稻麥變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

戚武振，王金星，b，劉雙喜,b， 王玉亮,b，王 震，趙庚星

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) a.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械與電子工程學(xué)院；c.資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

精準(zhǔn)施肥是精細(xì)農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)施肥方式習(xí)慣在種植區(qū)大面積施用相同類型和劑量的肥料，不僅會(huì)造成燒種、燒苗和肥料浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生一系列環(huán)境污染問(wèn)題。因此，應(yīng)根據(jù)不同地塊、不同土壤和不同作物生長(zhǎng)環(huán)境的需要，采取變量施肥。變量施肥技術(shù)根據(jù)小尺度田塊之間的地力和作物長(zhǎng)勢(shì)差異，施以不同數(shù)量和配比的肥料，從而減少施肥量，提高肥料利用率[1]。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，變量施肥技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快，已經(jīng)商品化的有美國(guó)John Deere公司的變量撒肥機(jī)、Case公司的Flexi Soil變量施肥播種機(jī)等[2-3]。國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始對(duì)變量施肥技術(shù)進(jìn)行關(guān)注和引入。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在變量施肥技術(shù)的示范研究方面發(fā)展速度較快。吉林大學(xué)研制了以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)、基于IC卡的手動(dòng)/自動(dòng)變量施肥機(jī)；上海交通大學(xué)研制了基于GPRS的變量施肥機(jī)；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)采用電控機(jī)械無(wú)級(jí)變速器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制出大豆精密播種施肥機(jī)。然而，國(guó)內(nèi)外研制的變量施肥機(jī)大多采用RS232總線，導(dǎo)致系統(tǒng)接線繁雜，各個(gè)模塊的通用不強(qiáng)、可靠性和兼容性差，且沒(méi)有形成成熟的肥料施入控制技術(shù)體系和商業(yè)化的產(chǎn)品[4-7]。為此，針對(duì)國(guó)內(nèi)稻麥變量施肥機(jī)械存在的問(wèn)題，圍繞施肥變量控制，主要從機(jī)械結(jié)構(gòu)、施肥模型建立和上、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行研究，完成了基于CAN總線通訊的稻麥變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為我國(guó)智能化稻麥變量施肥機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、車載工控機(jī)和各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

其中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器內(nèi)部包含變量施肥專家決策系統(tǒng)和處方圖管理系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過(guò)GPRS模塊與車載工控機(jī)通訊，為車載工控機(jī)提供處方圖和施肥決策實(shí)時(shí)下載服務(wù)。車載工控機(jī)由一臺(tái)索奇T1510工業(yè)控制機(jī)組成，搭載由Visual Studio 2010編寫(xiě)的上位機(jī)界面程序和GIS系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，車載工控機(jī)從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載當(dāng)前作業(yè)地塊的變量施肥處方圖和變量施肥專家決策，并通過(guò)CAN總線通訊模塊獲取GPS定位、機(jī)具行進(jìn)速度等下位機(jī)節(jié)點(diǎn)信息，結(jié)合處方圖和變量施肥模型，計(jì)算當(dāng)前位置施肥量，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變外槽輪排肥器中外槽輪開(kāi)度，進(jìn)行變量施肥作業(yè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、外槽輪開(kāi)度檢測(cè)系統(tǒng)及排肥軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)3個(gè)部分。

2.1 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)以普菲德86BYG250B步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)排肥軸做軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變外槽輪開(kāi)度。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，關(guān)鍵部件包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠—排肥軸連接機(jī)構(gòu)和花鍵副。絲杠—排肥軸連接機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1.肥料箱 2.機(jī)架 3.位移傳感器 4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.步進(jìn)電機(jī) 6.絲杠—排肥軸連接機(jī)構(gòu) 7.外槽輪排肥器 8.霍爾傳感器 9.條型磁鋼 10.排肥軸 11.花鍵副

1.外殼 2.墊圈 3.排肥軸端推力軸承 4.排肥軸連接端 5.絲杠端推力軸承 6.端蓋 7.絲杠連接端

圖3中，通過(guò)兩個(gè)推力軸承將絲杠和排肥軸連接在一起，使得兩部分轉(zhuǎn)動(dòng)互不影響。同時(shí)，可以通過(guò)絲杠端對(duì)排肥軸施加軸向力，達(dá)到調(diào)節(jié)外槽輪開(kāi)度的目的。排肥軸另一端通過(guò)花鍵副和軸承座固定在機(jī)架上，減小了排肥軸軸向運(yùn)動(dòng)的阻力，提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的靈活性[8-11]。

