基于單片機的花生覆膜播種機監測系統研究

摘" 要： 針對花生覆膜播種機在作業過程中薄膜和滴灌帶容易發生斷膜、斷帶及卡帶等問題，而駕駛員無法及時獲取對應的故障信息，導致花生覆膜播種機作業完成之后出現大面積的無效作業，這加大了后續人員的工作量。為此，提出一種花生覆膜播種機關鍵作業參數監測系統。該系統以單片機為監測系統的核心，通過角度傳感器測量角度來反映滴灌帶和薄膜的鋪設距離和鋪設速度；采用GPS?北斗模塊測量花生覆膜播種機的經緯度數據，以反映播種機的速度和位置變化。通過實驗建立相關的速度數學模型和距離數學模型，并且編寫了相對應的上位機軟件。實驗結果表明，所提系統能對播種過程中薄膜和滴灌帶斷膜、斷帶及卡帶等問題進行有效監測，準確率達到90%，可有效提升花生覆膜播種機的智能化水平。

關鍵詞： 花生覆膜播種機； 單片機； 參數監測； 傳感器； 滴灌帶； GPS?北斗模塊

中圖分類號： TN915?34； S225.2" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）14?0162?09

Research on peanut covering plastic film seeder monitoring system

based on microcontroller

LI Changyong1， QIN Pengbo1， LU Dengming2， LU Liangyang2，" LIAO Yingliang2， ZHANG Ying2

（1. School of Mechanical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830046， China;

2. Xinjiang Jintiancheng Machinery Equipment Limited Company， Alar 843000， China）

Abstract： In allusion to the film and drip irrigation belt easy to break film， break tape and tape during the operation of peanut film planter， the driver cannot timely obtain the corresponding fault problems， resulting in a large area of ineffective operation after the completion of the operation of peanut covering film seeder， which increases the workload of follow?up personnel. On this basis， a peanut covering film seeder monitoring system for key operation parameters is proposed. In this system， by taking the single chip microcomputer as the core of the monitoring system， the angle sensor is used to measure the angle to reflect the laying distance and laying speed of drip irrigation belt and film. The GPS?Beidou module is used to measure the latitude and longitude data of the peanut covering film seeder to reflect the change of the speed and position of the planter. The velocity mathematical model and distance mathematical model are established by experiments， and the corresponding upper computer software is written. The experiment results show that the proposed system can effectively monitor the problems such as film and drip irrigation belt broken film， broken tape and tape during the sowing process， with an accuracy of 90%， which can effectively improve the intelligent level of the peanut covering film seeder.

Keywords： peanut covering seeder; single chip microcontroller; parameter monitoring; sensor; drip irrigation belt; GPS?Beidou module

0" 引" 言

花生是我國重要的經濟油料作物，其種植面積、總產量及出口量都位于世界前列。近年來，隨著我國科技事業的進步，農業機械化也得到了發展，花生機械從開發研制到市場推廣也有較好的進展[1?2]。

新疆花生種植面積從2021年的2萬多畝猛增到2022年的13.6萬畝。種植面積較大的有喀什地區、阿克蘇地區、塔城地區、巴州、阿勒泰地區、吐魯番市、伊犁州等地，其中喀什地區有3萬多畝。數據顯示，2021年末，全疆花生耕種收的綜合機械化水平為83.3%，其中，機耕、機播、機收水平分別為84.8%、82.61%、82.01%。

目前，國內花生種植時普遍使用的還是播種機，但是播種機的智能化水平總體較低[3?6]。在新疆等地區，由于受地理環境、氣候和水資源的影響，花生種植時需要進行覆膜和鋪設滴灌帶。在覆膜和鋪設滴灌帶過程中，薄膜和滴灌帶材質較薄軟、作業拉力太大等原因會造成斷膜、斷帶等問題[7]；加之覆膜、滴灌帶用完的情況，往往駕駛員不能及時發現這些問題或者是耗費人力專門跟車盯著，最終造成無效作業或者是增加人的工作量和人力的浪費。為此，本文設計了一種花生覆膜播種機關鍵作業參數監測系統，以提高花生覆膜播種機作業的智能化水平，從而減少農民的工作量和用工成本。

1" 覆膜播種機檢測系統設計

1.1" 覆膜播種機鋪設量的監測思路

為了解決覆膜播種機在工作時提醒駕駛員滴灌帶和薄膜是否即將用完，以及滴灌帶和薄膜在鋪設時斷帶、斷膜的問題，首先需要解決的是如何監測薄膜和滴灌帶的鋪設速度以及鋪設長度問題，而鋪設速度和鋪設長度與覆膜播種機的行進速度、滴灌帶和薄膜的彈性有一定的關系。

