基于LoRa通信的種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器

摘要：

高壓靜電場(chǎng)技術(shù)是一種新型的種子處理方法，在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收中發(fā)揮著重要作用。然而，已有的種子處理裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，無(wú)法保障操作人員的使用安全。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)一種安全性更高、遠(yuǎn)程智能的種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器。采用單片機(jī)作為控制中樞，由鍵盤、計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，在高壓電路部分，設(shè)計(jì)高壓激勵(lì)級(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和升壓電路實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的靜電高壓。針對(duì)高壓靜電場(chǎng)的放電現(xiàn)象，進(jìn)行特殊的防護(hù)設(shè)計(jì)，提高操作安全性。針對(duì)高壓靜電場(chǎng)的電磁干擾，采用LoRa通信技術(shù)和一種新穎的New-ACP算法，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的遠(yuǎn)程控制。測(cè)試結(jié)果表明，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)測(cè)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度，通信丟包率在10%以內(nèi)，裝置已在黑龍江省慶安縣等地進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)試用。

關(guān)鍵詞：高壓靜電場(chǎng)；種子處理；LoRa通信；遠(yuǎn)程控制；New-ACP算法

中圖分類號(hào)：S12； TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 01-0138-06

Seed high-voltage electrostatic field generator based on LoRa communication

Wang Junfu¹， Liu Xiaoping¹， Qu Le¹， Sun Chongye¹， Wang Xiaoyu¹， Guo Wenkui²

（1. Harbin Power Supply Company， State Grid Heilongjiang Eletric Power Co.， Ltd.， Harbin， 150090， China；

2. College of Food Science， Northeast Agricultural University， Harbin， 150030， China）

Abstract：

High voltage electrostatic field technology is a new seed treatment method that plays an important role in increasing agricultural production and income. However， the existing seed processing devices are designed simply and cannot guarantee the safety of operators. A seed high-voltage electrostatic field generator with higher safety and remote intelligence has been designed to address this issue. Using a microcontroller as the control center， control instructions are sent from the keyboard and remote computer. In the high-voltage circuit section， a high-voltage excitation stage， an output drive stage， and a boost circuit are designed to achieve adjustable electrostatic high voltage. Special protective designs have been made to address the discharge phenomenon in high-voltage electrostatic fields， further improving operational safety. In response to electromagnetic interference from high-voltage electrostatic fields， LoRa communication technology and a novel New-ACP algorithm were adopted to achieve safe and stable remote control. The test results show that the device operates stably， the measured temperature is lower than the standard temperature， and the communication packet loss rate is within 10%. The device has been tested in field experiments in Qing，an County， Heilongjiang Province and other places.

Keywords：

high voltage electrostatic field; seed processing; LoRa; remote control; New-ACP algorithm

0"引言

種子處理是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的一種重要手段^［1］。種子處理通常采用物理、生物、化學(xué)方法^［2］，在播種前提高種子的生理活性，抑制病菌、蟲害等對(duì)種子發(fā)芽的不利影響，提升作物品質(zhì)。高壓靜電場(chǎng)技術(shù)是近年來(lái)興起的一種新型的種子處理的物理方法，具有技術(shù)簡(jiǎn)單、設(shè)備使用便捷、可重復(fù)利用、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在保障農(nóng)產(chǎn)品豐收、提高蔬菜水果品質(zhì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

