張明宇　劉峰　鄭永鑫　王強(qiáng)　宋爽　孫鴻

摘要：為了實(shí)現(xiàn)變量施藥和確保噴施效果，開(kāi)展了基于ARM反饋的變量噴藥控制系統(tǒng)的研究。該系統(tǒng)需要車(chē)載ARM控制器為核心，采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲取車(chē)速，通過(guò)CAN總線獲取噴嘴的流量和壓力等信息。系統(tǒng)可以在線處理數(shù)據(jù)并發(fā)送功能代碼到驅(qū)動(dòng)電路，在脈沖寬度調(diào)制下根據(jù)輸入用戶(hù)的需要來(lái)實(shí)現(xiàn)比例電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)閉量，最終基于作業(yè)行駛速度來(lái)改變噴藥量的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)輛的速度為5～11km/h，該系統(tǒng)變量的控制誤差較小，不超過(guò)5%，滿(mǎn)足變量噴藥的操作要求。

關(guān)鍵詞：變量噴藥;控制系統(tǒng);CAN總線;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：S22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200215018

收稿日期：2019-11-07

作者簡(jiǎn)介：張明宇（1980-），男，本科，高級(jí)工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)工程及節(jié)水灌溉。

導(dǎo)言

農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要生產(chǎn)資料，但是，過(guò)多的投入容易導(dǎo)致環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。2015年，中國(guó)農(nóng)藥使用量為178.3萬(wàn)t，農(nóng)藥使用率為36.6%[1]，低于發(fā)達(dá)國(guó)家平均50%[2，3]。因此，農(nóng)藥使用的主要需求從廣泛的投入轉(zhuǎn)移到適度，按需和按需定量投入[4]。

變量噴藥技術(shù)源于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理念，是一種農(nóng)業(yè)機(jī)械利用農(nóng)田信息的技術(shù)，結(jié)合其目前的速度和位置自動(dòng)調(diào)整農(nóng)藥投入量[5]。傳統(tǒng)的基于噴霧的壓力控制技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)變量噴藥。大量實(shí)驗(yàn)表明，液滴直徑隨壓力的變化非常顯著，該方法的流量控制將失去噴霧性能[6，7]。脈沖寬度調(diào)制是一種可變速率噴霧技術(shù)，電磁閥安裝在噴射器的入口處，通過(guò)改變輸入信號(hào)的占空比來(lái)控制電磁閥的間歇打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥[8]，但是，需要高頻響應(yīng)和電動(dòng)閥的可靠性[9]。可變速?lài)姙⒃诰€混合農(nóng)藥是一種及時(shí)改變化學(xué)品濃度的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)變量噴藥。由于這種方法改變了水和農(nóng)藥的比例，因此對(duì)系統(tǒng)壓力和流量的影響很小[10]。然而，由于液體藥物的液體流速很小，這種控制方法要求高精度，并且存在一定的系統(tǒng)延遲。

1 變量噴藥控制系統(tǒng)的工作原理

在噴灑過(guò)程中每公頃施用的農(nóng)藥量為R（L/hm2）計(jì)算公式為：

R=60000Q/Dv（1）

式中：Q為噴嘴瞬時(shí)流量，L/min;D為有效噴藥寬度，m;v為作業(yè)速度，m/s。

在噴藥機(jī)的實(shí)際操作中，有效噴藥寬度是一定值;噴嘴瞬時(shí)流量Q與車(chē)輛的瞬時(shí)速度v成比例。因此，為了確保R達(dá)到預(yù)期值，必須確保Q和v在每個(gè)時(shí)刻具有不一致和成比例的關(guān)系。

本文設(shè)計(jì)的ARM反饋的變量噴藥控制系統(tǒng)使用北斗采集的車(chē)輛的速度值v，根據(jù)計(jì)算目標(biāo)流量QT，并通過(guò)流量傳感器獲得當(dāng)前流量QM。QM等于反饋值。根據(jù)反饋值，控制器采取適當(dāng)?shù)牟呗愿淖儽壤妱?dòng)閥的開(kāi)度，從而改變管道內(nèi)的液體流量，直到QT等于QM，并最終實(shí)現(xiàn)變量噴藥操作。

