趙淑英，王愛仁

(梨樹縣梨樹鎮(zhèn)綜合服務中心,吉林 梨樹 136500)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平的逐漸提升，精量播種機已經(jīng)被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。傳統(tǒng)的玉米精密播種機多采用鏈條驅(qū)動排種器進行玉米播種，當作業(yè)不穩(wěn)定時容易造成鏈條跳動導致播種質(zhì)量下降，播種均勻性較差，影響后續(xù)玉米標準化種植與播種質(zhì)量的提高。在進行玉米精密播種時，容易出現(xiàn)播種參數(shù)不一致、種肥箱排空或雜物堵塞排種管等現(xiàn)象，易造成玉米播種效率低下，影響后續(xù)玉米產(chǎn)量的提高。要想進一步提高玉米精密播種質(zhì)量與效率，應完善玉米精密播種機的實時監(jiān)控技術，對玉米播種參數(shù)進行實時監(jiān)控。

針對以上問題，研究設計了一款GNSS玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)，基于工業(yè)控制系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互，操作人員可以實時監(jiān)測玉米精密播種機的播種技術參數(shù)，如株距、播量等信息，當出現(xiàn)播種不穩(wěn)定時，可以進行及時調(diào)整，該設計基于Android系統(tǒng)，可以通過關聯(lián)的手機APP實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)通過手機進行遠程監(jiān)控，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，優(yōu)化管理方式。

1 玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外在發(fā)展作物精密播種機工作性能及結構優(yōu)化的同時，正在逐步提升精密播種機的通用性、可靠性及智能化發(fā)展需求，如研制通用性更高的作物精密播種機，在進行不同作物播種時只需要更換相應的作物排種器即可，還可以滿足不同種植模式下的作物播種需求，為了防止精密播種機在田間作業(yè)時由于機械故障、排種管堵塞、土壤條件影響等造成重播、漏播等，應加強精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)的設計。精密播種機的監(jiān)控主要通過傳感器對精密播種機的工作情況進行實時監(jiān)控，并且通過不同的警報方式對異常工作狀況進行提醒，及時反映出機器的故障類型及發(fā)生位置，提高工作可靠性，減少播種損失。目前常見的監(jiān)控系統(tǒng)類型包括機械監(jiān)控裝置及電子信息裝置2種類型。

1.1 機械監(jiān)控裝置

機械式監(jiān)控裝置是一種較為傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)類型之一，利用機械元件對運行故障報警，主要是以響聲進行報警，但是由于農(nóng)田作業(yè)環(huán)境較為惡劣，機器本身在運行過程中噪聲較大，易造成操作人員不能及時發(fā)現(xiàn)故障。

1.2 電子信息裝置

現(xiàn)階段的電子信息裝置主要是采用聲音報警或者警示燈報警，在精密播種機安裝監(jiān)控系統(tǒng)，如光電傳感器、報警控制信號等，將播種機監(jiān)控系統(tǒng)中的機器運行狀況轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺魉偷娇刂浦行倪M行處理，當發(fā)現(xiàn)播種故障時，進行聲音或者光電報警。

2 玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

玉米精密播種機關鍵組成部件如圖1所示，主要由通信終端設備、通信服務裝置、GNSS通信模塊、GNSS北斗接收天線、電腦、控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機及玉米精密排種器等組成。

1.通信終端設備；2.通信服務裝置；3.GNSS通信模塊；4. GNSS北斗接收天線；5.工業(yè)電腦；6.控制系統(tǒng)；7.驅(qū)動電機；8.玉米精密排種器

3 玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

3.1 硬件系統(tǒng)的基本組成

為了提高玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)中各個部件的信息傳輸能力，在進行監(jiān)控系統(tǒng)設計時，采用工業(yè)電腦作為控制中心，技術參數(shù)如表1所示。工業(yè)電腦具有模塊化層次控制器，采用分層模塊化結構設計，主要包括硬件驅(qū)動層、控制核心層及應用層，各個模塊之間相互協(xié)同共同達到功能目標。

表1 工業(yè)電腦技術參數(shù)

主控芯片型號為STC12C516AD，具有運行速度快、能耗低等優(yōu)勢，可以滿足多方位雙向通信，可以對玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)中的信號進行處理，其功能結構如圖2所示。

圖2 玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)下位機功能示意圖

3.2 無線通信系統(tǒng)

無線通信裝置主要是保證終端無線傳輸中的數(shù)據(jù)安全，目前，常見無線通信技術有紅外線、藍牙、GPRS、CDMA1X等。在本研究中，選擇澤耀AS32無線模塊作為無線通信協(xié)議設備，主要是將上位機的各項控制信號傳遞到下位機，并將下位機的車輛工作狀態(tài)及工作參數(shù)向上位機傳遞，保證數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性，數(shù)據(jù)傳送為標準通用格式。