如何使用高壓靜電場(chǎng)技術(shù)影響種子的生命活動(dòng)，進(jìn)而提高種子的活力，該項(xiàng)研究受到了科技工作者的高度重視，并對(duì)各個(gè)品種的農(nóng)作物種子、蔬菜水果種子進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)。在高壓靜電場(chǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)作物種子進(jìn)行處理的研究中，陳立才等^［3］通過使用不同強(qiáng)度的勻強(qiáng)高壓靜電場(chǎng)對(duì)水稻種子進(jìn)行不同的時(shí)間處理，試驗(yàn)得出，采用300 kV/m的高壓靜電場(chǎng)、處理時(shí)間為2 min，對(duì)水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)等生理指標(biāo)具有最明顯的促進(jìn)作用。黃洪云等^［4］使用不同梯度的靜電場(chǎng)處理強(qiáng)度和處理時(shí)間，對(duì)小麥干種子進(jìn)行處理，試驗(yàn)得出，在4.5 kV/cm、10 min的高壓靜電場(chǎng)處理?xiàng)l件下，小麥幼苗的各項(xiàng)抗寒性指標(biāo)為最佳。李宸等^［5］采用4.0 kV/cm、60 min的高壓靜電場(chǎng)處理?xiàng)l件，對(duì)高粱種子在脫水干燥前進(jìn)行預(yù)處理，試驗(yàn)得出，經(jīng)電場(chǎng)預(yù)處理的高粱種子，在發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)中具有更好表現(xiàn)，高壓靜電場(chǎng)可有效緩解高溫快速脫水對(duì)種子的危害。在高壓靜電場(chǎng)技術(shù)對(duì)蔬菜水果種子進(jìn)行處理的研究中，郭龍芳等^［6］使用不同電壓和處理時(shí)間，對(duì)干濕兩種類型的沙蔥種子進(jìn)行處理，試驗(yàn)得出，高壓靜電場(chǎng)對(duì)干濕種子發(fā)芽率的影響效果是不一致的，并且，15 kV電壓處理15 min為最佳處理?xiàng)l件。陳建中等^［7］使用均勻梯度的靜電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間，對(duì)番茄陳種子進(jìn)行處理，試驗(yàn)得出，適宜的處理?xiàng)l件可以提高番茄陳種子的萌發(fā)活力，靜電場(chǎng)強(qiáng)度為365.0 kV/m，處理時(shí)間為31.9 min組合是促進(jìn)番茄陳種子萌發(fā)的最適宜組合。雖然，合理使用高壓靜電場(chǎng)可以提高種子的生理指標(biāo)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，但不同作物之間沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的最佳靜電場(chǎng)處理?xiàng)l件，因此，亟需研發(fā)新型的種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器，進(jìn)而促進(jìn)對(duì)種子高壓靜電場(chǎng)處理方法的研究。

在使用高壓靜電場(chǎng)技術(shù)對(duì)高粱種子^［5］、沙蔥種子^［6］和雜糧種子^［8］進(jìn)行處理時(shí)，科研人員均采用了自制的高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器試驗(yàn)裝置，由高壓電源、金屬金屬板、塑料絕緣棒組成。然而，以上所設(shè)計(jì)的裝置沒有考慮到高壓靜電場(chǎng)所具有的放電現(xiàn)象，不能保障科研人員在進(jìn)行試驗(yàn)操作時(shí)的安全性。在對(duì)高壓靜電電源的研究中，高振東^［9］設(shè)計(jì)了一種可連續(xù)輸出0～60 kV的植物種子處理高壓靜電電源，滿足播種前種子處理的靜電場(chǎng)需求，但沒有考慮到放電現(xiàn)象對(duì)操作人員的危害。付喜錦^［10］設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)種子充高壓靜電的數(shù)控電源，具有AT24L01無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制，操作人員在遠(yuǎn)處操作試驗(yàn)裝置，在一定程度上保障了人員安全。然而，AT24LO1模塊穿透性不強(qiáng)、抗電磁干擾能力差，該電源沒有考慮到高壓靜電場(chǎng)中電磁干擾對(duì)無(wú)線通信的影響，也沒有實(shí)地測(cè)試AT24LO1模塊在高壓靜電場(chǎng)中通信的可靠性。

本文針對(duì)已有種子處理高壓靜電電源安全性不足的問題，設(shè)計(jì)一種新型的安全性更高、遠(yuǎn)程智能的便攜式種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器，為后續(xù)高壓靜電場(chǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1"系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器總體方案的設(shè)計(jì)框架如圖1所示。在控制部分，中央控制電路控制整個(gè)處理機(jī)的工作，讀取鍵盤送來(lái)的控制信號(hào)及時(shí)間信息，然后把工作狀態(tài)、設(shè)置的參數(shù)等信息傳輸至顯示電路，供操作人員確認(rèn)。確認(rèn)啟動(dòng)后，根據(jù)控制信號(hào)發(fā)出相應(yīng)操作，控制整個(gè)處理機(jī)的工作，包括高壓的啟動(dòng)與停止，進(jìn)行聲光報(bào)警提示和異常情況監(jiān)控。通信部分是指LoRa無(wú)線通信，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)，操作人員可以遠(yuǎn)程下行發(fā)送控制指令至發(fā)生器，發(fā)生器也可以上行發(fā)送狀態(tài)信息至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程雙向傳輸。在電路部分，振蕩電路提供一個(gè)穩(wěn)定的振蕩源使高壓部分起震，然后通過改變驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)調(diào)節(jié)高壓端的靜電高壓值，倍壓整流電路不僅可以將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，且在一定的變壓器副變電壓之下，得到高出若干倍的直流電壓。

2"硬件設(shè)計(jì)

