支持地址自設定的噴霧機噴頭流量總線監測系統設計

王曉萌,竇漢杰,高 松,邵小東,侯秋強,楊 碩

(1.云南省煙草公司 紅河州公司,云南 紅河 652399;2.北京市農林科學院 智能裝備技術研究中心,北京 100097)

0 引言

植保機械支撐農藥噴施作業,對于煙葉病、蟲、草害防治起著至關重要的作用[1-2]。其中,噴桿噴藥機是大田地面噴藥應用最廣泛的設備[3-4],由于田間作業環境復雜,噴桿作業幅寬較大,加之噴施系統存在復雜性、時變性、不確定性和非線性特征,對于噴霧作業參數難以精準控制[5-6]。

傳統的植保作業機械的農藥有效利用率僅為20%～40%,而采用精準施藥技術的植保機械農藥利用率可達50%～60%[7]。噴頭流量的精準監控是精準施藥的關鍵技術[8-9]。李龍龍、Zhu和Wei等[10-12]研究了PWM脈寬調制技術對噴頭流量的控制規律。朱千峰[13]采用采集噴藥流量傳感器數據,經噴藥流量控制模型控制流量,成功應用到小麥精準噴藥中。由于噴桿噴霧機作業幅寬大,噴頭數量多,使得單噴頭工作狀態的監測困難,陳彬等[14]設計了基于CAN總線和Android上位機的噴桿噴霧機變量控制特性測試系統,并采用高精度傳感器實現噴霧管道流量測量。李井祝[15]通過RS-485監測噴霧噴頭流量,實現了噴霧機噴頭流量的動態監測;張迪[16]利用CAN總線通信技術和GPS定位技術結合實現了對4～6個噴頭的漏噴、重噴區域的監測。目前,噴桿噴霧機多噴頭獨立流量監測由于更換成本高,普遍通過監測噴霧系統主管路流量,或者噴桿分段流量的方式代替,但上述方法無法獲得單噴頭的實時動態工作情況,給及時發現與排除噴霧故障帶來困難。

為了解決上述問題,筆者設計了一種支持地址自設定的噴頭流量總線監測系統,能通過上位機軟件對多噴頭流量在線監測,可以實現多路自動擴展,快速發現噴霧故障位置,實現噴頭流量監測模塊便捷調換,為噴桿噴霧作業機械的多噴頭精準監控提供一種流量信息獲取方法。

1 系統設計

1.1 整體設計

噴藥機噴頭流量總線監測系統主要由PC上位機、流量傳感器、流量傳感器頻率采集板、485總線、USB轉485模塊及12V電池等組成,如圖1所示。工作時,系統通過流量傳感器監測噴頭流量信息產生脈沖信號,并將數據傳輸到流量傳感器頻率采集板模塊;流量傳感器頻率采集板模塊采集接口的頻率信號,將6路流量信息傳輸到485總線上,并同時攜帶ID標識符用來區分流量傳感器頻率采集板;PC上位機通過USB轉RS-485模塊監控RS-485總線的流量信息,將信息解析并在上位機軟件進行顯示。工作時,可以根據實際的噴藥機的噴頭數量進行動態擴展流量傳感器頻率采集板模塊的數量,一臺流量傳感器頻率采集板模塊可以監測6路噴頭流量信息。為了便于監測單元工作狀態的檢測和更換,設計了監測單元硬件地址軟件自動設定的程序。通過RS-485通訊,軟件設定地址,接收上位機讀取流量的指令,采用問答方式,將采集的6路流量監測傳感器的頻率信號返回。

1.PC 2.USB轉485模塊 3.12V電池 4.流量傳感器頻率采集板 5.霍爾流量傳感器圖1 噴藥機噴頭流量總線監測系統組成圖Fig.1 Composition diagram of nozzle flow bus monitoring system of sprayer

