孫永佳 沈景新 竇青青 李青龍 陳 剛 孫宜田

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100)

0 引言

東北地區(qū)玉米播種面積大，農(nóng)民習(xí)慣將基肥和口肥隨播種一同施入?？诜士梢蕴峁┯衩酌缙跔I(yíng)養(yǎng),滿足種子發(fā)芽及生長(zhǎng)發(fā)育初期的營(yíng)養(yǎng)需求, 為后期生長(zhǎng)打下基礎(chǔ)，并能改善種床的理化性狀和提高微生物活性。由于口肥與種子直接接觸或距離較近，對(duì)肥料用量的要求較嚴(yán),施用不當(dāng)易引起燒種、爛種,造成缺苗斷壟現(xiàn)象[1-2]。由于機(jī)具播種作業(yè)過(guò)程具有全封閉特點(diǎn)，機(jī)手無(wú)法直接監(jiān)測(cè)播種施肥作業(yè)狀況，對(duì)作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的排種、排肥故障無(wú)法進(jìn)行預(yù)判，影響了播種施肥質(zhì)量。

針對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中播種機(jī)智能化監(jiān)控和變量施肥問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[3-13]。國(guó)外的高端播種機(jī)安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)播種施肥狀況的監(jiān)控，而且具有變量施肥的功能，通過(guò)電磁比例閥控制液壓馬達(dá)帶動(dòng)施肥機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變量施肥，如John Deere公司的JD-1820型變量施肥播種機(jī)、CASE公司的Flexi Coil施肥播種機(jī)等，但是，這種控制方案成本太高，無(wú)法應(yīng)用于國(guó)內(nèi)玉米播種機(jī)。國(guó)內(nèi)研究的各種播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了排種質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，但缺少口肥的變量施放裝置，研究的變量施肥裝置又多在稻麥播種機(jī)上應(yīng)用。針對(duì)東北地區(qū)玉米種植模式，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的具備施口肥功能的免耕播種機(jī)，如北京德邦大為科技股份有限公司的2BMG-4型高性能免耕精量播種機(jī)，吉林省康達(dá)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司的2BMZF-4型免耕指夾式精量施肥播種機(jī)，在原有精量播種機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)了施口肥裝置，實(shí)現(xiàn)了基肥、口肥一次施入，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)環(huán)節(jié)。但這兩種機(jī)型施口肥裝置的施肥量無(wú)法進(jìn)行設(shè)定和變量調(diào)節(jié)，容易造成施用不當(dāng)?shù)那闆r，整機(jī)缺少一體化的監(jiān)控系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片為核心芯片，采用面源無(wú)盲區(qū)抗塵監(jiān)測(cè)技術(shù)和增量式PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一種可以監(jiān)測(cè)播種質(zhì)量、設(shè)定和變量調(diào)節(jié)口肥施用量的播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)驗(yàn)證，以期改善玉米免耕播種機(jī)的工作性能。

1 系統(tǒng)總體方案與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of monitoring system 1.多功能控制終端 2.采集驅(qū)動(dòng)模塊 3.速度傳感器 4.種子傳感器 5.料箱傳感器 6.施口肥裝置

監(jiān)控系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)如圖1所示，監(jiān)控系統(tǒng)包括多功能控制終端、采集驅(qū)動(dòng)模塊、種子傳感器、速度傳感器、料箱傳感器、施口肥裝置。多功能控制終端位于駕駛室內(nèi)，內(nèi)部集成了顯示器和薄膜面板，用于顯示作業(yè)信息、報(bào)警信息以及作業(yè)參數(shù)的錄入和查詢，并處理采集驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)計(jì)算生成作業(yè)信息，發(fā)送至顯示器顯示，判斷出故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。采集驅(qū)動(dòng)模塊安裝在機(jī)具上，用于采集、處理各個(gè)傳感器的脈沖信號(hào)和驅(qū)動(dòng)口肥電動(dòng)機(jī)，并將計(jì)算處理后的信號(hào)通過(guò)CAN總線發(fā)送給控制終端。種子傳感器安裝在播種單體下方的導(dǎo)種管處，種子經(jīng)過(guò)時(shí)傳感器產(chǎn)生一定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào)，根據(jù)此信號(hào)來(lái)統(tǒng)計(jì)播種數(shù)并判斷缺種、堵種故障。速度傳感器安裝在地輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸處，采用增量式編碼器測(cè)速，分辨率為100 P/R，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼器輸出100個(gè)速度脈沖信號(hào)，根據(jù)此信號(hào)進(jìn)行作業(yè)速度換算和作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)。料箱傳感器用于檢測(cè)基肥肥箱是否缺肥。施口肥裝置用于口肥的精準(zhǔn)變量施放，并裝有口肥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，為口肥電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制提供反饋。