2.1"關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1.1"靜電高壓激勵(lì)級(jí)電路

靜電高壓激勵(lì)級(jí)電路的作用是將振蕩電路送來(lái)的脈沖電壓進(jìn)行功率放大和波形整形，以足夠的功率去推動(dòng)開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)。激勵(lì)管截止瞬間，輸出管并不能立刻導(dǎo)通，因而仍會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，但由于振蕩短促，僅在激勵(lì)管截止后和輸出管導(dǎo)通前瞬間，振蕩能量不很強(qiáng)，可用阻尼電路消除。阻尼吸收電路如圖2所示。其中，C2、R2為阻尼吸收電路，BG1為激勵(lì)管，out端接輸出管基極，T1為激勵(lì)變壓器。由于電路中通過C2接入電阻R2使諧振回路處于阻尼狀態(tài)，從而有效地消除振蕩。R3越小，阻尼作用越強(qiáng)，如果不接電容C2而只將R2接入T1回路中，R3將消耗電源功率，C2的接入起隔直流作用，防止了這種消耗，且不影響高頻振蕩的阻尼電路。另外，R3有調(diào)節(jié)激勵(lì)級(jí)功率的大小，也有阻尼激勵(lì)級(jí)高頻寄生振蕩的作用，R3越大，阻尼作用越強(qiáng)，但會(huì)出現(xiàn)激勵(lì)功率不足，使輸出管飽和不深，壓降大，損耗大；R3過小，又會(huì)使激勵(lì)電流過強(qiáng)，輸出管飽和過深，使截止時(shí)間過長(zhǎng)，截止損耗過大。

2.1.2"輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)電路

圖3為輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)電路原理圖，其中BG為輸出管，D為阻尼管，Ly為偏轉(zhuǎn)線圈，Cy1、Cy2、Cy3為逆程電容（以下用Cy統(tǒng)稱Cy1、Cy2、Cy3），利用圖4，說明輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)電路工作原理。

當(dāng)輸出管基極加入如圖4所示的開關(guān)信號(hào)時(shí)，t1～t2期間，Ube電壓為正，因此輸出管基極電流很大，使其飽和導(dǎo)通，集電極與發(fā)射極間飽和壓降很小，電源E_c加在偏轉(zhuǎn)線圈上，在其中產(chǎn)生從零逐漸增大的偏轉(zhuǎn)電流，其增長(zhǎng)速度與供電電壓作用的時(shí)間成正比，即從t1開始，經(jīng)過的時(shí)間越長(zhǎng)，電流越大。

t2～t3期間，激勵(lì)脈沖變?yōu)樨?fù)脈沖，輸出管發(fā)射結(jié)被反向偏置，從飽和導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，由于偏轉(zhuǎn)線圈中的電流不能突變，繼續(xù)按原方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)電容C_y充電，將偏轉(zhuǎn)線圈中的磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙軨_y中的電能，偏轉(zhuǎn)線圈中的電流越來(lái)越小，到t3時(shí)刻，偏轉(zhuǎn)線圈中的電流為零；而電容C_y的充電電壓達(dá)到最大值。此電壓加到輸出管集電極上，使輸出管集電極與發(fā)射極之間出現(xiàn)很高的電壓—電源電壓加逆程高壓。

t3～t4期間，t3以后電容C_y通過偏轉(zhuǎn)線圈放電，偏轉(zhuǎn)線圈中的電流反向，隨著放電的進(jìn)行，C_y上的電壓越來(lái)越低，而偏轉(zhuǎn)線圈中的反向電流越來(lái)越大，到t4瞬間，偏轉(zhuǎn)線圈L_y中的電流達(dá)到反向最大值，電能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍堋?/p>

t4～t5期間，輸出管處于截止?fàn)顟B(tài)，但阻尼管D此時(shí)處于正向偏置，D導(dǎo)通，L_y中電流通過D繼續(xù)流動(dòng)，并逐漸減小，至t5時(shí)刻降為0，形成偏轉(zhuǎn)電流鋸齒波的前半部分。t5以后期間，此時(shí)輸出管輸入信號(hào)電壓Ube又變?yōu)檎?，輸出管由截止變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通。電源E_c又使偏轉(zhuǎn)線圈中的電流線性增長(zhǎng)，形成偏轉(zhuǎn)電流的鋸齒波的后半部分。以后再重復(fù)上述過程。行逆程高壓U_m可按式（1）計(jì)算。