1.2 硬件設計

1.2.1 流量傳感器頻率采集板總體設計

流量傳感器頻率采集板設計如圖2所示。

基于STM32F0系列單片機,通過RS-485構建總線系統,由車載電瓶進行供電,能為6路流量監測傳感器進行供電,監測傳感器的噴藥流量,為寬幅噴桿噴藥機的噴頭工作性能進行實時監測。數據接口和電源接口采用24引腳標準總線線束接口,連接穩定同時具有較好的防水性能。電路主要分為RS-485通信電路、電源供電電路及流量信號傳輸電路。

1.2.2 流量傳感器頻率采集板硬件電路設計

流量傳感器頻率采集板硬件電路主要由STM32F0系列單片機最小系統、RS-485通信電路及調壓電路于相關外設硬件接口電路組成。STM32F0系列單片機采用意法半導體的STM32F030F4嵌入式微控制器,工作頻率為48MHz,內部集成16kB Flash和8kB SRAM,搭配8MHz外部晶振,具有豐富的外部通信接口,包括USART 、I2C、SPI、SWD、1路11通道的ADC、15個GPIO口等,且控制具有超低功耗,外設豐富、性能優越的特點。主控電路板采用DC9～15V供電,額定電壓為12V,通過調壓電路降壓到3.3V,采用MP1470GJ電源管理芯片電路進行降壓處理,為微控制器及其他外設芯片工作提供穩定低壓電源。采用SIT3485ESA TTL轉RS-485芯片搭建總線通信電路,微控制器PA10通過固態繼電器控制RS-485 A信號線的輸出。當流量采集板軟件地址標定時,控制總線通信線路的輸出,完成總線中掛載的流量采集板接續進行軟件地址自設定功能。

1.2.3 傳感器選型

本設計采用OKD-HZ21WB霍爾流量傳感器,其流量測定范圍為0.5～3L/min,測量誤差范圍為±10%,最高耐壓1.75MPa。其工作電壓范圍為3～18V,最大工作電流為15mA,輸出脈沖占比測算當前流量數據,滿足當前施藥作業的基本需求。傳感器與噴頭、傳感器與噴桿之間采用管螺紋連接,連接簡單穩定。流量傳感器輸出為脈沖信號,幅值為12V,電源從頻率采集板接出,與采集板一次電源值一致(12V),可接受1V以內壓降;一個采集板接6路流量傳感器頻率信號,流量信號可以直接采集,不需要再進行硬件的放大等處理。

1.2.4 RS-485電路設計

本設計采用RS-485通信協議,波特率9600bps,遵循MODBUS RTU協議;采用SIT3485ESA RS-485收發器芯片,傳輸速率為12Mbps。針對大田噴藥機組噴桿長度的不同導致噴頭數量不同的問題,設計了一種自動擴展、可替換的一種流量傳感器頻率采集板設計方案。嵌入式微控制器燒錄好程序后,上位機會發送初始化指令,總線上的第一臺流量傳感器頻率采集板接收到信息后會初始化當前信息,自動生成ID號上報上位機,同時打開當前流量傳感器頻率采集板的RS-485的輸出口,第二臺流量傳感器頻率采集板可以接收到信息,并重復之前工作。

1.3 軟件設計

1.3.1 流量采集板程序

流量采集板軟件流程如圖3所示。系統開始工作后,首先對硬件地址進行清零操作,自動清除地址,指令如表1所示。

表1 地址分配指令列表Table 1 List of address assignment instructions

當出現RS-485總線從設備回發數據紊亂、從設備回復數量減少或主設備重啟等情況時,需要對從設備地址重新自動分配,在重新分配前,需要主設備對所有從設備發送自動清除地址幀,確保每個從設備恢復到地址為0x00和總線斷開狀態,為下一次的自動分配地址做好準備。地址清零后,對軟件的硬件地址進行軟件設定,系統出廠時地址默認為0x00。

初始時,出總線端口默認斷開,上位機發送分配地址幀,距離上位機最近的設備接收地址分配幀,切斷出總線;延時10ms,打開出總線,自動將設備地址設為1并回發帶地址1的分配地址幀到總線;下一臺設備接收到地址1的地址幀后,切斷總線,自動分配地址2,延時10ms,回發帶地址2的分配地址幀至總線;依次類推,直到總線中無設備地址為0x00出現。指令列表如表2所示。地址標定完成后,進行流量傳感器的流量讀取,指令列表如表3所示。軟件將6路流量傳感器的脈沖頻率信號整合后,發送至總線網絡,完成頻率的監測。

