播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)——基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

舍樂莫，楊瑞成，王　彪

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與管理工程系，呼和浩特　 010070；2.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息管理學(xué)院，呼和浩特　010051)

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播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)——基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

舍樂莫1，楊瑞成2，王彪2

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與管理工程系，呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息管理學(xué)院，呼和浩特010051)

摘要：為了降低播種機(jī)的漏播現(xiàn)象，提高播種機(jī)械作業(yè)的質(zhì)量和自動化水平，提出了一種新的漏種補(bǔ)播系統(tǒng)，并利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了播種機(jī)作業(yè)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。該系統(tǒng)以51單片機(jī)為控制核心，在排種器上設(shè)計(jì)了漏報(bào)監(jiān)測的紅外線傳感器，當(dāng)監(jiān)測到漏播時(shí)可以通過單片機(jī)控制偏心電機(jī)的振動，實(shí)現(xiàn)再次補(bǔ)種；利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以對故障進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，對試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：對于1dBm的信號，在遠(yuǎn)處通訊距離可以延長接近100m，其通信性能較好，播種機(jī)的漏播率較低，在漏播后的補(bǔ)種率非常高，達(dá)到了98%以上，從而大大提高了播種機(jī)的作業(yè)效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：播種機(jī)；漏播補(bǔ)種；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器

0引言

傳統(tǒng)的播種方式一般都是一穴多種，根據(jù)出苗狀況再僅留1株，這不僅浪費(fèi)了種子資源和錢財(cái)，也浪費(fèi)了大量的時(shí)間，增加了播種作業(yè)的復(fù)雜程度。為了提高播種效率，在現(xiàn)代化播種機(jī)的設(shè)計(jì)過程中需要考慮一穴一種的設(shè)計(jì)因素，但又增加了漏播的風(fēng)險(xiǎn)。由于在播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，種子的流動過程是全封閉式的，僅憑人為主觀因素很難分辨漏播現(xiàn)象，特別是在種箱排空和種管阻塞時(shí)，容易出現(xiàn)大面積漏播的結(jié)果，大大降低了播種作業(yè)的效率和質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)了一種漏種補(bǔ)播系統(tǒng)，可以對漏種情況進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)種，并且可通過遠(yuǎn)程上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而提高播種效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動化、規(guī)?；シN。

1播種機(jī)結(jié)構(gòu)和漏播補(bǔ)種原理

為了提高播種機(jī)的播種效率和質(zhì)量，節(jié)省種子，設(shè)計(jì)了一粒一播、一種一穴的排種裝置。在播種時(shí)，先將種子裝入儲種箱內(nèi)，在機(jī)械動力的帶動下，地輪開始向前滾動;隨著地輪的向前滾動，播種盤在擋塊動，的作用下也隨著一起滾動，同時(shí)毛刷也被帶動一起運(yùn)毛刷將多余的種子清除后只留1粒種子。精量播種機(jī)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　精量播種排種機(jī)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)排種口和漏斗對準(zhǔn)時(shí)，種子落入鴨嘴，擋塊觸碰后使鴨嘴張開，種子被鴨嘴排種器懸入土壤；第2個(gè)鴨嘴開始播種時(shí)，第1個(gè)鴨嘴在彈簧的作用下關(guān)閉。依次重復(fù)上述過程，可以實(shí)現(xiàn)精良化播種。如果在播種過程中想要播種雙粒，可以打開排種輪上的擋板，同時(shí)運(yùn)行兩粒種子一起懸入土壤。排種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于精量播種大部分為單粒播種，如果存在漏播情況，對播種質(zhì)量影響較大，因此必須設(shè)計(jì)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)。其核心控制部分為C51單片機(jī)，對于漏種情況的信息采集使用監(jiān)控設(shè)備，在鴨嘴根部安裝紅外線發(fā)射和接收裝置，種子落下的提示為紅外線被阻斷。紅外線裝置安裝位置如圖3所示。