機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)蝸桿傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)，最終控制絲杠實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)外槽輪開(kāi)度。本文所用STC89C52RC單片機(jī)的晶振頻率為11.059 2MHz，則時(shí)鐘周期為1/11.059 2MHz，約為90ns。每12個(gè)時(shí)鐘周期為1個(gè)機(jī)器周期，故1個(gè)機(jī)器周期約為1μs。在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，采用以自增語(yǔ)句為主體的延時(shí)程序作為脈沖高低電平之間的時(shí)間間隔，執(zhí)行自增語(yǔ)句所用時(shí)間為1個(gè)機(jī)器周期(即1μs)，通過(guò)調(diào)節(jié)延時(shí)長(zhǎng)短即可調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。為使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)舒適，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)細(xì)分為每轉(zhuǎn)3 600個(gè)脈沖，設(shè)定延時(shí)為30個(gè)機(jī)器周期，則控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖周期為60μs，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速vf為

(1)

式中T—單片機(jī)輸出的脈沖周期；

N—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈所需要的脈沖數(shù)。

根據(jù)蝸桿傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)，可得絲杠軸向運(yùn)動(dòng)速度vs為

vs=vf·I·P

(2)

式中I—蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比；

P—絲杠螺距。

本文選用的蝸桿傳動(dòng)比為1:8，絲杠螺距為4mm。帶入數(shù)據(jù)，得外槽輪開(kāi)度調(diào)節(jié)速度為2.31mm/s。外槽輪開(kāi)度的調(diào)節(jié)范圍為0～50mm，為便于控制，將調(diào)節(jié)行程分為17個(gè)擋位，每3mm為1個(gè)擋位進(jìn)行變量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)1個(gè)擋位用時(shí)1.3s，響應(yīng)迅速，近似于無(wú)極變量調(diào)節(jié)。

2.2 排肥軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變量作業(yè)時(shí)只對(duì)外槽輪開(kāi)度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)由地輪帶動(dòng)。外槽輪轉(zhuǎn)速受地輪滑移率等因素影響，地輪滑移率又受到播種施肥機(jī)的質(zhì)量、地輪直徑、地輪寬度、農(nóng)田平整程度和土壤屬性等因素影響。由于影響因素較多，外槽輪轉(zhuǎn)速不易通過(guò)計(jì)算獲得，因此本文通過(guò)排肥軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得外槽輪轉(zhuǎn)速。

排肥軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)采用霍爾傳感器，配合條形磁鋼作為脈沖發(fā)生器，如圖4所示。在排肥軸表面，沿徑向方向每隔120°設(shè)置條形磁鋼，排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，條形磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾傳感器探頭引發(fā)磁場(chǎng)變化，進(jìn)而產(chǎn)生脈沖；單片機(jī)通過(guò)外部中斷接收脈沖信息配合定時(shí)器功能計(jì)算出排肥軸轉(zhuǎn)速[12]。因排肥軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，將磁鋼做成條形，即使排肥軸發(fā)生軸向移動(dòng)，磁鋼仍在霍爾傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)。

圖4 轉(zhuǎn)速傳感器安裝示意

2.3 外槽輪開(kāi)度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到田間工作環(huán)境下?lián)P塵和振動(dòng)劇烈等惡劣情況，開(kāi)度檢測(cè)系統(tǒng)采用電位器式位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)。相比于紅外測(cè)距傳感器、超聲波測(cè)距傳感器等非接觸式傳感器，電位器式位移傳感器能夠減少由灰塵遮擋、機(jī)械振動(dòng)等情況產(chǎn)生的誤差，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量[13]。圖2中，電位器式位移傳感器固定端固定在肥料箱上，可伸縮的拉桿一端通過(guò)連接件固定在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的絲杠上，隨絲杠做軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而間接檢測(cè)外槽輪的軸向移動(dòng)情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 排肥量數(shù)學(xué)模型建立

(3)

式中q—外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周轉(zhuǎn)排肥量(g/r)；

vn—外槽輪轉(zhuǎn)速(r/s)；

z—外槽輪排肥器個(gè)數(shù)；

w—機(jī)具作業(yè)幅寬(m)；

v—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)1周的排肥量為[15]

(4)

