技術的發展，采用電子設備對復式作業機種肥狀態進行實時監測顯得極為重要[7-8]。

因此，設計一種基于GPS 衛星測速的旋耕播種施肥復式作業機測控系統，配合復式作業機可以實現下田作業時一次性完成旋耕、播種以及施肥等多道作業工序，實現精量化播種施肥作業，并對播種施肥的各種狀態進行實時監測，提高機具作業性能和智能化水平。

1 系統總體方案與硬件設計

旋耕播種施肥復式作業機測控系統主要由微控制器模塊、GPS 衛星定位測速模塊、人機交互模塊、播種施肥模塊、監測報警模塊、電源模塊等構成，測控系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

微控制器模塊主要用于接收GPS 衛星定位測速模塊發送的作業機車速及位置信息，并根據播種施肥控制算法計算驅動電機轉速，同時，接收播種施肥驅動電機通過旋轉編碼器測得的反饋轉速，與人機交互界面進行信息交互。在人機交互界面中，用戶可以自行設置畝目標播種（施肥）量，還可以實時顯示和存儲電機轉速、作業機行駛速度、種箱與肥箱的料位是否充足、排種施肥管是否堵塞等，便于用戶更好地對系統進行監測。

1.1 微控制器模塊

從國內外對播種施肥測控系統的研究中可以看到，目前比較主流的控制器都是以單片機作為控制核心，考慮到本旋耕播種施肥測控系統的實際需求，本文選擇意法半導體公司生產的STM32F407IGT6 單片機作為主控制器。它是基于Cortex-M4 內核的32 位微控制器，具有體積小、成本低、功耗低和外設多等特點[9]，主要可以實現以下功能：接收GPS 衛星定位測速模塊傳輸的復式作業機的實時位置以及速度信息，發送并接收播種施肥驅動電機轉速和反饋轉速，實現播種施肥速度隨行駛速度的變化自動調節，并與操作者進行實時人機交互。

1.2 GPS衛星定位測速模塊

GPS 定位模塊在整個系統中起著至關重要的作用，它是獲取定位信息的重要組成部分。主要用于定位旋耕播種施肥復式作業機的實時位置信息并測算機器的行駛速度，由于高精度GPS 模塊價格昂貴且維護成本較高，難以在農業設備上進行大規模推廣應用。系統選用ATGM332D-5N GPS 模塊，該模塊是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC 單芯片AT6558 的，支持GPS、北斗等多種衛星導航系統，ATGM332D-5N 系列模塊具有靈敏度高、功耗低、成本低等優點，適合用于車載導航、嵌入式定位設備等場合。通過串口與STM32 微控制器進行通信，傳輸經緯度等數據到控制器。ATGM332D GPS 模塊實物如圖2 所示，ATGM332D-5N 系列模塊主要技術參數如表1所示。

表1 ATGM332D-5N模塊主要技術參數表

圖2 ATGM332D GPS模塊實物

1.3 播種施肥電機驅動模塊

播種施肥單元控制電機的選擇主要有步進電機、直流電機、伺服電機等。相比之下，直流電機的控制方法不僅簡單實用，而且成本較低、性價比高。直流電機主要由定子和轉子兩部分構成，工作時將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導體有電流流過，電機內部有磁場存在，載流的轉子導體將受到電磁力的作用，電磁力作用于轉子并使其旋轉，從而帶動機械運作。該測控系統選用直流電機WeiPu-xx380，電機額定功率為380 W，輸入電壓為12 V或者24 V，扭矩20 N·m。

電機驅動選用Briter 公司生產的DC-60A 驅動器，性能穩定，模塊最大額定電流可達60 A，主要技術參數如表2 所示。測控系統通過對直流電機轉速進行閉環控制，從而達到精量播種施肥的目標。

表2 電機驅動器主要技術參數

1.4 監測報警模塊

監測報警模塊主要有排種施肥管堵塞報警以及種（肥）箱料位報警兩部分，當出現排種施肥管堵塞或者種箱、肥箱低于料位閾值時，系統會發出聲光報警。

排種施肥管堵塞報警的原理是將光電傳感器安裝在排種施肥管中，傳感器的接收管與發射管相對，當種肥經過時，光電傳感器產生高低電壓變化，控制器I/O 管腳與傳感器信號線相連，實時捕捉電信號并進行相應的處理。當種肥管沒有種肥通過時，接收端電信號為1，反之則為0。通過微控制器在種肥管正常播種和堵塞情況下捕獲電平高低變化，以確定種肥管是否存在堵塞，從而進行聲光報警，堵塞報警系統工作原理如圖3 所示。

圖3 堵塞報警系統原理圖

種（肥）箱料位報警工作原理與排種施肥管堵塞報警原理相似，該報警系統將光電傳感器安裝在排種施肥箱中的一個閾值料位上，當種肥料位高于此位置時，接收端接收來自發射端的光電信號為1，反之則為0 并進行報警，種（肥）箱料位報警系統原理如圖4 所示。

