基于LoRa通信的種子高壓靜電場發生器

摘要：

高壓靜電場技術是一種新型的種子處理方法，在農業增產增收中發揮著重要作用。然而，已有的種子處理裝置設計簡單，無法保障操作人員的使用安全。針對這一問題，設計一種安全性更高、遠程智能的種子高壓靜電場發生器。采用單片機作為控制中樞，由鍵盤、計算機發送控制指令，在高壓電路部分，設計高壓激勵級、輸出驅動級和升壓電路實現可調節的靜電高壓。針對高壓靜電場的放電現象，進行特殊的防護設計，提高操作安全性。針對高壓靜電場的電磁干擾，采用LoRa通信技術和一種新穎的New-ACP算法，實現安全穩定的遠程控制。測試結果表明，裝置運行穩定，實測溫度低于標準溫度，通信丟包率在10%以內，裝置已在黑龍江省慶安縣等地進行實地試驗試用。

關鍵詞：高壓靜電場；種子處理；LoRa通信；遠程控制；New-ACP算法

中圖分類號：S12； TN86

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0138-06

Seed high-voltage electrostatic field generator based on LoRa communication

Wang Junfu¹， Liu Xiaoping¹， Qu Le¹， Sun Chongye¹， Wang Xiaoyu¹， Guo Wenkui²

（1. Harbin Power Supply Company， State Grid Heilongjiang Eletric Power Co.， Ltd.， Harbin， 150090， China；

2. College of Food Science， Northeast Agricultural University， Harbin， 150030， China）

Abstract：

High voltage electrostatic field technology is a new seed treatment method that plays an important role in increasing agricultural production and income. However， the existing seed processing devices are designed simply and cannot guarantee the safety of operators. A seed high-voltage electrostatic field generator with higher safety and remote intelligence has been designed to address this issue. Using a microcontroller as the control center， control instructions are sent from the keyboard and remote computer. In the high-voltage circuit section， a high-voltage excitation stage， an output drive stage， and a boost circuit are designed to achieve adjustable electrostatic high voltage. Special protective designs have been made to address the discharge phenomenon in high-voltage electrostatic fields， further improving operational safety. In response to electromagnetic interference from high-voltage electrostatic fields， LoRa communication technology and a novel New-ACP algorithm were adopted to achieve safe and stable remote control. The test results show that the device operates stably， the measured temperature is lower than the standard temperature， and the communication packet loss rate is within 10%. The device has been tested in field experiments in Qing，an County， Heilongjiang Province and other places.

Keywords：

high voltage electrostatic field; seed processing; LoRa; remote control; New-ACP algorithm

0"引言

種子處理是農業增產增效的一種重要手段^［1］。種子處理通常采用物理、生物、化學方法^［2］，在播種前提高種子的生理活性，抑制病菌、蟲害等對種子發芽的不利影響，提升作物品質。高壓靜電場技術是近年來興起的一種新型的種子處理的物理方法，具有技術簡單、設備使用便捷、可重復利用、清潔無污染等優點，在保障農產品豐收、提高蔬菜水果品質中發揮著越來越重要的作用。

如何使用高壓靜電場技術影響種子的生命活動，進而提高種子的活力，該項研究受到了科技工作者的高度重視，并對各個品種的農作物種子、蔬菜水果種子進行了廣泛的試驗。在高壓靜電場技術對農作物種子進行處理的研究中，陳立才等^［3］通過使用不同強度的勻強高壓靜電場對水稻種子進行不同的時間處理，試驗得出，采用300 kV/m的高壓靜電場、處理時間為2 min，對水稻種子的發芽率、發芽勢等生理指標具有最明顯的促進作用。黃洪云等^［4］使用不同梯度的靜電場處理強度和處理時間，對小麥干種子進行處理，試驗得出，在4.5 kV/cm、10 min的高壓靜電場處理條件下，小麥幼苗的各項抗寒性指標為最佳。李宸等^［5］采用4.0 kV/cm、60 min的高壓靜電場處理條件，對高粱種子在脫水干燥前進行預處理，試驗得出，經電場預處理的高粱種子，在發芽指數、活力指數中具有更好表現，高壓靜電場可有效緩解高溫快速脫水對種子的危害。在高壓靜電場技術對蔬菜水果種子進行處理的研究中，郭龍芳等^［6］使用不同電壓和處理時間，對干濕兩種類型的沙蔥種子進行處理，試驗得出，高壓靜電場對干濕種子發芽率的影響效果是不一致的，并且，15 kV電壓處理15 min為最佳處理條件。陳建中等^［7］使用均勻梯度的靜電場強度和處理時間，對番茄陳種子進行處理，試驗得出，適宜的處理條件可以提高番茄陳種子的萌發活力，靜電場強度為365.0 kV/m，處理時間為31.9 min組合是促進番茄陳種子萌發的最適宜組合。雖然，合理使用高壓靜電場可以提高種子的生理指標，促進作物生長發育，但不同作物之間沒有統一標準的最佳靜電場處理條件，因此，亟需研發新型的種子高壓靜電場發生器，進而促進對種子高壓靜電場處理方法的研究。