本文設計的是在覆膜播種機薄膜和滴灌帶的鋪設口處各放置1個ST76?TD記速器，三壟六行的覆膜播種機總共安裝6個ST76?TD計米器，用于監測薄膜或滴灌帶的鋪設速度和鋪設距離。ST76?TD計米器采用光電編碼器作為測量距離和速度的傳感器，當覆膜播種機進行作業時，薄膜和滴灌帶分別帶動對應的ST76?TD計米器的耐磨輪進行轉動，耐磨輪帶動光電編碼器轉動，以此來測量出滴灌帶和薄膜的鋪設距離和鋪設速度。

1.2" 薄膜鋪設量的數學模型

三壟六行的覆膜播種機安裝6個ST76?TD計米器，設計米器監測的距離依次記為Xn（X1，X2，…，X6），速度依次記為Yn（Y1，Y2，…，Y6），P表示覆膜播種機上滴灌帶或薄膜的實際鋪設速度，W表示覆膜播種機上滴灌帶或薄膜的實際鋪設距離。通過觀測可以得知實際鋪設距離和計米器監測的距離成線性關系，即：

[W=K0+K1X1+K2X2+K3X3+K4X4+K5X5+K6X6] （1）

式中：K0為常數；K1，K2，…，K6為修正系數；X1，X2，…，X6為已知檢測量。

實際鋪設速度和計米器監測的速度成線性關系，即：

[P=A0+A1Y1+A2Y2+A3Y3+A4Y4+A5Y5+A6Y6] （2）

式中：A0為常數；A1，A2，…，A6為修正系數；Y1，Y2，…，Y6為已知檢測量。

通過實驗測試確定對應的數學模型參數，建立自變量（X是檢測到的鋪設距離）和因變量（W是實際鋪設距離）之間的線性回歸方程。通過自變量的變化來測量因變量的變化，通過式（1）得：

[W=m=1nKmXm]" " " " （3）

通過最小二乘法求解多元方程的修正系數k，則：

[W=1x1x2x3x4x5x6k0k1k2k3k4k5k6=X·ε] （4）

利用最小二乘法求解k，即：

[ε=XTX-1XTQ] （5）

根據以上公式，通過實驗可以求得式（1）的系數（K0～K6）。為了便于計算，設覆膜播種機的最大行進距離為1 000 m。為了確保實驗結果的準確性，人工設定覆膜播種機的行進距離（單位為m）分別為：50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1 000，此時將得到20組120個數據。然后使用Matlab工具箱中的函數求解，行進距離擬合方程系數K0～K6分別為-3.156、1.296、1.436、1.069、1.349、1.819、1.019。由此得到鋪設距離模型的回歸系數為：

[ε=K0K1K2K3K4K5K6=-3.1561.2961.4361.0691.3491.8191.019] （6）

鋪設的平均距離為：

[W=W6=16（-3.156+1.296X1+1.436X2+" " " "1.069X3+1.349X4+1.819X5+1.019X6）] （7）

同理，可以實驗得出鋪設速度120個數據，并用Matlab工具箱中的函數求解，行進速度擬合方程系數A0，A1，…，A6分別為-2.036、1.013、1.491、1.143、1.006、1.181、1.341。

同理可以求出鋪設的平均速度為：

[P=P6=16（-2.036+1.013Y1+1.491Y2+" " " " "1.143Y3+1.006Y4+1.181Y5+1.341Y6）] （8）

將各個最大鋪設距離與平均鋪設距離進行做差比較，當差值大于一定數值時，代表滴灌帶或者薄膜即將用完。將滴灌帶或薄膜的各路最大鋪設速度與平均鋪設速度進行做差比較，當差值大于一定數值時，表示該路的鋪設速度存在斷帶或者斷膜的可能性，提醒駕駛員及時檢查；當差值大于預設最大數值時，代表該路已經斷帶或者斷膜。

2" 覆膜播種機監測系統方案設計

2.1" 總體方案設計

針對現有的覆膜播種機在進行作業的過程中存在的不足，確定了覆膜播種機的關鍵作業參數的監測系統的總體方案，在工作過程中，實現覆膜播種機對滴灌帶和薄膜的鋪設距離和鋪設速度以及覆膜播種機的行進速度等作業參數的實時監測，對不合理的參數進行故障報警。通過系統界面實時顯示當前監控參數，使駕駛員及時發現問題并及時將薄膜或者滴灌帶故障問題進行處理。監測控制系統的整體方案見圖1。