3.3 GNSS測試單元

GNSS為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System)，它泛指所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，主要包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo及中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。在玉米精密播種機的監(jiān)控系統(tǒng)中，GNSS測試單元通過USB接口連接至工業(yè)電腦控制中心，經(jīng)過對玉米播種參數(shù)及相關控制信號進行解析后傳遞給下位機。

4 玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分設計

4.1 實時監(jiān)測系統(tǒng)

玉米播種機實時監(jiān)測系統(tǒng)主要是對玉米播種裝置相關參數(shù)進行監(jiān)測，如速度、播種參數(shù)等信號，并實時向下位機發(fā)送信息，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊及技術參數(shù)設置模塊等，并通過觸摸屏顯示信息，當遇到異常信息時會及時報警通知操作人員，便于及時進行故障處理。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括對玉米播種量、漏播量、重播量進行分析；數(shù)據(jù)分析模塊主要包括對玉米播深、株距、播種總量及作業(yè)面積等參數(shù)進行分析；技術參數(shù)設置主要包括對玉米精密播種行距、株距、株數(shù)、施肥量等進行設置。信息監(jiān)控流程如圖3所示。

圖3 田間數(shù)據(jù)監(jiān)測結構示意圖

4.2 客戶端監(jiān)測系統(tǒng)

客戶端監(jiān)測系統(tǒng)主要是對玉米精密播種機田間統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，并傳輸至操作人員客戶終端，便于生產(chǎn)管理人員及時掌握玉米精密播種機田間作業(yè)情況。

4.3 服務器終端監(jiān)測系統(tǒng)

玉米精密播種機終端監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于存儲田間實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并負責將數(shù)據(jù)在監(jiān)測系統(tǒng)與手機終端進行信息交互，系統(tǒng)服務器采用云端存儲服務器，便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與實時調(diào)度。

5 玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)性能研究

玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)性能檢測指標主要包括監(jiān)控系統(tǒng)響應時間性能分析、功率消耗性能分析、控制算法性能分析等。

5.1 響應時間性能分析

玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)中各個零部件在進行工作及數(shù)據(jù)傳輸時會存在一定的遲滯，導致各個零部件存在一定的反應時間與延后。響應時間會直接影響玉米精密播種機的工作效率，如果響應時間過長，會導致玉米精密播種機出現(xiàn)漏播率、重播率增加，因此，對玉米精密播種機響應時間進行優(yōu)化與驗證，對于提高精密播種機的工作合格率具有重要作用與意義。

在進行玉米播種機監(jiān)控系統(tǒng)響應時間的檢驗時，首先應構建檢測電路結構，在上位機發(fā)出相關數(shù)據(jù)及信號時，開始計算下位機接收到脈沖信號所需的時間，計算如式(1)所示

(1)

式中n—驅(qū)動電機同步轉(zhuǎn)速，r·min-1；

v′—播種機車前進速度，km·h-1；

l—播種間距，cm；

s—播種機種盤上吸種孔數(shù)量，個；

k—排種器種盤與驅(qū)動電機齒輪變比。

5.2 功率消耗性能分析

目前，常見的玉米精密播種機多是通過牽引拖拉機提供動力，要求玉米精密播種機排種裝置的驅(qū)動電機能根據(jù)牽引機的速度進行實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，因此，對精密播種及排種器功率消耗進行性能分析，合理分配牽引車動力，是精密播種機合理運行的基礎條件之一。測定一臺玉米精密播種機在不同排種轉(zhuǎn)速下的功率消耗，機器前進速度與排種盤轉(zhuǎn)速關系如式(2)所示。根據(jù)玉米播種機不同的牽引速度機對應的排種盤轉(zhuǎn)速進行對比分析，確定檢測系統(tǒng)消耗功率是否分配合理。

(2)

式中n1—排種器轉(zhuǎn)速，r·min-1；

v′—播種機車前進速度，km·h-1；

l—播種間距，cm；

s—播種機種盤上吸種孔數(shù)量，個。

6 結論

針對目前玉米精密播種機在田間作業(yè)過程中容易出現(xiàn)重播、漏播及堵塞等故障，為進一步提高玉米精密播種機的田間作業(yè)效率，在分析目前國內(nèi)外精密播種機監(jiān)測系統(tǒng)技術特征的基礎上，設計研發(fā)了一種玉米精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)，以工業(yè)電腦作為控制核心，在GNSS下實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并提出相關玉米精密播種機性能檢測參數(shù)，研究結果以期為提升我國玉米精密播種機作業(yè)效率及質(zhì)量提供技術參考。