表2 從機返回指令列表Table 2 Slave return instruction list

表3 讀取頻率指令列表Table 3 Read frequency command list

1.3.2 上位機軟件

PC上位機軟件采用C++ MFC進行開發,開發平臺為Visual Studio 2019,軟件界面如圖4所示。

軟件可以同時最多監控5個流量閥組30個噴頭的流量數據,并在測試界面上動態的展示每個噴頭的流量數據及其數據變化情況。軟件運行時,需首先將噴藥機噴頭流量監測系統線束連接完整,將USB轉RS-485模塊插入到PC上,雙擊打開噴頭流量測試界面程序;找到USB轉RS-485模塊的硬件位置,選擇并打開串口;輸入參數標定系數,點擊參數確定按鈕,并彈出參數設置完成對話框;點擊地址分配,等待地址分配完成;點擊開始按鈕,程序開始進行采集RS-485總線上的流量信息,并以100mL/min為最小單位在軟件界面上進行實時監測。

圖4 上位機軟件界面Fig.4 Software interface

2 系統性能試驗與結果分析

2.1 流量參數標定試驗

霍爾流量傳感器采用渦輪轉動,霍爾感知的原理,其測定流量的準確率由渦輪轉動的穩定性與管路流量之間的關系產生,由于不同噴頭結構不同,導致相同管路壓力的情況下,其噴出的流量、渦輪的轉速具有差異[17-18],所以需要構建不同管路中渦輪轉速與流量之間的關系式。流量傳感器輸出脈沖信號與流量監測值之間的關系為

q0=CP

(1)

式中q0—流量監測值(L/min);

C—流量系數;

P—流量傳感器輸出頻率(Hz)。

其中,C采用參數標定的方式確定。參數標定過程為:打開噴頭流量監測系統上位機軟件,將噴頭流量系數設置為1;打開噴霧噴霧系統,等待一段時間,使得噴頭流量監測系統上位機軟件監測流量值基本穩定;用燒杯采集單噴頭藥液,用量筒量取T時間內藥液體積V,并記錄N個上位機軟件界面流量監測值q0,則噴頭流量系數為

(2)

式中V—藥液體積(L);

T—時間(min);

N—流量監測值采集數量(個)。

2.2 噴藥機噴頭流量監測系統穩定性分析

2.2.1 流量采集板地址自動設定可靠性試驗

為了驗證噴藥機噴頭流量監測系統流量采集板的地址自動標定的可靠性,采用1～5個流量采集板進行單次地址自動標定試驗,如圖5所示。每組做20次,單擊PC上位機軟件的地址標定按鈕,查看返回的地址數和在RS-485上掛載的流量傳感器頻率采集板的數量是否一致,如一致則認為標定成功,否則認為標定失敗。

圖5 地址自設定可靠性試驗Fig.5 Address self setting reliability test

流量采集板單次地址自設定成功率結果如表4所示。由表4可知:流量傳感器頻率采集板個數小于3時,流量采集板地址自設定成功率平均為100%;當流量板數量為4個和5個時,流量采集板地址自設定成功率平均為95%;流量采集板地址自設定總體成功率平均為98%,說明流量傳感器頻率采集板個數較多時會出現標定錯誤的現象。基于此,對地址自標定程序進行改進,當上位機界面點擊地址分配后,間隔500ms,重復發送3次地址分配指令,使得流量采集板進行3次地址分配。當總線中掛載的流量采集板為4個和5個時,經重復100次地址自設定試驗結果得出:采用多次地址分配的方法,當總線中掛載的流量采集板為4個和5個時,仍能達到100%的地址標定成功率。

表4 流量采集板地址自設定試驗結果Table 4 Test results of address self-configuration of flow acquisition board