1.1 種子傳感器設(shè)計(jì)

針對(duì)目前的光電傳感器存在灰塵堆積導(dǎo)致感應(yīng)信號(hào)衰弱的問(wèn)題[14-17]，本文采用光電式面源無(wú)盲區(qū)抗塵監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)種子傳感器，其發(fā)射端包含3個(gè)串聯(lián)連接的紅外發(fā)射管，接收端為1片面源式硅光電二極管，用于把照射到表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，與傳統(tǒng)的光電二極管相比，其感光面積更大，當(dāng)導(dǎo)種管中灰塵增多導(dǎo)致照射到硅光電二極管接收面上的光能減弱時(shí)，其轉(zhuǎn)化的電能仍可以滿足系統(tǒng)后級(jí)電路的觸發(fā)要求，而傳統(tǒng)光電二極管由于感光面積不夠大，此時(shí)的感應(yīng)電能衰弱很明顯，無(wú)法導(dǎo)通后級(jí)電路，因此存在傳感器靈敏度在多塵環(huán)境下降低的問(wèn)題。硅光電二極管外罩有透明玻璃外殼，感光區(qū)域與種子不直接接觸，避免了種子下落時(shí)對(duì)感光器件的劃損，且不易附著、堆積灰塵，種子下落時(shí)與感光器件的接觸可以對(duì)灰塵起到一定的清除作用。種子傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 種子傳感器結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagram of seed sensor 1.硅光電二極管 2.電路板 3.防塵玻璃罩 4.紅外發(fā)射管 5.發(fā)射管固定支架

圖3 種子傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域示意圖 Fig.3 Sketch of monitoring area of seed sensor 1.硅光電二極管 2.導(dǎo)種管橫截面 3.監(jiān)測(cè)盲區(qū) 4.紅外發(fā)射管

傳感器器件布局和選型時(shí)還要考慮監(jiān)測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的種子傳感器接收部分的硅光電二極管感光區(qū)域尺寸為4 mm×19 mm，可覆蓋整個(gè)導(dǎo)種管內(nèi)截面，因此盲區(qū)不會(huì)在接收端部分產(chǎn)生。紅外發(fā)射管選用SHARP公司的GL537，發(fā)光角度θ=25°，直徑D=5 mm，3個(gè)發(fā)射管中心間距d1=6 mm，左右兩側(cè)的發(fā)射管壁與導(dǎo)種管內(nèi)壁的間距d3=1 mm。為保證發(fā)射的紅外光強(qiáng)度，發(fā)射管應(yīng)盡可能靠近導(dǎo)種管內(nèi)壁[18]，所以發(fā)射管安裝時(shí)頂端緊貼導(dǎo)種管內(nèi)壁，發(fā)射管頂端到發(fā)光處的距離d2=10 mm，種子傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域示意圖如圖3所示，形成的監(jiān)測(cè)盲區(qū)位于兩個(gè)相鄰發(fā)射管處和兩側(cè)發(fā)射管與導(dǎo)種管內(nèi)壁處，4個(gè)三角形區(qū)域兩兩對(duì)應(yīng)，根據(jù)幾何關(guān)系可知監(jiān)測(cè)盲區(qū)的寬度b1、b2，以及長(zhǎng)度L1、L2的計(jì)算公式為

(1)

(2)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的布局尺寸，代入式(1)、(2)中計(jì)算得出L1=3.5 mm，b1=1.6 mm，L2=5.9 mm，b2=1.3 mm，而玉米種子三軸基本尺寸大約為：長(zhǎng)度11.9 mm、寬度8.0 mm、厚度4.1 mm[19]，無(wú)論玉米種子以哪種形態(tài)下落，其橫截面積都遠(yuǎn)大于4個(gè)監(jiān)測(cè)盲區(qū)的面積，都可以遮擋住紅外光信號(hào)，因此，本文設(shè)計(jì)的種子傳感器不存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

1.2 施口肥裝置設(shè)計(jì)