2.2" 硬件設計方案

系統主要以單片機為監測核心，通過角度傳感器、GPS?北斗模塊等實時監測花生覆膜播種機作業時各個關鍵作業參數，并且能在薄膜和滴灌帶鋪設達到設定距離時進行報警，以及花生覆膜播種機行進速度過快時進行預警提示。系統硬件組成結構如圖2所示。

下位機主控板選擇STM32F103ZET6型單片機，監測滴灌帶和薄膜的行進速度及行進距離的傳感器選用LPD3806?600BM?G5?24C角度編碼器和ST76?TD高精度數顯器，ST76?TD高精度數顯器采用12 V直流電壓供電，花生覆膜播種機的行進速度的監測采用ATK1218?BD模塊。系統各部分硬件如圖3所示。

為了保證數據傳輸的可靠性和穩定性，ST76?TD數顯器與單片機之間的通信采用了RS 485通信，電路原理圖如圖4和圖5所示。STM32單片機采用SP3485模塊獲取ST76?TD數顯器，通過RS 485通信發送數據，通過設置ST76?TD不同的儀表地址，確定獲取的數據為哪一路的鋪設速度或者鋪設距離。儀表地址數據格式為0x01、0x02…。顯示模塊采用TFTLCD模塊，它具有亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷等特點。TFTLCD顯示模塊的原理圖與驅動流程如圖6、圖7所示。

2.3" 軟件設計方案

該監測系統軟件的設計流程如圖8所示。

3" 軟件程序設計

3.1" 下位機程序設計

所提監測系統主流程如圖9所示。系統采用光電編碼器和GPS?北斗模塊對覆膜播種機的薄膜和滴灌帶等運動部件的運動速度和鋪設距離進行監測輸出。JK76高精度數顯器獲取到薄膜的鋪設距離和滴灌帶鋪設距離后，在數顯器上顯示。單片機通過RS 485通信向數顯器發送讀寫命令后，獲取薄膜的鋪設距離和滴灌帶鋪設距離等參數信息，通過GPS?北斗模塊獲取花生覆膜播種機的運動速度、花生覆膜播種機的經緯度信息等參數，并實時傳輸到單片機，單片機將獲取到的所有參數信息進行數據分析，在LCD顯示屏上顯示出來。通過判斷各個參數的大小進行監測報警，當工作狀態數據大于預設的報警數值時，單片機做出相對應的報警，并將數據經RS 232協議通過串口發送給上位機，駕駛員可以通過上位機觀察到各個監測點的實時工作狀況和報警狀況。

系統開始工作后，JK高精度數顯器開始讀取光電編碼器的數據，將數據信息顯示在JK高精度數顯器的上排顯示器上。單片機通過RS 485協議向JK高精度數顯器發送讀寫命令，讀取到薄膜鋪設距離的距離信息，單片機經過對反饋數據進行分割提取，得到薄膜鋪設的距離。當監測到薄膜鋪設距離大于預設的最大距離時，單片機對應的A15引腳的電平從低電平變為高電平，以此來觸發雙路繼電器中的一個電路，使該電路變為通路狀態。此時電路中連接的報警燈進行報警，提示駕駛員花生覆膜播種機上薄膜鋪設距離超過了預設最大鋪設距離。覆膜監測程序流程如圖10所示。

系統開始工作后，JK高精度數顯器開始讀取光電編碼器的數據，將數據信息顯示在JK高精度數顯器的上排顯示器上，單片機通過RS 485協議向JK高精度數顯器發送讀寫命令，讀取到滴灌帶鋪設距離的距離信息，單片機經過對反饋數據進行分割提取，得到滴灌帶鋪設的距離，當監測到滴灌帶鋪設距離大于預設的最大距離時，單片機對應的C9引腳的電平從低電平變為高電平，以此來觸發雙路繼電器中的另一電路，使該電路變為通路狀態。

此時電路中連接的報警燈進行報警，提示駕駛員花生覆膜播種機上滴灌帶鋪設距離超過了預設最大鋪設距離。滴灌帶監測程序流程如圖11所示。系統開始工作后，GPS?北斗模塊將得到的數據傳輸到單片機上，經過數據分割之后將對應的參數顯示在LCD顯示屏上。當監測到花生覆膜播種機行走速度大于預設的最大速度時，單片機對應的A11引腳的電平從低電平變為高電平，以此來觸發雙路繼電器其中一個電路，使該電路變為通路狀態。此時該電路中連接的報警燈進行報警，提示駕駛員花生覆膜播種機行走速度超過了預設速度。當監測到的花生覆膜播種機經緯度信息大于預設的經緯度范圍時，將單片機對應的A12引腳的電平從低電平變為高電平，以此來觸發雙路繼電器中的另外一個電路，使該電路變為通路狀態。此時該電路中連接的報警燈進行報警，提示駕駛員花生覆膜播種機行進位置超過了經緯度位置。覆膜播種機速度和經緯度監測程序流程如圖12所示。