在使用高壓靜電場技術對高粱種子^［5］、沙蔥種子^［6］和雜糧種子^［8］進行處理時，科研人員均采用了自制的高壓靜電場發生器試驗裝置，由高壓電源、金屬金屬板、塑料絕緣棒組成。然而，以上所設計的裝置沒有考慮到高壓靜電場所具有的放電現象，不能保障科研人員在進行試驗操作時的安全性。在對高壓靜電電源的研究中，高振東^［9］設計了一種可連續輸出0～60 kV的植物種子處理高壓靜電電源，滿足播種前種子處理的靜電場需求，但沒有考慮到放電現象對操作人員的危害。付喜錦^［10］設計了一種農業種子充高壓靜電的數控電源，具有AT24L01無線收發模塊，實現了遠距離控制，操作人員在遠處操作試驗裝置，在一定程度上保障了人員安全。然而，AT24LO1模塊穿透性不強、抗電磁干擾能力差，該電源沒有考慮到高壓靜電場中電磁干擾對無線通信的影響，也沒有實地測試AT24LO1模塊在高壓靜電場中通信的可靠性。

本文針對已有種子處理高壓靜電電源安全性不足的問題，設計一種新型的安全性更高、遠程智能的便攜式種子高壓靜電場發生器，為后續高壓靜電場在農業中的應用提供理論依據和技術支撐。

1"系統結構

種子高壓靜電場發生器總體方案的設計框架如圖1所示。在控制部分，中央控制電路控制整個處理機的工作，讀取鍵盤送來的控制信號及時間信息，然后把工作狀態、設置的參數等信息傳輸至顯示電路，供操作人員確認。確認啟動后，根據控制信號發出相應操作，控制整個處理機的工作，包括高壓的啟動與停止，進行聲光報警提示和異常情況監控。通信部分是指LoRa無線通信，通過LoRa網絡，操作人員可以遠程下行發送控制指令至發生器，發生器也可以上行發送狀態信息至遠端計算機，從而實現遠程雙向傳輸。在電路部分，振蕩電路提供一個穩定的振蕩源使高壓部分起震，然后通過改變驅動電壓來調節高壓端的靜電高壓值，倍壓整流電路不僅可以將交流電轉換成直流電，且在一定的變壓器副變電壓之下，得到高出若干倍的直流電壓。

2"硬件設計

2.1"關鍵電路設計

2.1.1"靜電高壓激勵級電路

靜電高壓激勵級電路的作用是將振蕩電路送來的脈沖電壓進行功率放大和波形整形，以足夠的功率去推動開關管工作在開關狀態。激勵管截止瞬間，輸出管并不能立刻導通，因而仍會產生高頻振蕩，但由于振蕩短促，僅在激勵管截止后和輸出管導通前瞬間，振蕩能量不很強，可用阻尼電路消除。阻尼吸收電路如圖2所示。其中，C2、R2為阻尼吸收電路，BG1為激勵管，out端接輸出管基極，T1為激勵變壓器。由于電路中通過C2接入電阻R2使諧振回路處于阻尼狀態，從而有效地消除振蕩。R3越小，阻尼作用越強，如果不接電容C2而只將R2接入T1回路中，R3將消耗電源功率，C2的接入起隔直流作用，防止了這種消耗，且不影響高頻振蕩的阻尼電路。另外，R3有調節激勵級功率的大小，也有阻尼激勵級高頻寄生振蕩的作用，R3越大，阻尼作用越強，但會出現激勵功率不足，使輸出管飽和不深，壓降大，損耗大；R3過小，又會使激勵電流過強，輸出管飽和過深，使截止時間過長，截止損耗過大。