圖4 種（肥）箱料位報警系統原理圖

在拖拉機提升臂附近安裝接近開關，作業時，拖拉機提升臂下落，微控制器檢測到接近開關信號，控制電機驅動模塊進行播種施肥作業；當拖拉機在掉頭轉彎時，提升臂上升，關閉播種施肥軸電機，可以有效避免種子和肥料的浪費[10]。

2 測控系統軟件設計

旋耕播種施肥復式作業機測控系統的軟件設計在整個系統中至關重要，決定著整個系統能否正常運行。軟件系統主要由主程序、GPS 衛星定位測速模塊、播種施肥單元、人機交互界面等模塊組成，本系統的軟件采用C 語言編寫，在Keil5 集成開發環境下進行編譯連接。主程序模塊主要對來自各個單元的信息進行綜合分析計算，作業時對各個部件的運行狀態進行綜合分析和調整，同時，根據當前播種施肥作業參數和GPS 模塊傳入的測速信息，實時調整直流無刷電機的轉速，實現播種施肥作業速度的自動調節。系統流程圖如圖5所示。

圖5 系統流程圖

2.1 衛星定位測速模塊

ATGM332D-5N 定位模塊采用串口與STM32微控制器進行通信，目前GPS 接收機使用最廣泛的協議是NMEA-0183 協議，NMEA-0183 協議曾是美國海用電子設備使用的標準格式，由美國國家海洋電子協會制定，目前已成為GPS 導航設備統一的RTCM 標準協議。NMEA-0183 協議標準可以輸出$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC 等多種語句[11]，協議數據采用ASCII 字符表示，可使用其中$GPRMC（推薦定位信息）數據獲取GPS 模塊的實時速度信息。$GPRMC 語句可以滿足一般的GPS 動態定位應用要求，該語句中包括經緯度、速度、時間和磁偏角等字段，在接收到這些數據后，通過一定的算法對含有經緯度數據的語句進行解析，即可獲得所需的位置、速度等信息[12]。$GPRMC數據參數如表3所示，GPS采集程序流程如圖6 所示。

表3 $GPRMC 數據參數

圖6 GPS模塊程序流程圖

2.2 播種施肥控制和狀態監測模塊

播種施肥控制單元的軟件設計主要包括控制直流電機轉速，旋轉編碼器采集直流電機轉速并反饋給微控制器以及對排種施肥管堵塞和種肥低于料位閾值時的監測報警。

微控制器通過GPS 測速模塊獲取拖拉機行駛速度，結合用戶設置的播種施肥作業參數，通過輸出PWM 信號控制播種施肥直流電機的轉速，使得排種施肥軸轉速與拖拉機前進速度實時匹配，實現對播種（施肥）量的精確控制，并通過人機交互界面實時顯示作業信息，實時監測作業狀態。播種施肥控制模塊流程圖如圖7所示。

圖7 播種施肥控制模塊流程圖

監測報警模塊分為排種施肥管堵塞報警以及種（肥）箱料位報警，微控制器采集光電傳感器產生的高低電平，當排種施肥管中光電傳感器產生的低電平超過3 s 時，系統判斷相應的播種通道阻塞，發出堵塞聲光警告；當種（肥）箱中光電傳感器從高電平降到低電平時，發出種肥不足的報警提示。

3 田間試驗

旋耕播種施肥復式作業機測控系統田間試驗于2023 年4 月3 日在江蘇省連云港市灌云縣龍苴鎮進行，采用東風DF2004-5A 拖拉機作為動力，掛載旋耕播種施肥復式作業機。試驗田地長度60 m，旋耕播種施肥機作業幅寬為2.5 m，計算得單次試驗面積為150 m2，約合0.225 畝。旋耕播種施肥復式作業機單程完成一趟作業，視為完成一次試驗。試驗主要材料包括小麥、復合肥等，所使用的主要設備有電子秤和所設計的播種施肥測控系統、種肥收集裝置、測距尺等，田間作業試驗如圖8 所示。對采集的數據進行分析得出：該測控系統在多個擋位作業時的實際播種（施肥）量與設定目標值的相對誤差小于4%，播種施肥控制性能良好，具有較高的穩定性。

圖8 田間作業試驗

4 結論

本文設計了基于GPS 衛星定位測速的旋耕播種施肥復式作業機測控系統，采用電機驅動播種施肥轉軸的方式設計，進行田間作業時，由GPS 接收器采集復式作業機的行駛速度，控制器依據設定好的畝目標播種（施肥）量換算得到直流電機的理論轉速，對電機進行閉環控制，進而控制自適應復式作業機行駛速度的變化。試驗表明：該測控系統基本可以用于旋耕播種施肥復式作業機田間作業測速，能夠實現精量播種施肥控制。