圖2　精量播種排種機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3　紅外線裝置安裝位置

紅外線裝置為紅外線發(fā)射管和接受頭，其體積較小、價(jià)格便宜、便于安裝；根據(jù)種子是否脫落的反饋信息，可以對排種輪進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)控制，偏心電機(jī)通過振動，重新使種子脫落，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種操作。

圖4為排種輪系的結(jié)構(gòu)示意圖。排種輪系裝有驅(qū)動電機(jī)，可以通過單片機(jī)的脈沖信號對電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻控制。在監(jiān)控系統(tǒng)中，紅外線的接受頭為光敏電阻。圖5給出了光敏電阻的光譜特性曲線。

圖4　排種輪系結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　光敏電阻光譜特性曲線

光敏電阻的光譜范圍為400～800mm，對于不同頻率光的靈敏度不同，但其總體效率達(dá)到了90%以上。單片機(jī)接受到反饋信號后，采用脈沖信號對電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。假設(shè)播種的株距為l，地輪的半徑為r，則當(dāng)?shù)剌喰D(zhuǎn)1周時(shí)排種的次數(shù)為

(1)

假設(shè)接受到控制脈沖數(shù)每秒為p，地輪旋轉(zhuǎn)1圈傳感器發(fā)出k個(gè)脈沖，則地輪轉(zhuǎn)速為

(2)

假設(shè)排種盤上的排種孔為λ個(gè)，排種盤每排種1次轉(zhuǎn)過角度為360°/λ，則每秒轉(zhuǎn)過的弧度為

(3)

假設(shè)驅(qū)動電機(jī)和軸之間的傳動比為μ，驅(qū)動電機(jī)步矩角為β，則驅(qū)動電機(jī)每秒鐘輸入的脈沖數(shù)為

(4)

通過相應(yīng)脈沖數(shù)的輸入，結(jié)合紅外線監(jiān)測，可以保證播種機(jī)降低甚至避免漏播次數(shù)，其控制流程如圖6所示。

圖6中，首先利用單片機(jī)收集紅外線傳感器得到的種子信號，對兩次種子的脫落時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與預(yù)先設(shè)定的排種時(shí)間進(jìn)行對比，通過反饋調(diào)整優(yōu)化播種株距。當(dāng)單片機(jī)長時(shí)間未收到種子阻斷紅外線傳感器信號時(shí)，發(fā)出指令控制偏心電機(jī)進(jìn)行振動，使種子脫落進(jìn)行補(bǔ)種操作；如果還檢測不到阻斷信號，則發(fā)出報(bào)警警報(bào)。播種機(jī)的運(yùn)行情況和警報(bào)都可以利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端。

圖6　漏播補(bǔ)種系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

2漏播補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線通信技術(shù)是近幾十年快速發(fā)展起來的一種技術(shù)，目前主流的無線通信技術(shù)，包括紅外線、藍(lán)牙、Wi-Fi和Zigbee技術(shù)等。藍(lán)牙的傳輸有效距離較短，一般在10m以內(nèi)；Wi-Fi也是一種近距離通信技術(shù)，覆蓋范圍要比藍(lán)牙廣泛，傳輸效率高，但是也不適用于長距離通信；紅外線通信一般主要用于兩臺設(shè)備之間的通信，對于多臺設(shè)備間的通信并不適用；而ZigBee技術(shù)輸出距離相對較遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備之間的信息傳輸，并且功耗低、成本小。4種通信技術(shù)的參數(shù)對比如表1所示。

表1　無線通信技術(shù)比較

由表1可以看出：每種通信技術(shù)都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域，而成本最低、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最簡單、網(wǎng)絡(luò)維易維護(hù)、安全性較高的是ZigBee技術(shù)。對于一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，一般有多個(gè)路由器和多個(gè)終端組成，如圖7所示。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括協(xié)調(diào)器、路由器和端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動與配置，路由器負(fù)責(zé)其他設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多終端之間的通信，網(wǎng)絡(luò)終端為傳感器。網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)協(xié)調(diào)器，在本次設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)漏種信號的采集，并通過Wifi進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，其硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖 7　ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖 8　網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖8中,天線可以采集和發(fā)射數(shù)據(jù)信號，LCD可以顯示播種機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，無線通信模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程通信功能。路由節(jié)點(diǎn)主要是對漏播數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送，路由節(jié)點(diǎn)的布置是比較隨意的，可以靠電池供電，其硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　路由器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖9和網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點(diǎn)相同，路由節(jié)點(diǎn)的射頻天線也用來收發(fā)數(shù)據(jù)，而LED來顯示節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)的采集主要是利用傳感器節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