式中D—外槽輪直徑(mm)；

L—外槽輪開(kāi)度(mm)；

γ—肥料容重(g/mm3)；

在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)體系中，計(jì)算部分的知識(shí)內(nèi)容是極其關(guān)鍵的，同時(shí)亦是小學(xué)數(shù)學(xué)課堂的教學(xué)難點(diǎn)所在。在實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，數(shù)學(xué)教師在講授這部分知識(shí)內(nèi)容時(shí)往往是大費(fèi)周章，而學(xué)生卻會(huì)感覺(jué)這部分知識(shí)內(nèi)容毫無(wú)生趣。這就要求小學(xué)數(shù)學(xué)教師必須注重對(duì)教輔工具的開(kāi)發(fā)，以便能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生厭煩感和抵觸情緒。以多媒體計(jì)算為代表的信息計(jì)算手段恰好可以滿足小學(xué)數(shù)學(xué)教師的需要，原因在于多媒體計(jì)算有著豐富的音頻、視頻功能，不但能夠更為直觀地展示教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)對(duì)小學(xué)生的吸引力也是不言而喻的。

α(vn)—肥料對(duì)凹槽的充滿系數(shù)，與轉(zhuǎn)速有關(guān)；

f—凹槽端面積(mm2)；

t—槽齒間節(jié)距(mm)；

C(vn)—帶動(dòng)層特性系數(shù)，與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

由公式(4)可以看出：在外槽輪排肥器制作材料、外形尺寸及肥料種類一定的情況下，排肥器的排肥量只與外槽輪開(kāi)度和轉(zhuǎn)速有關(guān)[15]。利用圖5所示的試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)排肥器排肥量進(jìn)行標(biāo)定，并通過(guò)MatLab數(shù)據(jù)處理，將方程(4)簡(jiǎn)化為單圈排肥量關(guān)于外槽輪開(kāi)度和轉(zhuǎn)速兩個(gè)變量的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用到方程(3)中。

1.肥料箱 2.支架 3.外槽輪排肥器 4.導(dǎo)肥管 5.集肥箱 6.滑動(dòng)導(dǎo)軌 7.步進(jìn)電機(jī)底座 8.步進(jìn)電機(jī)

標(biāo)定試驗(yàn)采用稻麥基肥常用的尿素作為試驗(yàn)肥料，肥料粒徑1.0～4.75mm占90%以上，容重0.1～0.35g/cm3。標(biāo)定時(shí)，采用步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)外槽輪轉(zhuǎn)速，通過(guò)帶有刻度的滑動(dòng)導(dǎo)軌調(diào)節(jié)外槽輪開(kāi)度。分別設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速和開(kāi)度，收集20s內(nèi)排出的肥料，稱重并計(jì)算外槽輪單圈排肥量。計(jì)算公式為

(5)

式中G—20s內(nèi)排出的肥料(g)。

排肥器單圈排肥量標(biāo)定數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 排肥器單圈排肥量標(biāo)定數(shù)據(jù)

以外槽輪開(kāi)度和轉(zhuǎn)速為自變量、外槽輪單圈排肥量為因變量，利用MatLab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多形式逼近，擬合方程為

q=2.076+2.02L-1.774vn-0.004333L2-

(6)

擬合方程確定系數(shù)達(dá)到0.997 3，擬合度較高，能夠表示外槽輪單圈排肥量和開(kāi)度、轉(zhuǎn)速的關(guān)系。將方程(6)帶入方程(3)，并利用MatLab對(duì)L求解，得到外槽輪排肥器開(kāi)度關(guān)于轉(zhuǎn)速等其他變量的關(guān)系式為

L=f(Q,vn,z,w,v)

(7)

其中，變量w和z都是已知，只需在施肥作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)外槽輪轉(zhuǎn)速vn、機(jī)具行進(jìn)速度v，并通過(guò)GIS和專家決策系統(tǒng)獲取排肥器在當(dāng)前地塊區(qū)域的需肥量Q，即可求出預(yù)期外槽輪開(kāi)度，進(jìn)而通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3.2 CAN總線通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CAN總線通訊系統(tǒng)主要分為一個(gè)上位機(jī)節(jié)點(diǎn)和4個(gè)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)節(jié)點(diǎn)為車載工控機(jī)節(jié)點(diǎn)，下位機(jī)節(jié)點(diǎn)包括排肥軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、位移傳感器節(jié)點(diǎn)、GPS定位節(jié)點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)。車載工控機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB轉(zhuǎn)CAN模塊，實(shí)現(xiàn)車載工控機(jī)USB總線和CAN總線的數(shù)據(jù)交互。下位機(jī)節(jié)點(diǎn)采用STC89C52RC單片機(jī)作為核心控制單元，配合CAN接口電路，實(shí)現(xiàn)與車載工控機(jī)實(shí)時(shí)通信。各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)大同小異，圖6中以位移傳感器節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明[16]。

