精準(zhǔn)變量施肥控制軟件設(shè)計(jì)研究

初金哲，莊衛(wèi)東，衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) ，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展較快，規(guī)模較大。在美國(guó)中西部大平原，土地相對(duì)平整，經(jīng)營(yíng)規(guī)模廣闊，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展較為迅速。目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域已涉及植物保護(hù)、施肥、精量播種、水分管理和耕作等各相關(guān)領(lǐng)域[1]。

在國(guó)外，歐美等國(guó)家走在農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的前端，根據(jù)需求大量減少化肥的投入量，使用時(shí)根據(jù)農(nóng)作物的需求釆用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，精確地調(diào)配化肥和農(nóng)藥的投入量，提高了化肥和農(nóng)藥的利用率，使生產(chǎn)成本下降，增強(qiáng)了施肥效果，同時(shí)降低了農(nóng)藥與化肥對(duì)于環(huán)境的污染[2]。歐美等國(guó)家還通過(guò)提高化肥和農(nóng)藥的質(zhì)量及采用農(nóng)業(yè)機(jī)具進(jìn)行中耕施肥，使化肥和農(nóng)藥的利用率大幅度提升，主要以日本、美國(guó)、法國(guó)等西方國(guó)家為代表[3-6]。大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)家確立了較為完整的信息網(wǎng)絡(luò)，將每年的農(nóng)作物產(chǎn)量與磷肥、氮肥、鉀肥施肥量，以及土壤養(yǎng)分含量、肥料類(lèi)型、生長(zhǎng)關(guān)鍵期的墑情分布等數(shù)據(jù)輸入到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，取得了較大的科研進(jìn)步[7]。目前，精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的大多數(shù)大型農(nóng)場(chǎng)得到應(yīng)用，其化肥和農(nóng)藥的利用率達(dá)到72%左右。

國(guó)內(nèi)精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)研究的起步相對(duì)于歐美等國(guó)發(fā)展較晚，且設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)變量施肥控制軟件對(duì)于我國(guó)的農(nóng)作物都具有針對(duì)性、地域特殊性，還不適合我國(guó)的不同地區(qū)和不同農(nóng)作物施肥模式。精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)仍處于性能測(cè)試時(shí)期，所以并沒(méi)有在我國(guó)進(jìn)行大地塊間的推廣與應(yīng)用。我國(guó)肥料投入使用的技術(shù)和手段相對(duì)落后，我國(guó)化肥的平均利用率僅為35%左右[8]，造成了肥料的巨大浪費(fèi)，生態(tài)環(huán)境的迅速惡化。因此，我國(guó)從2005年起決定在大田間開(kāi)始大力推廣和普及精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的很多高等院校和農(nóng)業(yè)科研單位大量引入國(guó)外先進(jìn)的精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)，進(jìn)行消化和接納，取得了顯著的成果。我國(guó)自主研發(fā)了適用于玉米大豆等農(nóng)作物的變量施肥機(jī)具和精準(zhǔn)變量施肥控制系統(tǒng)，主要以國(guó)家農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心、中國(guó)農(nóng)科院、北京農(nóng)林科學(xué)院、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)及上海交通大學(xué)等科研院校為主，并建立了土壤肥料信息系統(tǒng)、小麥綜合管理專(zhuān)家系統(tǒng)、變量施肥智能空間決策支持系統(tǒng)及田間地理信息系統(tǒng)等[9-11]。

為此，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)變量施肥技術(shù)的研究現(xiàn)狀，通過(guò)利用Visual Basic6.0、MapObject2.2軟件編寫(xiě)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥控制軟件，包括對(duì)GPS設(shè)備的接收與發(fā)送端口數(shù)據(jù)編寫(xiě)、CAN總線數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送端口數(shù)據(jù)編寫(xiě)、CANCOM轉(zhuǎn)換模塊編寫(xiě)、施肥調(diào)試功能編寫(xiě)、變量施肥標(biāo)定功能編寫(xiě)、變量施肥處方圖功能編寫(xiě)及記錄作業(yè)圖功能編寫(xiě)。通過(guò)編寫(xiě)的軟件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)精準(zhǔn)變量施肥控制軟件各部分功能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，為下一步在田間進(jìn)行變量施肥作業(yè)試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。試驗(yàn)由精準(zhǔn)變量施肥控制軟件操控室內(nèi)變量施肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，能夠最大限度地提高肥料的利用率[12]。

為了操控變量施肥試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了變量施肥控制軟件，可達(dá)到提高肥料利用率、提升農(nóng)民生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益、按需施肥的目的，提高了我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)變量施肥的技術(shù)水平。

1 精準(zhǔn)變量施肥控制軟件設(shè)計(jì)