采集到漏種信號后，利用信號調(diào)理模塊對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、放大、濾波等處理，然后將信息反饋給單片機(jī)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種操作和遠(yuǎn)程控制。

圖 10　傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

3性能測試

為了驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)漏播播種系統(tǒng)的有效性和可靠性，基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)載有漏播監(jiān)測和補(bǔ)種系統(tǒng)的智能化播種機(jī)樣機(jī)，并對其播種性能就行了測試，測試場景如圖11所示。

圖11　播種機(jī)播種性能測試

播種機(jī)性能測試主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信情況和播種機(jī)的播種性能。其中，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信號衰減測試結(jié)果如圖12所示。

圖12　ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息衰減測試圖

由圖12可以看出：隨著通訊距離的增加，衰減逐漸降低，在到達(dá)500m時(shí)，衰減已經(jīng)很??；對于1dBm的信號，在遠(yuǎn)處通訊距離可以延長接近100m，其通信性能良好。

表2　播種性能測試表

由表2可以看出：播種機(jī)的漏播率較低，在漏播后的補(bǔ)種率非常高，達(dá)到了98%以上。這是由于在漏播補(bǔ)種系統(tǒng)的作業(yè)下，加上ZigBee遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使播種機(jī)在發(fā)生漏播時(shí)能夠及時(shí)地補(bǔ)種，從而大大提高了播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

4結(jié)論

1)采用單片機(jī)和紅外線傳感器設(shè)計(jì)了播種機(jī)的漏播補(bǔ)種系統(tǒng)，并利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了播種機(jī)作業(yè)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，可以對漏播現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，從而大大提高了播種機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2)為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了播種機(jī)性能測試的試驗(yàn)樣機(jī)，并對樣機(jī)的播種性能進(jìn)行了測試，測試項(xiàng)目包括遠(yuǎn)程通信能力和播種的精確程度。通過測試發(fā)現(xiàn)：在2 000m范圍內(nèi)，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行有效地通信；播種機(jī)在播種作業(yè)時(shí)，播種機(jī)的漏播率較低，在漏播后的補(bǔ)種率非常高，達(dá)到了98%以上，滿足精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

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Design for Sowing Resow System of Leakage Seeder——Based on ZigBee Wireless Sensor Network

She Lemo1, Yang Ruicheng2, Wang Biao2

(1.Department of Information and Management Engineering,Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics,Hohhot 010070, China; 2.College of Computer Information Management,Inner Mongolia University of Finance and Economics,Hohhot 010051, China)

Abstract：In order to reduce the phenomenon of leakage and improve the quality and automation level of the seeding machine, a new type of leakage seeding system is proposed.And the remote monitoring platform of the operating state of the seeding machine is designed by using ZigBee wireless sensor network. The system takes 51 single chip microcomputer as the control core, in the device design of infrared sensors that omission of monitoring, when monitoring miss seeding can through the MCU control the vibration motor eccentric, achieve again reseed, using ZigBee wireless sensor network, remote alarm for fault. In order to verify the reliability of the system, the experiment of prototype were tested through the test found that 1 DBM signal can be prolonged close to 100 in the distance communication distance with the better communication performance and the low sowing machine leakage sowing rate, in which,the replant leakage after sowing rate is very high to 98%, thus it greatly improves the working efficiency and quality of the seeding machine.

Key words：seeder; replant seed; ZigBee; wireless sensor network

中圖分類號：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0203-05

作者簡介：舍樂莫(1972-)，男，呼和浩特人，講師，(E-mail)shelemo1972@sina.com。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳項(xiàng)目(NMGIT1405)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技廳項(xiàng)目(20120412)；內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳項(xiàng)目(NJZY13200)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71261015)

收稿日期：2015-08-25