為了保證良好的霧化效果，機(jī)組噴頭錐角有一定的要求。普通噴嘴是110°雙扇形噴嘴的霧角。基于基本要求，噴嘴間距大于或等于50cm，而噴桿高度通常比頂部高50cm。

有效噴灑寬度D（m）=[（m-1）L+2htanα] （2）

式中：m為噴嘴數(shù)量;L為相鄰的2個(gè)噴嘴間距，m;h為噴嘴離地高度，m;α為噴嘴噴射角度。

2 系統(tǒng)硬件組件

2.1 系統(tǒng)總體框架

變量噴藥控制系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。變量噴藥控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是車(chē)載ARM控制器，CAN采集模塊，CAN頻率采集模塊，速度傳感器，流量傳感器，壓力傳感器和比例電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

2.2 ARM處理器

三核Exynos4412是四核CORTEX-A9架構(gòu)處理器，被選為系統(tǒng)的核心處理器。采用Ubuntu14.04LTS作為操作系統(tǒng)，選擇車(chē)速、管道流量、噴嘴壓力等信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前速度的理論噴藥量，比較反饋信號(hào)，輸出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)并存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。ARM處理器的外圍電路包括Console串口、標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0總線接口、標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口和LCD擴(kuò)展槽，用于調(diào)試、通信和顯示。

2.3 傳感器

2.3.1 流量傳感器

采用渦輪電磁流量計(jì)進(jìn)行流量采集，精度為±0.5級(jí)，測(cè)量范圍為0～5m3/h，輸出信號(hào)為隔離4～20mA電流信號(hào)。根據(jù)安裝標(biāo)準(zhǔn)將電磁流量計(jì)安裝在主管上，以測(cè)量系統(tǒng)中的液體流量。流量是用于反饋調(diào)節(jié)的可變噴藥系統(tǒng)的主要參數(shù)之一。

2.3.2 壓力傳感器

使用壓力傳感器進(jìn)行采集工作時(shí)的噴嘴壓力，測(cè)量范圍為0～5Mpa，輸出信號(hào)為4～20mA電流信號(hào)，檢測(cè)精度為±0.2%。擴(kuò)散硅壓力變送器安裝在一般管道中，噴嘴前面和流量傳感器后面的三通連接處，用于測(cè)量噴嘴處的壓力值。在使用扇形的棕色噴嘴（No.5噴嘴）情況下，霧化效果更好，為0.2～0.5Mpa。因此，影響噴霧效果的噴嘴壓力是在噴霧系統(tǒng)中收集的重要參數(shù)之一。

2.3.3 獲取模塊

采集模塊用于采集傳感器信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)，信號(hào)通過(guò)CAN總線發(fā)送到ARM控制器。有速度采集模塊、流量模擬采集模塊和壓力測(cè)量模塊，模塊安裝時(shí)附帶適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌?/p>

2.3.4 比例電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

比例電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由閥體和直流調(diào)速電機(jī)組成。操作閥體閥芯改變其行程以改變通過(guò)閥體的最大流量，閥門(mén)的百分比流量與行程百分比成正比，閥馬達(dá)的速度為3RPM，從完全關(guān)閉到完全打開(kāi)只需5～6s。

3 變量噴藥控制方法

如圖2為系統(tǒng)閉環(huán)控制的框圖。在反饋調(diào)節(jié)中，反饋和延遲的測(cè)量精度對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的特性有顯著影響。根據(jù)變量噴藥控制系統(tǒng)的工作原理，反饋值由車(chē)速v和電流QM決定。選擇合適的電磁流量計(jì)，以提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，減少電流測(cè)量過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間。由于車(chē)輛的測(cè)量延遲可以忽略不計(jì)，系統(tǒng)延遲主要來(lái)自電動(dòng)閥的調(diào)節(jié)。因此，控制器選擇脈沖寬度調(diào)制策略以減少由閥門(mén)延遲引起的穩(wěn)定時(shí)間。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)路線設(shè)計(jì)