3.2" 監控軟件設計

系統利用Qt Creator 4.11.1軟件，編程實現車載監控軟件。軟件通過持續讀取RS 232串口數據，再對原始數據進行分析、處理后，分別在GUI界面上的對應位置顯示出花生覆膜播種機的行進速度、經緯度信息、薄膜鋪設距離、滴灌帶鋪設距離等數據信息以及運行狀況等。監控軟件直接運行于車載計算機上，便于駕駛人員進行實時監測。其登錄界面如圖13所示。

3.3" 程序模塊設計

3.3.1" 距離監測

本文設計距離采集程序及人機交互界面，包括距離報警模塊、距離顯示模塊、最大距離設定模塊、GPS經緯度信息模塊。通過借助面板上的按鍵控制監測系統的開始、暫停和停止，通過速度監測界面按鍵可以切換至速度監測界面，還有通過退出系統按鍵即可退出系統。距離監測顯示界面如圖14所示。

3.3.2" 速度監測

在覆膜播種機進行作業過程中，通過監測計米器的耐磨輪的轉速變化來反映出覆膜播種機的工作狀態，判斷滴灌帶和薄膜是否發生了斷帶或者斷膜的問題。因此，對其進行轉速的監測也是十分重要的。圖15為所設計的轉速監測系統界面。

4" 監測系統實驗與分析

4.1" 花生覆膜播種機樣機與硬件安裝配置

將設計的監測系統安裝在花生覆膜播種機上，在試驗田進行實驗，測試該監測系統在真機上使用的有效性和可靠性。傳感器的安裝位置如圖16所示。

4.2" 花生覆膜播種機系統測試實驗與檢驗

花生覆膜播種機實驗圖如圖17所示。

將監測系統連接在真機上進行測試，得到的數據如表1～表3所示，其中真機的行進速度為4 m/s。

1） 地膜和滴灌帶用完時，預警和報警的合格率的檢查。

測定時設定播種機的行進速度為3 m/s，系統預設預警距離為16 m，報警距離為20 m。之后讓播種機行進至預警燈和報警燈分別剛響起時，測定對應的地膜或者滴灌帶在預警燈和報警燈剛響起時的實際行進距離分別為X1和X2，之后按公式（9）分別求出對應的差值。

[Y=Xn-X0] （9）

式中：Y為實際鋪設距離與預設報警距離的差值；[Xn]為預警或者報警時的實際行進距離；[X0]為預設的預警距離或者報警距離。

預警和報警的合格率按照下式計算：

[P=1-YX0×100%] （10）

式中[P]為合格率。當Pgt;90%，表示報警系統在預警和報警中的準確率達到了90%以上。

2） 滴灌帶卡帶或者斷帶時，報警合格率的檢查。

測定時設定覆膜播種機的行進速度（單位為m/s）為v，當滴灌帶卡帶或者斷帶時，分別標定斷帶時覆膜播種機在地中的位置為M1和報警燈響起時覆膜播種機在地中的位置為M2，之后按公式（11）求出兩位置之間的距離。

[Z=M2-M1] （11）

卡帶或者斷帶的報警合格率計算公式如下：

[P=1-Zv·t×100%] （12）

式中：t的值為1，表示1 s。當Pgt;90%，表示報警系統在滴灌帶卡死或者斷帶中的準確率達到了90%以上。

根據式（9）和式（10）可以求得監測系統的預警和報警系統的準確性均在90%以上；根據式（11）和式（12）可以得出，對于滴灌帶的卡帶報警的準確性也是在90%以上。

5" 結" 論

本文提出一種基于STM32監測花生覆膜播種機運行狀態的監測系統。通過傳感器將播種機的各運行參數傳給單片機，單片機通過串口通信將信息實時地傳輸到駕駛室的上位機上，方便駕駛員了解花生覆膜播種機的運行情況；且加了報警功能，一旦各運行部件的運行參數超過設定的閾值時，將提醒駕駛員，能夠有效地提高花生覆膜播種機的安全性，防止發生故障。最后，根據現有的實驗條件進行了真機實驗。通過實驗數據分析出該監測系統的準確性達到了90%以上。證明了該監測系統在實際使用中有較高的可靠性和穩定性，可以滿足實際情況的使用需求。

注：本文通訊作者為李長勇。

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