2.1.2"輸出驅動級電路

圖3為輸出驅動級電路原理圖，其中BG為輸出管，D為阻尼管，Ly為偏轉線圈，Cy1、Cy2、Cy3為逆程電容（以下用Cy統稱Cy1、Cy2、Cy3），利用圖4，說明輸出驅動級電路工作原理。

當輸出管基極加入如圖4所示的開關信號時，t1～t2期間，Ube電壓為正，因此輸出管基極電流很大，使其飽和導通，集電極與發射極間飽和壓降很小，電源E_c加在偏轉線圈上，在其中產生從零逐漸增大的偏轉電流，其增長速度與供電電壓作用的時間成正比，即從t1開始，經過的時間越長，電流越大。

t2～t3期間，激勵脈沖變為負脈沖，輸出管發射結被反向偏置，從飽和導通變為截止，由于偏轉線圈中的電流不能突變，繼續按原方向運動，對電容C_y充電，將偏轉線圈中的磁能轉變為電容C_y中的電能，偏轉線圈中的電流越來越小，到t3時刻，偏轉線圈中的電流為零；而電容C_y的充電電壓達到最大值。此電壓加到輸出管集電極上，使輸出管集電極與發射極之間出現很高的電壓—電源電壓加逆程高壓。

t3～t4期間，t3以后電容C_y通過偏轉線圈放電，偏轉線圈中的電流反向，隨著放電的進行，C_y上的電壓越來越低，而偏轉線圈中的反向電流越來越大，到t4瞬間，偏轉線圈L_y中的電流達到反向最大值，電能全部轉變為磁能。

t4～t5期間，輸出管處于截止狀態，但阻尼管D此時處于正向偏置，D導通，L_y中電流通過D繼續流動，并逐漸減小，至t5時刻降為0，形成偏轉電流鋸齒波的前半部分。t5以后期間，此時輸出管輸入信號電壓Ube又變為正值，輸出管由截止變為飽和導通。電源E_c又使偏轉線圈中的電流線性增長，形成偏轉電流的鋸齒波的后半部分。以后再重復上述過程。行逆程高壓U_m可按式（1）計算。

Um = ［π（tH/tR- 1）/2 + 1］×Ec

（1）

式中：

tH——振蕩周期約為333 μs；

tR——逆程時間約為16 μs。

行逆程最大電壓也就是輸出管截止時所承受的最高電壓，為電源電壓的32倍左右，如電壓最大為12 V，則輸出管的耐壓值必須大于384 V。而一般的輸出級采用自舉升壓電路，相當于電源電壓E_c約為26 V，因此，輸出管耐壓必須大于832 V。振蕩周期越長，行逆程時間越短，高壓就越高。本裝置選用耐壓值大于1 kV的MC13007作為輸出管。

2.1.3"自舉升壓電路

采用自舉升壓電路可把較低的電源電壓提升到較高的數值專供輸出級用，輸出管集電極上的逆程脈沖電壓峰值可提高一倍以上。在獲得同樣高壓的情況下，輸出變壓器初、次級匝數比可減小。自舉升壓電路如圖5所示，其中D1為自舉升壓二極管，C1為自舉升壓電容，L1、L2為輸出變壓器初級繞阻。當電源接通后，二極管D1正向導通，電流經二極管D1、初級繞阻L1形成一個閉合的回路；L2產生感生電動勢，其方向為阻止電流流動的方向，L2的繞阻為L1的1.5倍，所以，去掉損耗，L2感生電動勢約為24V，這樣，加在輸出管集電極上的電壓為電源電壓加感應電動勢之和，約為48V，從而完成自舉升壓作用。