排肥盒選用外槽輪式排肥器，可通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)槽輪的工作長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)口肥量的標(biāo)定，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用12 V/50 W蝸輪蝸桿式直流電動(dòng)機(jī)，渦輪連接軸一端與編碼器連接，一端與槽輪連接，編碼器選用歐姆龍公司的E6B2-CWZ1X增量型編碼器，分辨率為100 P/R，當(dāng)渦桿帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，一圈輸出100個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)該脈沖信號(hào)可進(jìn)行施肥量標(biāo)定和計(jì)算，施口肥裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 施口肥裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Structure diagram of fertilizing device 1.直流電動(dòng)機(jī) 2.增量型編碼器 3.編碼器固定支架 4.肥盒 5.槽輪 6.槽輪旋鈕 7.施肥口

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主芯片

選用STM32F103作為控制芯片，該芯片采用 Cortex-M3內(nèi)核,是專門針對(duì)低功耗、低成本、高性能嵌入式應(yīng)用所設(shè)計(jì)的[20]。STM32F103內(nèi)置了512 KB的FLASH和64 KB的SRAM，可直接運(yùn)行內(nèi)部代碼，無(wú)需外部擴(kuò)展；內(nèi)部定時(shí)器具有輸入捕獲和PWM輸出功能，滿足系統(tǒng)脈沖采樣和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求；自帶的基本擴(kuò)展CAN控制器支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，波特率最高達(dá)1 Mb/s，可實(shí)現(xiàn)高速率、高可靠的CAN總線通信。

2.2 傳感器信號(hào)采集電路

監(jiān)控系統(tǒng)包括4種傳感器，分別為：種子傳感器、速度傳感器、口肥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器和料箱傳感器，前3種傳感器輸出脈沖信號(hào)，料箱傳感器輸出高低電平，傳感器信號(hào)采集電路如圖5所示，采用Altium Designer軟件繪制。信號(hào)經(jīng)光電耦合器TLP281和反相器74HC14兩級(jí)反相后，分別輸入到STM32F103的輸入捕獲定時(shí)器TIM2的通道1～3和普通I/O PA4，捕獲定時(shí)器設(shè)計(jì)為1 μs計(jì)數(shù)1次，上升沿計(jì)數(shù)，并設(shè)置重裝載值最大，通過(guò)輸入捕獲功能實(shí)現(xiàn)脈沖寬度和頻率的測(cè)量。光電耦合器TLP281同時(shí)還具有電平轉(zhuǎn)換功能，把12 V的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3 V，滿足STM32F103單片機(jī)I/O口的電平限制要求。

圖5 傳感器信號(hào)采集電路 Fig.5 Sensor signal sampling circuit

2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

施口肥裝置采用外槽輪式排肥器，內(nèi)部裝有刷肥毛刷，口肥電動(dòng)機(jī)只能沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，因此采用半橋電路驅(qū)動(dòng)口肥電動(dòng)機(jī)，MOSFET功率器件選用N溝道的IRF3205，其工作噪聲較低、工作頻率高、抗干擾能力強(qiáng)，MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片選用L6384，該芯片是ST公司生產(chǎn)的不對(duì)稱半橋驅(qū)動(dòng)芯片，采用BCD離線工藝制造，具備施密特觸發(fā)器輸入和死區(qū)時(shí)間設(shè)置，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，頻率特性好，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。L6384的1號(hào)引腳連接在單片機(jī)定時(shí)器TIM4的通道上，6號(hào)引腳和GND接口肥電動(dòng)機(jī)，TIM4定時(shí)器配置為PWM輸出，頻率為1 kHz，占空比0～99%可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM輸出占空比實(shí)現(xiàn)口肥電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖6 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 Fig.6 Motor driving circuit

2.4 CAN總線接口電路

為了保證監(jiān)控系統(tǒng)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和移植性，適應(yīng)農(nóng)田高噪聲、高振動(dòng)的復(fù)雜惡劣環(huán)境，各個(gè)模塊采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。STM32F103單片機(jī)內(nèi)部自帶一路CAN控制器，但是由于CAN總線電平不能直接連接到單片機(jī)，所以外部需增設(shè)CAN總線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，本文選用PHILIPS公司的高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器芯片TJA1050。TJA1050是CAN控制器和物理總線之間的接口，硬件內(nèi)部集成了CAN底層協(xié)議，且包含電流限制電路和溫度保護(hù)電路，使用方便、安全性高，總線接口電路如圖7所示，R53為終端匹配電阻。

