基于4G的自動化施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 磊，陳開東，李 偉，張建峰

（無錫華普微電子有限公司，江蘇無錫214035）

1 引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的發(fā)展直接影響著中國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國的化肥使用量呈增長趨勢。化肥是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)量的主要要素，且化肥成本在總成本中占據(jù)的比重較大，我國化肥總產(chǎn)量占世界的16.6%，僅次于美國，居世界第2位，總施肥用量占世界的27.5%，居世界第1位[1]。但我國存在化肥利用率偏低和氮、磷、鉀及微量元素施用量比例失調(diào)等問題，未被利用的化肥一方面造成經(jīng)濟(jì)上的重大損失[2-3]，另一方面導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降、地下水污染等生態(tài)問題以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等問題，化肥的精準(zhǔn)化利用直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)出和農(nóng)民的收入以及環(huán)境的質(zhì)量。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的大方向，而自動化精準(zhǔn)施肥作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是解決上述問題的有效手段。自動化精準(zhǔn)施肥能根據(jù)不同地區(qū)、不同農(nóng)作物、不同的土壤和生長環(huán)境，全面平衡施肥量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。至今為止，國內(nèi)外已有許多專家學(xué)者對變量施肥技術(shù)做出了研究[4-15]，但同國外研究相比，中國的變量施肥技術(shù)還不成熟，化肥使用仍存在較多缺陷，因此，研究和開發(fā)自動化、智能化、精準(zhǔn)化的施肥機(jī)，對實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義和實(shí)用價值。

本文研究的是基于4G網(wǎng)絡(luò)與比例-積分-微分（Proportional Integral Differential，PID）算法[16-17]設(shè)計(jì)的自動化精準(zhǔn)施肥控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和微信平臺來實(shí)現(xiàn)施肥機(jī)的遠(yuǎn)程租賃、資源共享[18-19]。用戶可以通過對系統(tǒng)進(jìn)行不同的配置來實(shí)現(xiàn)施肥量的動態(tài)調(diào)整，即按需投入，可大大提高化肥的利用率，減少浪費(fèi)、降低對環(huán)境和食品安全的危害。整個系統(tǒng)具有操作簡單、施肥量可調(diào)范圍廣、控制性能穩(wěn)定可靠、控制精度較高等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

施肥控制系統(tǒng)如圖1所示，主要由按鈕總成、肥料監(jiān)測、主軸監(jiān)測、施肥電機(jī)、施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置、4G通訊模組、LCD顯示屏等部分組成。4G通訊原理如圖2所示，設(shè)備實(shí)物如圖3所示。

圖1 施肥控制系統(tǒng)

圖2 4G模組原理

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

施肥電機(jī)采用直流電機(jī)經(jīng)行星減速箱減速輸出，輸入電壓為9~24 V，對應(yīng)經(jīng)行星減速箱輸出的轉(zhuǎn)速為400 r/min，施肥電機(jī)采用恒扭矩控制方式，在電機(jī)尾端裝配轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)時監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測主要采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測齒數(shù)為20齒的齒輪，為保證其穩(wěn)定性（減小數(shù)值的跳動性），可采用計(jì)數(shù)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速監(jiān)測，主軸轉(zhuǎn)速即行駛速度。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)施肥控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)采用C語言，軟件上采用順序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，控制程序主要由初始化程序、主程序和中斷服務(wù)子程序組成。設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)流程

設(shè)備上電后首先進(jìn)行初始化，再從Flash中讀取參數(shù)配置，包含電機(jī)參數(shù)配置、肥料參數(shù)配置、設(shè)備金額、服務(wù)器的域名（IP）以及服務(wù)器端口號。初始化和參數(shù)加載完成后界面跳轉(zhuǎn)到主界面，設(shè)備通過配置的IP和端口號向服務(wù)器發(fā)送連接請求，如果連接不成功在配置界面顯示連接錯誤。同時施肥機(jī)等待施肥邏輯觸發(fā)并實(shí)時檢測參數(shù)配置輸入。主界面、配置界面和充值二維碼界面分別如圖5~7所示。