2.1.4"倍壓整流電路

倍壓整流電路的主要元件是二極管和電容器。采用的倍壓電路如圖6所示，當從IN端輸入的交流電u為正半周（上負下正）時，電源電壓通過D1將電容C1充電到1.414U，然后在負半周（上正下負）時，D2導通，由此可見，此時電容C1上的電壓uC1與u的極性一致，它們共同將電容C2充電到2×1.414U。到另一個正半周時，通過D3向C3充電，uC3=u+uC2-uC1=2×1.414U，而在另一個負半周時，通過D4向C4充電，uC3=u+uC1+uC3-uC2=2×1.414U。依次類推，可以分析出電容C5、C6等也都充電到2×1.414U。

2.2"放電防護設計

高壓變壓器在工作中易產生放電現象，并將線圈和骨架擊穿。產生這一現象的主要原因是：高壓變壓器為升壓變壓器，其次級輸出電壓大約為10kV，如此高的電壓將原來絕緣體擊穿為導體。設計中將骨架換成陶瓷骨架，變壓器線圈的層與層之間用石英片進行隔離，變壓器繞制完成后，在石蠟中浸煮30min左右，使石蠟浸注到線圈的線匝中，即在線匝中不存在空氣。經過處理后，放電現象不再發生。

倍壓電路工作電壓為10～30kV，易產生放電現象。為此，設計中將倍壓電路使用的二極管、電容封裝在石蠟中，引線采用耐壓30kV的高壓線形成高壓倍壓模塊。這一問題得到解決。

倍壓電路的電容具有存電作用，電容放電會對操作人員產生危險。設計時在輸出級加一個放電電阻。由于輸出高壓級是由倍壓電路完成的，所以，其輸出功率很小，電流在毫安級以下，要求放電電阻的阻值相當大。放電電流在微安級，經過計算，電阻取值應在10GΩ左右，而市面上最大只能購到460MΩ的電阻，所以，串聯20只，即總阻值達到9.2GΩ，基本上滿足要求，保證操作人員的安全性。同樣，放電電阻工作在高壓端，也需對其進行石蠟封裝處理。

2.3"通信模塊

在無線通信中，采用LoRa通信技術^［11］，得益于擴頻調制技術在頻譜中占用較寬的帶寬，其抗電磁干擾能力更強^［12］，使用2個AS32-TTL-100擴頻無線串口模塊，如圖7所示，一個模塊與計算機連接，另一個連接與高壓靜電場發生器連接，兩個模塊的帶寬、擴頻因子等通信參數保持一致，通過點對點網絡拓撲結構實現半雙工通信^［13］。通過LoRa無線通信，操作人員可通過計算機遠程實現種子高壓靜電場發生器的開關控制和電壓調節。

3"軟件設計

3.1"主程序設計

上電后，單片機延時一小段時間，等待電源穩定之后，開始對系統進行初始化。初始化包括設置標志位和變量賦初值，中斷初始化，設置各接口芯片初始化等。接著進入主程序，先從存儲器中讀取狀態，以確認上次是自然關機還是故障關機，如果是故障關機，則恢復關機前的狀態，繼續運行；如果是自然關機，則循環讀取鍵盤和顯示，以把撥碼盤設置的時間值，顯示出來，共操作者確認，并掃描啟動端引腳，當無啟動信號時，繼續循環讀取鍵盤和顯示，當接到啟動信號時，并不是馬上啟動高壓，而是將設置的時間值寫入存儲器，然后判斷設置的時間值是否為“00”，如果為“00”，則設置時間為正計時，且無上限；如果設置的時間值為非“00”，則設置時間為倒計時，且計時開始值為設置的時間值；然后啟動報警電路報警10s，隨后啟動高壓，并把此時的狀態記入存儲器，以提供程序被干擾而跑飛時及時恢復運行時的狀態數據。主程序流程如圖8所示。

如果啟動時設置時間為“00”，則進行無上限計時，此時，停止高壓只能由啟動按鈕人為給出停止命令；如果啟動時設置時間為非“00”，則以設置的時間值進行倒計時，計時為“00”時，則停止高壓，也可由人為給出命令停止高壓。停止高壓后，報警5s，提示操作人員。在計時期間，定時器每1s中斷1次，每產生1次中斷，單片機將計時數值減1，同時將此時狀態寫入存儲器，然后判斷計時數值是否為“00”，如果是，則停止高壓；如果否，則繼續掃描鍵盤。在高壓工作期間，時刻掃描高壓啟動按鈕及比較器送來的信號，當比較器送來的信號有效時，表明高壓有放電現象（即可能有人誤操作）。為防止危險，單片機立即停止高壓，并發出報警。