圖7 總線接口電路 Fig.7 Bus interface circuit

3 機(jī)載顯示器設(shè)計(jì)

機(jī)載顯示器選用北京迪文科技有限公司的5.0英寸65 K色的DGUS屏,分辨率為800像素×480像素，亮度為900 nit，陽(yáng)光直射下界面內(nèi)容也清晰可見(jiàn)[21]。本文設(shè)計(jì)的顯示器主界面和薄膜面板界面如圖8所示，適用于2行和4行玉米播種機(jī)，主界面顯示機(jī)具的作業(yè)幅寬、作業(yè)面積、作業(yè)速度、作業(yè)時(shí)間、行播種量、畝播種量等參數(shù)，每行的播種性能通過(guò)數(shù)字加圓環(huán)圖標(biāo)的形式展示，數(shù)字表示具體的播種數(shù)值，圓環(huán)表示每行畝播種量與理論畝播種量的比值，比值大于90%時(shí)，圓環(huán)顯示綠色，小于90%時(shí)圓環(huán)變紅。主界面除了顯示各行的播種性能外還顯示整機(jī)的播種性能，以百分比加條形框的形式展示。當(dāng)出現(xiàn)缺種、堵種、缺肥、堵肥、模塊異常故障時(shí)，顯示器彈出紅色閃爍嘆號(hào)圖標(biāo)，并在圖標(biāo)上方顯示具體的故障類型。

圖8 顯示器主界面和薄膜面板界面 Fig.8 Interface of screen and membrane panel

對(duì)顯示器的操作通過(guò)薄膜面板按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行作業(yè)參數(shù)設(shè)置時(shí)，點(diǎn)擊設(shè)置按鍵，主控模塊給顯示器發(fā)送頁(yè)面切換指令：5A A5 04 80 03 00 0B，界面切換到參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，如圖9所示，在該界面完成參數(shù)基本設(shè)置和口肥電動(dòng)機(jī)標(biāo)定，通過(guò)左右按鍵實(shí)現(xiàn)設(shè)置參數(shù)的切換，用灰色圖標(biāo)指示選中，上下按鍵實(shí)現(xiàn)設(shè)置參數(shù)的增減。圓圈中的數(shù)字表示轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，口肥電動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)，數(shù)字從20開(kāi)始遞減至0，表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)20圈，將每行計(jì)量的肥料質(zhì)量除以20即可得到每行口肥電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的排肥量。

圖9 參數(shù)設(shè)置界面 Fig.9 Parameter setting interface

圖10 參數(shù)查詢界面 Fig.10 Parameter inquring interface

單次作業(yè)完畢后，可以點(diǎn)擊薄膜面板上的保存按鍵，把作業(yè)時(shí)間、作業(yè)面積、機(jī)器性能和平均畝播種量保存下來(lái)，點(diǎn)擊查詢按鍵界面切換到參數(shù)查詢界面，如圖10所示，單界面顯示4次作業(yè)記錄，通過(guò)上下按鍵可進(jìn)行作業(yè)記錄翻頁(yè)查詢，查詢完畢后點(diǎn)擊返回按鍵，界面切換回主顯示界面。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案布局方式，監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：多功能控制終端軟件設(shè)計(jì)和采集驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil uVision5,多功能控制終端軟件用于完成作業(yè)參數(shù)設(shè)置、保存和查詢、采集驅(qū)動(dòng)模塊信息接收和處理、CAN總線通訊、故障報(bào)警等，其程序流程圖如圖11所示。

圖11 控制終端軟件流程圖 Fig.11 Flow chart of control terminal software

采集驅(qū)動(dòng)模塊軟件用于完成口肥電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、傳感器信號(hào)采集和處理、增量式PID算法實(shí)現(xiàn)、CAN通訊等功能，口肥電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用離散的增量式PID算法實(shí)現(xiàn)。增量式PID是一種在過(guò)程控制中使用范圍很廣的控制算法，具有魯棒性好、可靠性高并且參數(shù)易整定等優(yōu)點(diǎn)[22-25]。離散的增量式PID算法方程為

Δuk=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(3)

式中 Δuk——PID控制器輸出值

e(k)——第k次采樣的偏差值

Kp——比例系數(shù)Ki——積分系數(shù)