1.1 軟件總體框架

依據(jù)精準(zhǔn)變量施肥控制軟件的主要研究?jī)?nèi)容，將精準(zhǔn)變量施肥控制軟件整體框架結(jié)構(gòu)劃分為8大模塊，即GPS設(shè)備的接收與發(fā)送端口數(shù)據(jù)模塊、CAN總線數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送端口數(shù)據(jù)模塊、CANCOM轉(zhuǎn)換模塊、輸出模塊、施肥調(diào)試模塊、變量施肥標(biāo)定模塊、變量施肥處方圖模塊及記錄作業(yè)圖功能模塊。編寫(xiě)8個(gè)功能模塊，以施肥調(diào)試模塊和變量施肥處方圖模塊為研究的中心環(huán)節(jié)，其界面如圖1所示。

圖1 精準(zhǔn)變量施肥控制軟件界面圖

1.2 GPS接收模塊

GPS接收功能模塊可以通過(guò)RS-232串口接收GPS信息，包括時(shí)間、日期、衛(wèi)星個(gè)數(shù)、衛(wèi)星信號(hào)、速度、經(jīng)度、緯度、大地高程及航向等，并顯示GPS數(shù)據(jù)流，接收到GGA、RMC、GSV、VTG、GSA、BD等語(yǔ)句，保證了各項(xiàng)信息實(shí)時(shí)的更新及GPS數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。GPS接收功能模塊如圖2所示。

1.3 CANCOM轉(zhuǎn)換模塊

利用一個(gè)CANCOM轉(zhuǎn)換模塊將CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，也可以通過(guò)軟件發(fā)送串口數(shù)據(jù)通過(guò)CANCOM轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

1.3.1 設(shè)備連接

首先將CANCOM轉(zhuǎn)換模塊連接好電源線、CAN總線及USB轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)換器。EARTH管腳為接地線，CAN_G 為信號(hào)地，這兩個(gè)腳可不用連接；CAN_L為CAN低，CAN_H為CAN高，不要接反。CANCOM轉(zhuǎn)換模塊連接電源后，設(shè)備3個(gè)燈的狀態(tài)應(yīng)該為PWR常亮，COM閃爍，CAN不亮。CAN燈只有在有CAN數(shù)據(jù)收發(fā)或配置時(shí)才會(huì)亮起。轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示。

圖2 GPS接收功能模塊

圖3 CANCOM轉(zhuǎn)換模塊

1.3.2 配置說(shuō)明

配置界面如圖4所示。需要配置的參數(shù)主要有串口波特率和CAN總線波特率，配置前需要確認(rèn)好這兩個(gè)信息。轉(zhuǎn)換模式選擇為透明轉(zhuǎn)換，配置好參數(shù)后點(diǎn)擊寫(xiě)配置，完成配置工作。

圖4 調(diào)制配置界面

1.4 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊主要包括兩大部分，即RS-232串口的接收與輸出、CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

1.4.1 RS-232串口的接收與輸出

首先選擇與GPS設(shè)備相符的通信端口號(hào)(COM2)設(shè)置基本信息如下：通信波特率選擇為9 600，奇偶校驗(yàn)為無(wú)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8，停止位為1位；然后，點(diǎn)擊打開(kāi)按鈕精準(zhǔn)變量施肥控制軟件開(kāi)始接收GPS信息。串口輸出調(diào)試界面如圖5所示。

圖5 串口輸出調(diào)試界面

1.4.2 CAN總線數(shù)據(jù)的接收與輸出

首先選擇與變量施肥試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備相符合的CAN總線數(shù)據(jù)端口號(hào)COM1，通信波特率選擇為250 000；然后，點(diǎn)擊打開(kāi)按鈕精準(zhǔn)變量施肥控制軟件開(kāi)始接收變量施肥試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送的CAN總線數(shù)據(jù)信息，以及通過(guò)軟件向變量施肥試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送CAN總線數(shù)據(jù)信息指令操控變量施肥試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)，如圖6所示。

1.5 施肥調(diào)試模塊

施肥調(diào)試模塊是精準(zhǔn)變量施肥控制軟件的核心部分，可以精準(zhǔn)地調(diào)控變量施肥試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行變量施肥作業(yè)。施肥調(diào)試模塊包括機(jī)具信息、施肥管理、施肥作業(yè)信息、設(shè)備信息等模塊。

1.5.1 機(jī)具信息

進(jìn)入機(jī)具信息模塊選擇相對(duì)應(yīng)的機(jī)具信息，如肥管數(shù)目、作業(yè)幅寬等；選擇完畢后，點(diǎn)擊確定按鈕進(jìn)行更新信息。機(jī)具信息界面如圖7所示。