圖6 CAN總線位移傳感器節(jié)點(diǎn)

CAN總線通訊協(xié)議中采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀兩種報(bào)文，報(bào)文格式如圖7所示。仲裁字段中包含11位ID號(hào)(也稱識(shí)別符)，用來(lái)區(qū)別各組成節(jié)點(diǎn)并配置各節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)。數(shù)據(jù)幀包含64位數(shù)據(jù)字段，用來(lái)存儲(chǔ)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀用來(lái)發(fā)送請(qǐng)求命令，不用傳輸數(shù)據(jù)，沒(méi)有數(shù)據(jù)字段。各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀傳遞數(shù)據(jù)，車載工控機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀向各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求反饋數(shù)據(jù)。根據(jù)CAN總線通訊的特點(diǎn)，各組成節(jié)點(diǎn)不分主從，最先訪問(wèn)總線的節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送權(quán)[17]。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)總線，則通過(guò)仲裁機(jī)制，判定報(bào)文ID號(hào)小的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)送，其他節(jié)點(diǎn)暫時(shí)退出總線。因此，控制系統(tǒng)將車載工控機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，ID號(hào)后8位為0x01。根據(jù)控制要求，各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)由高到低依次為排肥軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、位移傳感器節(jié)點(diǎn)、GPS定位節(jié)點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)。

圖7 報(bào)文格式

3.3 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)即車載工控機(jī)軟件程序采用Visual studio 2010編寫(xiě)，主要包含人機(jī)交互界面程序和GIS系統(tǒng)。該軟件主要負(fù)責(zé)采集GPS、轉(zhuǎn)速傳感器等各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)信息，計(jì)算變量施肥需要調(diào)節(jié)的開(kāi)度，將調(diào)節(jié)指令發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)節(jié)點(diǎn)[18-21]。軟件界面如圖8所示，程序流程如圖9所示。

田間作業(yè)開(kāi)啟系統(tǒng)后，首先進(jìn)入地塊管理界面，通過(guò)GPRS訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載當(dāng)前地塊的施肥處方圖和專家施肥決策；其次，系統(tǒng)通過(guò)CAN總線，給GPS節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，向GPS節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求定位信息；收到位置信息后，通過(guò)GIS系統(tǒng)獲得當(dāng)前位置施肥量信息；最后，系統(tǒng)向各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求外槽輪轉(zhuǎn)速、機(jī)具行進(jìn)速度等信息，收到反饋數(shù)據(jù)后，帶入公式(7)得到外槽輪開(kāi)度。系統(tǒng)將計(jì)算出的外槽輪開(kāi)度換算成擋位信息，并將擋位信息通過(guò)CAN總線傳遞給步進(jìn)電機(jī)節(jié)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)節(jié)點(diǎn)為閉環(huán)控制，控制流程如圖10所示。首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，使外槽輪開(kāi)度調(diào)節(jié)到初始位置；步進(jìn)電機(jī)節(jié)點(diǎn)核心控制單元通過(guò)CAN總線向上位機(jī)發(fā)送指令，請(qǐng)求下一次擋位數(shù)據(jù)；步進(jìn)電機(jī)節(jié)點(diǎn)每次收到擋位信息，都和前一次擋位信息進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)對(duì)比情況，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作[22-24]。

圖8 上位機(jī)軟件界面

圖9 上位機(jī)軟件工作流程圖

圖10 下位機(jī)工作流程圖

4 試驗(yàn)

為檢測(cè)上位機(jī)軟件的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性、各信息采集節(jié)點(diǎn)的可靠性、變量施肥機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度和響應(yīng)準(zhǔn)確度、CAN總線通訊的實(shí)時(shí)性與可靠性，進(jìn)行變量施肥田間試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

4.1 試驗(yàn)條件

2017年11月6號(hào)，試驗(yàn)在山東省淄博市桓臺(tái)縣荊家鎮(zhèn)荊四村試驗(yàn)田進(jìn)行(坐標(biāo)：北緯N37°03′74.62″，東經(jīng)E117°99′57.79″)。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)300m，寬100m，地勢(shì)平坦，前茬作物為玉米，秸稈經(jīng)過(guò)還田機(jī)粉碎還田。試驗(yàn)設(shè)備主要包括：稻麥免耕播種變量施肥機(jī)；東方紅—LX1254拖拉機(jī)(其上搭載GPS導(dǎo)航設(shè)備)，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為720r/min；高精度電子天平，精度為0.01g；采用稻麥基肥常用的尿素作為試驗(yàn)肥料，肥料粒徑1.0～4.75mm占90%以上；塑料桶和皮卷尺等。