2.2.2 不同噴頭類型影響系統流量監測精度試驗

參考JJG 1037-2008《渦輪流量計檢定規程》,選用北京農業智能裝備技術研究中心研制的3WSX-100VS-3A精準噴藥監控試驗臺,可同時滿足30個噴頭同時工作,噴霧壓力調節范圍為0～0.8MPa。首先,進行單噴頭流量參數標定,采用LICHENG 110 04 VP、XR8002VS和DG9503EVS 3種噴頭,在兩種壓力0.3MPa和0.4MPa下,分別記錄1min內的藥液體積和期間10個軟件界面監測值;利用式(2)求出LICHENG 110 04 VP、DG9503EVS和XR8002VS噴頭在兩種壓力下的平均流量系數,如圖6所示。由圖6(a)可知:LICHENG 110 04型噴頭在0.3MPa和0.4MPa壓力下平均流量系數分別為0.065、0.062,標準差分別為0.001、0.002,最終確定的流量系數為噴頭在兩個壓力下的平均值0.064。由圖6(b) 可知:XR8002VS型噴頭0.3MPa和0.4MPa下的流量系數平均值分別為0.079、0.074,標準差為0、0.003,最終確定的流量系數取總平均值為0.077。由圖6(c)可知:DG9503EVS型噴頭在0.3MPa和0.4MPa下的噴頭流量系數平均值分別為0.073、0.067,標準差分別為0.001、0.003,最終確定的流量系數為0.070。

(a) LICHENG 110 04 VP型噴頭

(b) XR8002VS型噴頭

(c)XR8002VS型噴頭圖6 不同類型噴頭流量系數測定試驗Fig.6 Test results of flow coefficient measurement of different types of nozzles

對不同類型噴頭對比分析可得,受噴頭類型影響,在相同壓力下的噴頭流量系數具有差異,驗證了系統流量標定系數需自設定的有效性。此外,3種噴頭的流量系數均顯現出隨著噴霧壓力降低,噴頭流量系數減小的趨勢,原因可能是壓力降低導致噴頭流量減少,流量傳感器輸出的脈沖頻率降低速度較快造成的。

在此基礎上,進行系統對不同類型噴頭的流量監測準確率進行試驗。分別調整試驗臺管路壓力為0.3、0.4MPa,采用LICHENG 110 04 VP、XR8002VS和DG9503EVS 3種型號的噴頭,每種類型噴頭重復在上述兩種壓力下各采集10次流量監測值。試驗時,用燒杯收集1min內噴頭穩定噴出的藥液,用量筒量取藥液體積除以時間作為理論流量值,計算系統流量監測準確率。試驗結果如圖7所示。

(a) 0.3MPa

(b) 0.4MPa圖7 噴頭流量采集準確率試驗結果Fig.7 Experimental results of nozzle flow acquisition accuracy

由圖7可知:經過流量系數標定,使得系統對3種噴頭的流量監測準確率基本保持穩定。0.3MPa時,3種噴頭的流量監測準確率變化范圍為91.91%～99.15%。由圖7(b)可知:0.4MPa時,3種噴頭的流量監測準確率變化范圍為90.00%～98.46%。兩種壓力下的流量監測誤差均低于流量傳感器出廠誤差±10%,說明通過流量系數的標定,在一定程度上提高了該流量傳感器的流量監測精度。

對噴頭在不同壓力下的準確率進行了分析,如表5所示。由表5可知:在0.3MPa時,系統對3種類型噴頭的流量監測總體平均準確率為96.12%,流量監測準確率最大偏差為6.84%,流量監測準確率標準差在2.23%～2.68%的范圍內波動,說明流量監測準確率在較小的范圍內變化;0.4MPa時,系統對3種噴頭的流量監測總體平均準確率為94.51%,流量監測準確率最大偏差小于等于10%,流量監測準確率標準差在2.49%～4.09%之間波動,說明在壓力升高時,系統流量監測精度有下降的趨勢,但總體上流量監測準確率的重復性和適應性較好,能夠保證流量監測準確率的平均值大于90.00%。