圖7 機(jī)具信息界面

1.5.2 施肥管理

進(jìn)入到施肥管理模塊，首先選擇使用肥料的名稱與類(lèi)型，然后進(jìn)行總體目標(biāo)施肥量的選擇。本模塊設(shè)置了化肥類(lèi)型為N肥、P肥、K肥、W肥等4種肥料類(lèi)型供使用者進(jìn)行選擇，可供選擇的肥料分別為尿素、硝酸鈉、磷酸一銨、磷酸二銨、硫酸鉀及硫酸鋅等,如圖8所示。

圖8 施肥管理界面

1.5.3 施肥作業(yè)信息

在機(jī)具信息與施肥管理信息選擇完畢后，進(jìn)入施肥作業(yè)信息模塊就會(huì)出現(xiàn)如圖9所示的信息。施肥作業(yè)信息模塊的主要作用是直觀地顯示出所選擇化肥類(lèi)型、化肥名稱、肥管數(shù)量、化肥排量、目標(biāo)施肥量，以及用來(lái)觀測(cè)的實(shí)際施肥量等信息。

圖9 施肥作業(yè)信息界面

1.5.4 設(shè)備信息

在設(shè)備信息模塊中，可以直觀地觀測(cè)到所連接的變量施肥試驗(yàn)臺(tái)的通訊信息、作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)幅寬、地輪轉(zhuǎn)速、行駛速度及馬達(dá)轉(zhuǎn)速的信息，如圖10所示。地輪轉(zhuǎn)速、作業(yè)幅寬、作業(yè)狀態(tài)及實(shí)際馬達(dá)轉(zhuǎn)速都來(lái)源于變量施肥試驗(yàn)臺(tái)傳輸?shù)男畔?即通訊信息)。行駛速度可以取自GPS接收機(jī)的速度，也可以人為進(jìn)行修改。當(dāng)點(diǎn)擊啟動(dòng)作業(yè)按鈕時(shí)，機(jī)具開(kāi)始進(jìn)行作業(yè)，頁(yè)面中實(shí)際施肥量及實(shí)際馬達(dá)轉(zhuǎn)速根據(jù)行駛速度的改變和目標(biāo)施肥量的改變開(kāi)始發(fā)生改變；點(diǎn)擊停止，機(jī)具作業(yè)停止。

圖10 設(shè)備信息界面

1.6 變量施肥標(biāo)定模塊

變量施肥標(biāo)定模塊可以觀測(cè)肥料類(lèi)型、肥料名稱、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間、倒計(jì)時(shí)及實(shí)際轉(zhuǎn)速等信息。變量施肥標(biāo)定模塊是用來(lái)檢測(cè)軟件中所顯示的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速是否相同，以此來(lái)判定精準(zhǔn)變量施肥控制軟件能否精準(zhǔn)地控制機(jī)車(chē)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速；進(jìn)入變量施肥標(biāo)定模塊后，首先選擇肥料類(lèi)型和肥料名稱，然后選擇目標(biāo)轉(zhuǎn)速并輸入目標(biāo)值，最后設(shè)置運(yùn)行的時(shí)間。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕可以觀測(cè)實(shí)際馬達(dá)轉(zhuǎn)速的數(shù)值，以此與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)判定精準(zhǔn)變量施肥控制軟件能否精準(zhǔn)地控制機(jī)車(chē)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速。施肥標(biāo)定界面如圖11所示。

圖11 施肥標(biāo)定界面

1.7 變量施肥處方圖模塊

變量施肥處方圖模塊可以觀測(cè)調(diào)入軟件中處方圖的經(jīng)度、緯度、土壤養(yǎng)分含量及機(jī)車(chē)的行駛速度(輸出級(jí)別)。依據(jù)在變量施肥處方圖上的一定變量施肥處方圖界面，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到地圖上個(gè)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度及土壤養(yǎng)分含量等信息，如圖12所示。

圖12 變量施肥處方圖界面

首先選擇添加圖層調(diào)入變量施肥處方圖，選擇控制圖層和分組級(jí)別可以直觀地根據(jù)顏色看出在這一地塊中土壤養(yǎng)分的分布情況；點(diǎn)擊開(kāi)始作業(yè)按鈕，變量施肥試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)始模擬地塊進(jìn)行變量施肥作業(yè)；作業(yè)結(jié)束后，變量施肥試驗(yàn)臺(tái)停止工作，軟件后臺(tái)會(huì)對(duì)本次基于變量施肥處方圖的變量施肥作業(yè)進(jìn)行記錄，并將記錄圖保存在DATA文件夾中，名字為2017年12月22日9點(diǎn)55分31秒開(kāi)始作業(yè)記錄，文件類(lèi)別為MDB 文件。