圖11 田間試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)方法

首先進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，對(duì)排肥器排肥精度和各行之間排肥量變異系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)，農(nóng)機(jī)具不進(jìn)地，利用液壓系統(tǒng)將農(nóng)機(jī)具提升，人力轉(zhuǎn)動(dòng)地輪。設(shè)定施肥擋位為第10擋，轉(zhuǎn)動(dòng)地輪40圈，分別用塑料桶接取單個(gè)導(dǎo)肥管通過(guò)的肥料并稱量，共進(jìn)行8組試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。

靜態(tài)試驗(yàn)完成后，進(jìn)行田間試驗(yàn)。啟動(dòng)變量施肥控制系統(tǒng)，將當(dāng)前地塊施肥處方圖導(dǎo)入GIS系統(tǒng)。開(kāi)始變量施肥作業(yè)后，拖拉機(jī)以時(shí)速6.8kmn/h行進(jìn)；通過(guò)后臺(tái)運(yùn)行MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，每隔1s記錄1組變量施肥實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)包括當(dāng)前坐標(biāo)位置、機(jī)具行進(jìn)速度、當(dāng)前位置需肥量、實(shí)時(shí)施肥量、實(shí)時(shí)施肥擋位、排肥軸轉(zhuǎn)速及外槽輪開(kāi)度等信息。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知：各行排肥器中，排肥量變異系數(shù)最大為1.78%，符合各行排肥量之間變異系數(shù)小于5%的設(shè)計(jì)要求。

取田間試驗(yàn)時(shí)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，任取其中255個(gè)采樣點(diǎn)(即時(shí)長(zhǎng)為255s)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括行進(jìn)速度、排肥軸轉(zhuǎn)速、實(shí)際施肥開(kāi)度等信息，帶入公式(7)，求出實(shí)時(shí)施肥量，并和需肥量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖12所示。

表2 各行變異系數(shù)

由圖12中可知：實(shí)時(shí)施肥量沿需肥量變化趨勢(shì)成階梯狀變化，出現(xiàn)這種階梯變化是施肥擋位換擋導(dǎo)致的；同一施肥擋位施肥過(guò)程中施肥量基本穩(wěn)定。將施肥過(guò)程按照不同施肥檔位劃分施肥階段，分別對(duì)不同施肥階段內(nèi)的施肥量進(jìn)行積分，積分函數(shù)為

(8)

式中G積—某施肥擋位階段內(nèi)施肥量積分；

n—某施肥擋位持續(xù)的施肥點(diǎn)個(gè)數(shù)；

xi—第i個(gè)施肥點(diǎn)；

yi—第i個(gè)施肥點(diǎn)的施肥量或需肥量。

積分結(jié)果如表3所示。由表3可以看出：施肥相對(duì)誤差最大為2.57%，變量施肥精準(zhǔn)度達(dá)到97%以上，符合變量施肥設(shè)計(jì)要求。田間試驗(yàn)過(guò)程中，上位機(jī)軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集精確、及時(shí)，CAN總線通訊快速、穩(wěn)定，開(kāi)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)響應(yīng)迅速、定位準(zhǔn)確。

圖12 需肥量和實(shí)時(shí)施肥量對(duì)比Fig.12 Comparison of the amount of fertilizer requirement and the amount of real time fertilizer

表3 各施肥階段誤差情況

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種稻麥變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)GPS模塊采集位置信息，結(jié)合施肥處方圖，獲得當(dāng)前位置需肥量。通過(guò)標(biāo)定、推導(dǎo)得出變量施肥模型，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)外槽輪開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定量、按需施肥。

2)以CAN總線通訊作為現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)通信。各節(jié)點(diǎn)都由單獨(dú)的單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了模塊化，便于功能的擴(kuò)展和完善。機(jī)械結(jié)構(gòu)響應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，便于生產(chǎn)和推廣。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，作業(yè)準(zhǔn)確，各行排肥器之間變異系數(shù)小于5%，變量施肥精度達(dá)97%以上，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足農(nóng)藝要求。