Kd——微分系數(shù)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)增大或減小定時(shí)器的PWM輸出占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的加速或減速控制，程序設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)TIMx→CCRx寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM輸出占空比的變化，因此，Δuk對(duì)應(yīng)TIMx→CCRx寄存器值的增量，而e(k)在軟件中表示口肥電動(dòng)機(jī)的理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際采樣轉(zhuǎn)速的偏差。假設(shè)在Δt時(shí)間段內(nèi)機(jī)具以速度v作業(yè)，設(shè)置的機(jī)具幅寬為w，A為機(jī)具這段時(shí)間內(nèi)的作業(yè)面積，則

(4)

又有設(shè)置的機(jī)具施口肥量為m0，作業(yè)行數(shù)為4行，則該時(shí)間段每行需要的施肥量為

(5)

假設(shè)標(biāo)定完的某行電動(dòng)機(jī)每圈的排肥量為m1，該行電動(dòng)機(jī)的理論轉(zhuǎn)速為n，則有

(6)

(7)

增量式PID算法的實(shí)現(xiàn)還需要整定Kp、Ki、Kd3個(gè)控制參數(shù)，通過(guò)綜合響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度對(duì)系統(tǒng)的影響來(lái)進(jìn)行PID控制參數(shù)整定。實(shí)際整定時(shí)，先將Ki、Kd的值置為零，控制算法為純比例控制，Kp初始值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，從小往大調(diào)，增大Kp可以提高口肥電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度，但同時(shí)也會(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào)量，此時(shí)可以通過(guò)加入Kd系數(shù)來(lái)減小超調(diào)量，Kd系數(shù)也是從小往大調(diào)，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)Ki系數(shù)來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是增大Ki會(huì)降低口肥電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度。由于超調(diào)量對(duì)本系統(tǒng)影響較小，參數(shù)整定時(shí)選取使系統(tǒng)響應(yīng)速度快的方案，通過(guò)不斷試驗(yàn)整定，在Kp=6，Ki=0.012，Kd=0.1時(shí)得到比較理想的特性曲線，仿真結(jié)果如圖12所示，此時(shí)口肥電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制比較理想，達(dá)到要求。

圖12 轉(zhuǎn)速控制特性曲線 Fig.12 Characteristic curves of speed control

5 試驗(yàn)

5.1 室內(nèi)試驗(yàn)

圖13 試驗(yàn)臺(tái) Fig.13 Test bed

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及可靠性，在田間試驗(yàn)前先搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)如圖13所示，口肥電動(dòng)機(jī)通過(guò)4個(gè)定位孔安裝在肥箱下方，與肥箱底部嚴(yán)密接觸，不存在漏肥現(xiàn)象，導(dǎo)肥管下方安放收集肥料的盒子；種子傳感器通過(guò)導(dǎo)種管安裝在排種器下方，位置與下種口相適合，不存在漏籽、擋籽的問(wèn)題，導(dǎo)種管下方安放收集種子的盒子。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行口肥量變量控制試驗(yàn)和播種量計(jì)數(shù)試驗(yàn)，口肥選用吉林省扶余化工有限責(zé)任公司的扶化牌復(fù)合肥料，氮、磷、鉀肥質(zhì)量比為8∶23∶5，總養(yǎng)分大于等于36%，是玉米專用口肥。種子選用山東登海種業(yè)股份有限公司的登海牌京科968，籽粒黃色、半馬齒型，百粒質(zhì)量39.5 g。

5.1.1口肥量變量控制試驗(yàn)

試驗(yàn)開(kāi)始前，先進(jìn)行口肥電動(dòng)機(jī)標(biāo)定，肥箱裝滿口肥，清空口肥盒，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)20圈，將盒子中收集的口肥用精度為0.01 kg的天平稱量，得到的質(zhì)量除以20后通過(guò)薄膜面板輸入到顯示器中。試驗(yàn)中，作業(yè)幅寬按四行機(jī)計(jì)算，設(shè)置為2.6 m，口肥量設(shè)置為75 kg/hm2，作業(yè)速度依次設(shè)定為3、4、5、6、7 km/h，每個(gè)作業(yè)速度下試驗(yàn)5次，每次試驗(yàn)時(shí)間10 min，記錄不同作業(yè)速度下收集的口肥量，計(jì)算平均值，與該速度下的理論排肥量進(jìn)行比較，并計(jì)算偏差，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中，理論排肥量m2與作業(yè)速度v關(guān)系為

(8)