Um = ［π（tH/tR- 1）/2 + 1］×Ec

（1）

式中：

tH——振蕩周期約為333 μs；

tR——逆程時(shí)間約為16 μs。

行逆程最大電壓也就是輸出管截止時(shí)所承受的最高電壓，為電源電壓的32倍左右，如電壓最大為12 V，則輸出管的耐壓值必須大于384 V。而一般的輸出級(jí)采用自舉升壓電路，相當(dāng)于電源電壓E_c約為26 V，因此，輸出管耐壓必須大于832 V。振蕩周期越長(zhǎng)，行逆程時(shí)間越短，高壓就越高。本裝置選用耐壓值大于1 kV的MC13007作為輸出管。

2.1.3"自舉升壓電路

采用自舉升壓電路可把較低的電源電壓提升到較高的數(shù)值專供輸出級(jí)用，輸出管集電極上的逆程脈沖電壓峰值可提高一倍以上。在獲得同樣高壓的情況下，輸出變壓器初、次級(jí)匝數(shù)比可減小。自舉升壓電路如圖5所示，其中D1為自舉升壓二極管，C1為自舉升壓電容，L1、L2為輸出變壓器初級(jí)繞阻。當(dāng)電源接通后，二極管D1正向?qū)ǎ娏鹘?jīng)二極管D1、初級(jí)繞阻L1形成一個(gè)閉合的回路；L2產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其方向?yàn)樽柚闺娏髁鲃?dòng)的方向，L2的繞阻為L(zhǎng)1的1.5倍，所以，去掉損耗，L2感生電動(dòng)勢(shì)約為24V，這樣，加在輸出管集電極上的電壓為電源電壓加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和，約為48V，從而完成自舉升壓作用。

2.1.4"倍壓整流電路

倍壓整流電路的主要元件是二極管和電容器。采用的倍壓電路如圖6所示，當(dāng)從IN端輸入的交流電u為正半周（上負(fù)下正）時(shí)，電源電壓通過D1將電容C1充電到1.414U，然后在負(fù)半周（上正下負(fù)）時(shí)，D2導(dǎo)通，由此可見，此時(shí)電容C1上的電壓uC1與u的極性一致，它們共同將電容C2充電到2×1.414U。到另一個(gè)正半周時(shí)，通過D3向C3充電，uC3=u+uC2-uC1=2×1.414U，而在另一個(gè)負(fù)半周時(shí)，通過D4向C4充電，uC3=u+uC1+uC3-uC2=2×1.414U。依次類推，可以分析出電容C5、C6等也都充電到2×1.414U。

2.2"放電防護(hù)設(shè)計(jì)

高壓變壓器在工作中易產(chǎn)生放電現(xiàn)象，并將線圈和骨架擊穿。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：高壓變壓器為升壓變壓器，其次級(jí)輸出電壓大約為10kV，如此高的電壓將原來(lái)絕緣體擊穿為導(dǎo)體。設(shè)計(jì)中將骨架換成陶瓷骨架，變壓器線圈的層與層之間用石英片進(jìn)行隔離，變壓器繞制完成后，在石蠟中浸煮30min左右，使石蠟浸注到線圈的線匝中，即在線匝中不存在空氣。經(jīng)過處理后，放電現(xiàn)象不再發(fā)生。

倍壓電路工作電壓為10～30kV，易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。為此，設(shè)計(jì)中將倍壓電路使用的二極管、電容封裝在石蠟中，引線采用耐壓30kV的高壓線形成高壓倍壓模塊。這一問題得到解決。

倍壓電路的電容具有存電作用，電容放電會(huì)對(duì)操作人員產(chǎn)生危險(xiǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)在輸出級(jí)加一個(gè)放電電阻。由于輸出高壓級(jí)是由倍壓電路完成的，所以，其輸出功率很小，電流在毫安級(jí)以下，要求放電電阻的阻值相當(dāng)大。放電電流在微安級(jí)，經(jīng)過計(jì)算，電阻取值應(yīng)在10GΩ左右，而市面上最大只能購(gòu)到460MΩ的電阻，所以，串聯(lián)20只，即總阻值達(dá)到9.2GΩ，基本上滿足要求，保證操作人員的安全性。同樣，放電電阻工作在高壓端，也需對(duì)其進(jìn)行石蠟封裝處理。

2.3"通信模塊

在無(wú)線通信中，采用LoRa通信技術(shù)^［11］，得益于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在頻譜中占用較寬的帶寬，其抗電磁干擾能力更強(qiáng)^［12］，使用2個(gè)AS32-TTL-100擴(kuò)頻無(wú)線串口模塊，如圖7所示，一個(gè)模塊與計(jì)算機(jī)連接，另一個(gè)連接與高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器連接，兩個(gè)模塊的帶寬、擴(kuò)頻因子等通信參數(shù)保持一致，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)半雙工通信^［13］。通過LoRa無(wú)線通信，操作人員可通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的開關(guān)控制和電壓調(diào)節(jié)。