圖5 主界面

圖6 配置界面

圖7 充值二維碼界面

3.2 設(shè)備遠(yuǎn)程通信機(jī)制

底層通信協(xié)議采用TCP長連接，終端為客戶端，平臺為服務(wù)端，默認(rèn)監(jiān)聽端口9002。平臺可通過“通信參數(shù)設(shè)置”命令修改TCP服務(wù)端IP地址或端口。協(xié)議報文采用網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序（Big endia）。

平臺連接維護(hù)：

1)平臺與終端建立新的連接時，關(guān)閉與終端之前建立的連接；

2)平臺在連續(xù)5個心跳周期內(nèi)沒有收到終端數(shù)據(jù)，關(guān)閉當(dāng)前連接；

3)平臺在發(fā)送消息給終端時，如果檢測到鏈路異常，關(guān)閉當(dāng)前連接。

終端連接維護(hù)：

1)終端上電及通信模塊復(fù)位后，與平臺建立新的連接；

2)連接失敗后，終端每隔2 s后嘗試重新與平臺建立連接；

3)終端與平臺建立新的連接后，關(guān)閉之前的連接；

4)終端在發(fā)送消息給平臺時，如果檢測到鏈路異常，關(guān)閉當(dāng)前連接；

5)終端在達(dá)到重傳次數(shù)后，仍未收到應(yīng)答，關(guān)閉當(dāng)前連接。

3.3 設(shè)備充值系統(tǒng)

系統(tǒng)由前端應(yīng)用、后臺和終端設(shè)備組成。前端應(yīng)用包括微信小程序和業(yè)務(wù)管理Web客戶端。后臺包括在線支付系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、第三方系統(tǒng)接口、系統(tǒng)管理4個子系統(tǒng)，其中設(shè)備二維碼在線生成算法集成在設(shè)備系統(tǒng)中。

1)用戶通過微信掃碼可以自動觸發(fā)客戶服務(wù)微信小程序；

2)進(jìn)入微信小程序后，如果客戶名下只有一臺設(shè)備，小程序會自動進(jìn)入該設(shè)備的管理界面，如果客戶名下有多臺設(shè)備，小程序?qū)@示客戶設(shè)備清單，需要用戶在設(shè)備清單中選擇特定設(shè)備；

3)用戶選定設(shè)備后，預(yù)付費(fèi)界面顯示客戶姓名（或單位名稱）、聯(lián)系電話、設(shè)備編號、設(shè)備剩余工作時間、最近繳費(fèi)時間、最近繳費(fèi)金額等信息；

4)用戶可填寫本次采購金額（或采購作業(yè)時間）后發(fā)起訂單支付。

充值流程如圖8所示。

圖8 充值流程

3.4 施肥電機(jī)控制流程設(shè)計(jì)

設(shè)定好電機(jī)系數(shù)、程序系數(shù)、肥料參數(shù)、施肥量等作業(yè)參數(shù)后，啟動施肥機(jī)，在程序中通過定時器和外部中斷采集施肥機(jī)行駛速度。在尾部行程開關(guān)閉合的狀態(tài)下，單片機(jī)采集施肥機(jī)的行駛速度后，根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)并結(jié)合施肥公式計(jì)算出施肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，施肥電機(jī)控制流程如圖9所示。

圖9 施肥電機(jī)控制流程

施肥量精確度與施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速有著密切的聯(lián)系，電機(jī)通過皮帶帶動8路施肥螺桿完成施肥過程；試驗(yàn)過程中，根據(jù)計(jì)算出的驅(qū)動電機(jī)理論轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)時調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速誤差大于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)將減小輸出電壓占空比；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速誤差小于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)將增加輸出電壓占空比；系統(tǒng)通過PID控制算法對施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時調(diào)控，保證施肥量均勻。結(jié)合施肥量、施肥機(jī)行駛速度和施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算式如下：