3.2"New-ACP算法設計

由于高壓靜電場的電磁波會對LoRa通信頻段產生干擾，因此，在標準ADR算法的基礎上^［14］，設計New-ACP算法，通過設置不同發射功率TP^［15］和擴頻因子SF^［16］的參數組合，以抵抗高壓靜電場的屏蔽和干擾，從而降低丟包率，提高LoRa通信的可靠性和魯棒性。

在初始化時，將擴頻因子設置為最大值12，此時LoRa模塊對信號的解調能力最好^［15］，抗電磁干擾能力最強，但異常報警時的延遲最高，實時性最差。將發射功率設置為最小值2，發射功率過高，不僅增加運行功耗，還會對其他通信模塊造成干擾。當計算機端的LoRa模塊接收到高壓靜電場發生器發送的數據包個數達到20個時，首先，通過分析數據包的序號，計算鏈路的數據包獲取率，在高實時性的應用場景中，高質量通信中數據包獲取率的安全閾值^［17］為95%，當數據包獲取率大于95%時，表示該數據鏈路相對可靠，此時適當降低擴頻因子，提高數據速率，適當降低發射功率，以節約能耗，減少干擾。當數據包獲取率小于95%時，表示此時通信鏈路并不可靠，計算機對高壓靜電場發生器的遠程控制具有延遲、失控的風險，此時需要快速調整發射功率，提高LoRa信號的信號強度。根據該鏈路的信道環境，發射功率的調整步長采用自適應步長，將步長設置為數據包獲取率與安全閾值的差值。該算法流程如圖9所示。

4"結果與分析

4.1"通信測試

在實驗室環境中，將一個LoRa模塊與計算機連接，另一個LoRa模塊與高壓靜電場發生器連接。在LoRa模塊中，分別部署標準ADR算法和New-ACP算法。設置高壓靜電場發生器的電壓范圍為0～200kV，每間隔20kV為一組，共11組，高壓靜電場發生器每1 ms發送1次0/1數據，當比較器有信號時，發送“1”數據，否則發送“0”數據。試驗結果如圖10所示。

由圖10可知，在不同組的電壓范圍中，標準ADR算法的數據包獲取率在65%左右，而New-ACP算法的數據包獲取率保持在90%以上，LoRa通信的通信質量保持在較高的水平。由此得出，采用LoRa模塊和設計的New-ACP算法可以使無線通信更好地抵抗高壓靜電場的電磁干擾，滿足通過計算機遠程控制高壓靜電場發生器的應用需要。

4.2"實地測試

所設計的種子高壓靜電場發生器在黑龍江慶安縣水稻示范園區進行水稻種子處理試驗，每天連續工作8h左右，連續工作4天，未出現異常。在機器連續工作8h后，在環境溫度為25℃，自然通風的條件下，利用溫度傳感器，測量了參考點的溫度（3次取平均值）如表1所示。可知，便攜式種子高壓靜電場發生器工作較可靠、安全，工作參數均在標準參考值內。

5"結論

1） 設計一個便攜式種子高壓靜電場發生器，采用單片機作為中央控制主體，用高壓變壓器作為升壓主體，繼以倍壓裝置將電壓調節范圍增至0～200 kV，且連續可調。

2） 針對計算機遠程控制發生器的功能需求，設計一個新穎的New-ACP算法，根據通信鏈路狀態，靈活快速地調節擴頻因子和發射功率，通信丟包率在10%以內，提高LoRa通信抵抗高壓靜電場電磁干擾的能力，保障計算機對種子高壓靜電場發生器的遠程可靠控制。

3） 針對操作人員的安全保障，所設計的種子高壓靜電場發生器具有良好的絕緣性能，有效地把高壓和低壓隔離、工頻電和高壓靜電隔離，考慮到高壓靜電場的干擾和放電現象，增加放電電阻和必要的石蠟封裝處理。

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