1.8 記錄作業(yè)圖功能模塊

記錄作業(yè)圖功能模塊可以觀測(cè)調(diào)入軟件中作業(yè)記錄圖記錄的點(diǎn)數(shù)、經(jīng)度、緯度、施肥量最大值和最小值、變量施肥作業(yè)的行走路徑等信息，如圖13所示。

圖13 記錄作業(yè)圖界面

首先點(diǎn)擊打開(kāi)作業(yè)數(shù)據(jù)按鈕打開(kāi)記錄圖文件，選擇施肥量點(diǎn)擊繪制圖，軟件會(huì)根據(jù)變量施肥試驗(yàn)臺(tái)行走的路徑進(jìn)行繪制。如果想直觀地顯示，也可以點(diǎn)擊投影圖按鈕。隨著鼠標(biāo)在記錄圖上點(diǎn)的移動(dòng)，軟件會(huì)顯示出實(shí)時(shí)的點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、實(shí)際施肥量等信息(也可以通過(guò)觀察顏色來(lái)直觀判定施肥量得多少)。點(diǎn)擊回放按鈕，記錄圖界面會(huì)顯示變量施肥作業(yè)過(guò)程中從開(kāi)始作業(yè)到結(jié)束作業(yè)過(guò)程中每一個(gè)記錄點(diǎn)，最終合成行走路線(記錄圖)。

2 精準(zhǔn)變量施肥控制軟件測(cè)試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

變量施肥試驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，打開(kāi)施肥監(jiān)控系統(tǒng)及施肥控制器，將尿素裝入肥箱，將排肥軸動(dòng)力裝置連接液壓泵站，將排肥器的排肥口打開(kāi)，開(kāi)啟施肥控制器中的精準(zhǔn)變量施肥控制軟件；打開(kāi)串口與CAN口接收變量施肥試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)信息，分別為通訊信息、作業(yè)狀態(tài)、實(shí)際施肥量及地輪轉(zhuǎn)速等，進(jìn)入變量施肥調(diào)試界面設(shè)定肥料類(lèi)型、肥料名稱、肥管數(shù)量、化肥排量、目標(biāo)施肥量、作業(yè)幅寬及機(jī)車(chē)行駛速度等參數(shù)；點(diǎn)擊啟動(dòng)作業(yè)按鈕，變量施肥試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，排肥軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)始運(yùn)作5s之后、排肥器運(yùn)作穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。將排肥器的開(kāi)度定位55mm，開(kāi)啟施肥控制器進(jìn)入變量施肥調(diào)試界面進(jìn)行操作，設(shè)定機(jī)車(chē)行駛速度5km/h，在觸摸屏中利用觸摸筆進(jìn)行操作點(diǎn)擊，目標(biāo)施肥量數(shù)值改變。試驗(yàn)中，目標(biāo)施肥量調(diào)控范圍為300～450kg/hm2，運(yùn)行時(shí)間60s，排出的肥料名稱為尿素。最后，點(diǎn)擊啟動(dòng)作業(yè)按鈕，排肥軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)始運(yùn)作5s之后、排肥器運(yùn)作穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于尿素，當(dāng)排肥器的開(kāi)度定位在55mm，確定機(jī)車(chē)行駛速度為5km/h，改變目標(biāo)施肥量調(diào)整范圍在100～450kg/hm2，采集到變量施肥試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速數(shù)值。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，如表1、表2所示。

表1 目標(biāo)施肥量與馬達(dá)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

表2 回歸分析表

續(xù)表2

由表2可看出：顯著性為0，小于0.05。這說(shuō)明，目標(biāo)施肥量與馬達(dá)轉(zhuǎn)速之間有影響并且極顯著?；貧w分析表中的Beta值代表回歸系數(shù)，Beta值大于0.8，說(shuō)明方程線性相關(guān)。該數(shù)為0.946，大于0.8，說(shuō)明目標(biāo)施肥量與馬達(dá)轉(zhuǎn)速之間存在線性關(guān)系。

3 結(jié)論

編寫(xiě)了精準(zhǔn)變量施肥控制軟件，通過(guò)對(duì)軟件的性能和功能檢測(cè)，進(jìn)一步優(yōu)化，最終確定軟件核心功能符合本文設(shè)計(jì)的需求。精準(zhǔn)變量施肥控制軟件實(shí)現(xiàn)了CANCOM數(shù)據(jù)信息之間的轉(zhuǎn)換交流。試驗(yàn)結(jié)果表明：本精準(zhǔn)變量施肥控制軟件技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、操作方便，具有較高的控制精度，滿足設(shè)計(jì)要求。