如圖3所示，吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與創(chuàng)新思想，采用理論與實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)室研究與田間試驗(yàn)考核，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、中試試驗(yàn)與示范推廣緊密結(jié)合的方法，以智能變量噴藥控制系統(tǒng)入手，按照確定的技術(shù)路線進(jìn)行電磁閥開(kāi)度控制、速度采集試驗(yàn)、壓力控制研究與設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試制及試驗(yàn)示范。

4.2 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

車(chē)載ARM控制器、CAN采集模塊及傳感器等核心部件均通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接。CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層符合CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議（CAN2.0兼容）。設(shè)計(jì)的功能代碼在應(yīng)用層消息的11位標(biāo)識(shí)符中定義。ARM采用的Ubuntu操作系統(tǒng)使用Socket CAN來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。應(yīng)用層主要功能代碼的設(shè)計(jì)如表1所示。

圖4為軟件的界面，顯示了主噴霧噴嘴壓力、車(chē)速、流量信息、噴嘴數(shù)量、間距及工作狀態(tài)。功能鍵包括參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)、手動(dòng)模式，噴桿角度設(shè)置，噴桿上升、下降，噴桿展開(kāi)、收起。界面可以方便地監(jiān)測(cè)噴藥機(jī)的運(yùn)行狀況，特殊情況下可以模擬打藥模式。

5 測(cè)試與分析

不同速度的變量噴藥操作試驗(yàn)：

所需的噴霧量R設(shè)定為300L/hm2，噴嘴的數(shù)量m為51，間距為50cm，地面間隙等于80cm。噴藥機(jī)以不同的速度連續(xù)工作1min（不同的速度測(cè)試彼此獨(dú)立，每個(gè)測(cè)試以零速開(kāi)始），噴射的水量與噴霧量一樣。根據(jù)存儲(chǔ)在ARM中的操作數(shù)據(jù)，獲得表2。

從表2可以看出，當(dāng)車(chē)速為5～7km/h時(shí)，實(shí)際噴藥量略大于理論噴藥量;當(dāng)車(chē)速為8～11km/h時(shí)，實(shí)際噴藥量略小于理論噴藥量。重復(fù)測(cè)試和觀察，得出以下分析：當(dāng)速度超過(guò)8km/h時(shí)，管道壓力相對(duì)較大，回流閥起到穩(wěn)定壓力和限制最大壓力的作用，將產(chǎn)生回流，導(dǎo)致噴嘴壓力降低，使實(shí)際噴霧量略低于理論值。 當(dāng)速度慢時(shí)，噴射量很小，而回流閥不起作用，泵提供的壓力集中在噴嘴中，使實(shí)際噴霧略高于理論值。但是，在不同的速度下，系統(tǒng)不會(huì)超過(guò)噴藥過(guò)程中噴藥誤差百分比的5%。

6 結(jié)論和展望

基于CAN總線的變量噴藥控制系統(tǒng)以ARM處理器為核心設(shè)計(jì)與建立?？刂葡到y(tǒng)接口旨在實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，自動(dòng)變量控制和手動(dòng)校正，以及作業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能;

根據(jù)變量噴藥操作測(cè)試，可以得出結(jié)論：變量噴藥系統(tǒng)的控制誤差小于5%。穩(wěn)定時(shí)間小于0.77s。并且滿(mǎn)足可變噴藥操作要求。

GPS定位技術(shù)等定位技術(shù)可應(yīng)用于系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)位置和處方圖信息實(shí)時(shí)改變預(yù)期噴霧量R，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)處方圖的可變噴霧操作。此外，可以在系統(tǒng)中增加DTU模塊等長(zhǎng)距離通信手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互和變量噴藥的遠(yuǎn)程控制。

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（責(zé)任編輯 周康）