從表1可以看出，施口肥裝置的排肥量隨作業(yè)速度不同而變化，實(shí)現(xiàn)了變量控制的目標(biāo)，與理論值的偏差控制在5%以內(nèi)，控制精度較高。

表1 排肥量試驗(yàn)結(jié)果 Tab.1 Fertilization experiment result

5.1.2播種量計(jì)數(shù)試驗(yàn)

試驗(yàn)臺(tái)排種器采用可調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)一圈排18粒種，排種株距按照20 cm計(jì)算，試驗(yàn)中設(shè)置電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為150 r/min，重復(fù)試驗(yàn)5次，每次試驗(yàn)時(shí)間2 min，記錄盒子中的實(shí)際種子數(shù)和顯示器顯示的種子數(shù)，各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)播種數(shù)計(jì)數(shù)偏差在4%以內(nèi)，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率較高。

表2 播種量計(jì)數(shù)試驗(yàn)結(jié)果 Tab.2 Seeding quantity counting experiment result

5.2 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際性能，系統(tǒng)安裝在佳木斯沃迪農(nóng)機(jī)制造有限公司的德邦大為2BMG-4型免耕精量播種機(jī)上，并在其試驗(yàn)田進(jìn)行了田間試驗(yàn)，田間試驗(yàn)如圖14所示，口肥選用與室內(nèi)試驗(yàn)相同。

圖14 田間試驗(yàn) Fig.14 Field experiment

試驗(yàn)開(kāi)始前，按照室內(nèi)試驗(yàn)方案進(jìn)行4行口肥電動(dòng)機(jī)的標(biāo)定，并把標(biāo)定結(jié)果輸入到顯示器中。試驗(yàn)時(shí)，在4個(gè)口肥導(dǎo)肥管下方安裝接肥袋，試驗(yàn)地塊量取1 000 m試驗(yàn)距離，口肥量設(shè)置為75 kg/hm2，作業(yè)幅寬為2.6 m，代入式(8)可得每行的理論施口肥量為4.87 kg，機(jī)具按照3、4、5、6、7 km/h的速度穩(wěn)定行駛，每個(gè)作業(yè)速度重復(fù)試驗(yàn)5次，試驗(yàn)完成后將接肥袋中的肥料分別收集編號(hào)，用精度0.01 kg的天平稱量并記錄。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，分別計(jì)算各行施口肥量的平均值以及一致性的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)

(9)

式中n0——機(jī)具的作業(yè)行數(shù)n——試驗(yàn)次數(shù)

xi——每行同一作業(yè)速度下各次施口肥量的平均值，kg

γs——各行口肥量平均值與理論值偏差，%

x0——每行的理論施口肥量，kg

S*——各行施口肥量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差，kg

V——各行施口肥量一致性的變異系數(shù)，%

從表3可以看出，相同作業(yè)速度下，各行施口肥量的變異系數(shù)小，偏差在5%以內(nèi)，一致性和準(zhǔn)確性較好，不同作業(yè)速度下，各行排肥量基本恒定，實(shí)現(xiàn)了隨作業(yè)速度變量施肥的功能。

表3 各行口肥量一致性試驗(yàn)結(jié)果 Tab.3 Experiment result of each row fertilizer quantity consistency

6 結(jié)論

(1)針對(duì)目前玉米精量播種機(jī)對(duì)作業(yè)狀況智能化監(jiān)控和口肥量變量調(diào)節(jié)的需要，設(shè)計(jì)了面源無(wú)盲區(qū)監(jiān)測(cè)種子傳感器和變量施口肥裝置，并集成開(kāi)發(fā)了一套基于Cortex-M3處理器的監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)薄膜面板設(shè)置施口肥量，作業(yè)過(guò)程中能根據(jù)機(jī)具實(shí)際作業(yè)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各行口肥量，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種、施肥狀況，提高了口肥利用率和精準(zhǔn)率，提升了機(jī)具性能。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)播種量精準(zhǔn)計(jì)數(shù)和口肥精準(zhǔn)變量調(diào)節(jié)，播種數(shù)計(jì)數(shù)偏差在4%以內(nèi)，當(dāng)施口肥量設(shè)定為75 kg/hm2時(shí)，不同作業(yè)速度下，實(shí)際施肥量與理論施肥量的偏差在5%以內(nèi)，同一作業(yè)速度下，各行施口肥量的變異系數(shù)在3%以內(nèi)，播種計(jì)數(shù)和施肥作業(yè)精度達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。