式中：A為每公頃最大施肥量，單位kg/hm2（1 hm2=10000 m2）；Vmax為施肥電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位r/min；B為用戶設(shè)置每公頃施肥量，單位kg/hm2；D為施肥電機(jī)系數(shù)；C為程序匹配系數(shù)；F為肥料參數(shù)；V1為主軸監(jiān)測的實(shí)時行駛速度，單位km/h；VN為主軸的最高行駛速度，單位km/h。

4 測試與分析

4.1 施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速采集

為了測試系統(tǒng)的施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速采集準(zhǔn)確性，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生方波控制施肥電機(jī)轉(zhuǎn)動，利用示波器實(shí)時監(jiān)控施肥電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動齒輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的霍爾信號頻率，來計(jì)算施肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算式如下：

式中：fH為霍爾頻率，單位Hz；P為齒輪的極對數(shù)。

試驗(yàn)過程中，使用極對數(shù)為10的齒輪，施肥電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動1 min后取平均值，根據(jù)示波器采樣頻率并結(jié)合公式進(jìn)行計(jì)算得出實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過實(shí)際轉(zhuǎn)速與采集轉(zhuǎn)速計(jì)算后得出采樣準(zhǔn)確率。準(zhǔn)確率=1-|(采集轉(zhuǎn)速-實(shí)際轉(zhuǎn)速)|/實(shí)際轉(zhuǎn)速，從表1可知，總體的采樣準(zhǔn)確率為99.33%。

表1 施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速采集試驗(yàn)結(jié)果

4.2 施肥電機(jī)控制精度試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，將施肥量分別設(shè)置成225 kg/hm2和405 kg/hm2，利用電機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動來模擬行駛速度，范圍為0.3~4.5 km/h。設(shè)定每公頃最大施肥量為675 kg/hm2，施肥電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為400 r/min，施肥電機(jī)系數(shù)為1，程序匹配系數(shù)為1，肥料參數(shù)為1，主軸的最高行駛速度為5.4 km/h，連續(xù)轉(zhuǎn)動時間為1 min，通過公式計(jì)算得出理論轉(zhuǎn)速，并與實(shí)際施肥轉(zhuǎn)速計(jì)算后得出施肥準(zhǔn)確率。

準(zhǔn)確率=1-|(實(shí)際施肥轉(zhuǎn)速-理論施肥轉(zhuǎn)速)|/理論施肥轉(zhuǎn)速，從表2可知，當(dāng)施肥量設(shè)置值為225 kg/hm2，施肥的準(zhǔn)確率平均值為95.06%；當(dāng)施肥量設(shè)置值為405 kg/hm2，施肥的準(zhǔn)確率平均值為98.90%?？傮w的平均施肥準(zhǔn)確率經(jīng)計(jì)算為96.98%，誤差平均值為3.02%，系統(tǒng)控制精度較穩(wěn)定。

表2 施肥電機(jī)控制精度試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一款4G自動化施肥機(jī)，試驗(yàn)表明，自動化施肥機(jī)操作簡單，同時能根據(jù)余額狀況實(shí)現(xiàn)是否進(jìn)行停機(jī)操作并自動彈出充值界面提醒充值；在施肥電機(jī)控制精度試驗(yàn)中得出實(shí)際與標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速偏差均值在3.02%，說明系統(tǒng)在作業(yè)時能根據(jù)行駛速度實(shí)時調(diào)整施肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且施肥電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望的目標(biāo)轉(zhuǎn)速基本一致，滿足系統(tǒng)精準(zhǔn)施肥的要求。目前國內(nèi)的化肥利用率仍遠(yuǎn)低于部分發(fā)達(dá)國家，在這一領(lǐng)域的國產(chǎn)自動化設(shè)計(jì)仍需繼續(xù)努力。