表5 流量監測準確率試驗結果Table 5 Test results of flow monitoring accuracy

2.3 寬幅噴桿噴藥機噴頭堵塞監測田間性能試驗

為了驗證系統對寬幅噴藥機田間多噴頭堵塞監測性能,在北京小湯山國家精準農業研究示范基地進行試驗。試驗使用3WPZ-700A型自走式噴桿噴霧機,采用前置四連桿懸掛式機構連接12m寬幅噴桿,通過調整壓力溢流閥旋鈕,設置0.4、0.5、0.6MPa共3種工作壓力,系統同時監測20個流量傳感器,通過人為隨機關閉噴頭模擬噴頭堵塞情況,如圖8所示。

圖8 寬幅噴桿噴藥機噴頭堵塞監測田間試驗Fig.8 Field test of nozzle blockage monitoring of wide boom sprayer

首先,進行噴頭流量參數標定,在齒輪泵0.4、0.5、0.6MPa的3種壓力下,對噴藥機上的噴頭進行噴頭流量系數標定,取平均值,確定為0.095。在此基礎上,系統同時監測20個流量傳感器信息,在0.4、0.5、0.6MPa下,對應隨機關閉噴頭數量為2、4、6個,為了便于分析確定噴頭堵塞位置,按照噴霧機行進方向從左至右對噴頭進行編號,依次為1～20號。試驗結果如圖9所示。

由圖9(a)可知:管路壓力在0.4MPa時,在4、12號噴頭處的流量小于等于0.1L/min,監測噴頭堵塞個數為2,噴頭堵塞監測準確率為100%,非堵塞噴頭的流量平均值為1.25L/min,標準差為0.07。由圖9(b)可知:管路壓力為0.5MPa時,在5、7、9、11號噴頭處的流量小于等于0.1L/min,監測噴頭堵塞個數為4,噴頭堵塞監測準確率為100%,非堵塞噴頭流量平均值為1.43L/min,標準差為0.03。由圖9(c)可知:管路壓力為0.6MPa,在12、13、14、17、18、19處的流量小于等于0.1L/min,噴頭堵塞個數為6個,噴頭堵塞監測準確率為100%,非堵塞噴頭的流量平均值為1.56L/min,標準差為0.11。

(a) 0.4MPa

(b) 0.5MPa

(c) 0.6MPa圖9 噴桿噴霧機噴頭流量監測試驗結果Fig.9 Test results of nozzle flow monitoring of boom sprayer

由上述試驗可知:系統能夠準確地監測寬幅噴藥機噴頭堵塞情況,噴頭堵塞個數和堵塞位置的監測準確率為100%;系統能夠通過流量監測,反映出不同壓力下噴頭流量的波動情況,滿足大田噴桿噴藥機堵塞程度判別的實際工作需求。

3 結論

1)研制了一種噴藥機噴頭流量監測系統,采用STM32F030F4為主控核心結合RS-485總線完成流量信息的采集和轉發,具有軟件地址自動設定和噴頭流量系數在線設定的功能,利用PC上位機完成數據的處理和多路流量數據的在線監測,能夠滿足對寬幅噴藥機多噴頭流量和堵塞位置的在線監測。

2)對噴藥機噴頭流量監測系統的流量傳感器頻率采集板提出了一種自動動態擴展、可替換的方法,具有地址自動設定、無需硬件設定地址及換簡便的特點。試驗結果表明:通過提高軟件地址標定次數為3次,能夠實現在5個流量采集板時,軟件地址標定成功率達到100%。

3)噴頭流量監測準確率試驗結果表明:系統對LICHENG 110 04 VP、XR8002VS和DG9503EVS 3種型號的噴頭,0.3MPa和0.4MPa兩種噴霧壓力,流量監測總體平均準確率為94.51%,最大偏差小于等于10%,保證了流量監測準確率高于90%。寬度噴桿噴藥機噴頭堵塞監測田間性能試驗結果表明:系統對噴頭堵塞位置和數量的監測準確率為100%,且能夠監測出20個噴頭之間的流量差異。該套系統流量數據采集穩定性較好,能夠用于田間多功能運載平臺搭載噴藥機噴頭流量測量和堵塞程度判別。