3"軟件設(shè)計(jì)

3.1"主程序設(shè)計(jì)

上電后，單片機(jī)延時(shí)一小段時(shí)間，等待電源穩(wěn)定之后，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括設(shè)置標(biāo)志位和變量賦初值，中斷初始化，設(shè)置各接口芯片初始化等。接著進(jìn)入主程序，先從存儲(chǔ)器中讀取狀態(tài)，以確認(rèn)上次是自然關(guān)機(jī)還是故障關(guān)機(jī)，如果是故障關(guān)機(jī)，則恢復(fù)關(guān)機(jī)前的狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行；如果是自然關(guān)機(jī)，則循環(huán)讀取鍵盤和顯示，以把撥碼盤設(shè)置的時(shí)間值，顯示出來(lái)，共操作者確認(rèn)，并掃描啟動(dòng)端引腳，當(dāng)無(wú)啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，繼續(xù)循環(huán)讀取鍵盤和顯示，當(dāng)接到啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，并不是馬上啟動(dòng)高壓，而是將設(shè)置的時(shí)間值寫入存儲(chǔ)器，然后判斷設(shè)置的時(shí)間值是否為“00”，如果為“00”，則設(shè)置時(shí)間為正計(jì)時(shí)，且無(wú)上限；如果設(shè)置的時(shí)間值為非“00”，則設(shè)置時(shí)間為倒計(jì)時(shí)，且計(jì)時(shí)開始值為設(shè)置的時(shí)間值；然后啟動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警10s，隨后啟動(dòng)高壓，并把此時(shí)的狀態(tài)記入存儲(chǔ)器，以提供程序被干擾而跑飛時(shí)及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。主程序流程如圖8所示。

如果啟動(dòng)時(shí)設(shè)置時(shí)間為“00”，則進(jìn)行無(wú)上限計(jì)時(shí)，此時(shí)，停止高壓只能由啟動(dòng)按鈕人為給出停止命令；如果啟動(dòng)時(shí)設(shè)置時(shí)間為非“00”，則以設(shè)置的時(shí)間值進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)為“00”時(shí)，則停止高壓，也可由人為給出命令停止高壓。停止高壓后，報(bào)警5s，提示操作人員。在計(jì)時(shí)期間，定時(shí)器每1s中斷1次，每產(chǎn)生1次中斷，單片機(jī)將計(jì)時(shí)數(shù)值減1，同時(shí)將此時(shí)狀態(tài)寫入存儲(chǔ)器，然后判斷計(jì)時(shí)數(shù)值是否為“00”，如果是，則停止高壓；如果否，則繼續(xù)掃描鍵盤。在高壓工作期間，時(shí)刻掃描高壓?jiǎn)?dòng)按鈕及比較器送來(lái)的信號(hào)，當(dāng)比較器送來(lái)的信號(hào)有效時(shí)，表明高壓有放電現(xiàn)象（即可能有人誤操作）。為防止危險(xiǎn)，單片機(jī)立即停止高壓，并發(fā)出報(bào)警。

3.2"New-ACP算法設(shè)計(jì)

由于高壓靜電場(chǎng)的電磁波會(huì)對(duì)LoRa通信頻段產(chǎn)生干擾，因此，在標(biāo)準(zhǔn)ADR算法的基礎(chǔ)上^［14］，設(shè)計(jì)New-ACP算法，通過設(shè)置不同發(fā)射功率TP^［15］和擴(kuò)頻因子SF^［16］的參數(shù)組合，以抵抗高壓靜電場(chǎng)的屏蔽和干擾，從而降低丟包率，提高LoRa通信的可靠性和魯棒性。

在初始化時(shí)，將擴(kuò)頻因子設(shè)置為最大值12，此時(shí)LoRa模塊對(duì)信號(hào)的解調(diào)能力最好^［15］，抗電磁干擾能力最強(qiáng)，但異常報(bào)警時(shí)的延遲最高，實(shí)時(shí)性最差。將發(fā)射功率設(shè)置為最小值2，發(fā)射功率過高，不僅增加運(yùn)行功耗，還會(huì)對(duì)其他通信模塊造成干擾。當(dāng)計(jì)算機(jī)端的LoRa模塊接收到高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)達(dá)到20個(gè)時(shí)，首先，通過分析數(shù)據(jù)包的序號(hào)，計(jì)算鏈路的數(shù)據(jù)包獲取率，在高實(shí)時(shí)性的應(yīng)用場(chǎng)景中，高質(zhì)量通信中數(shù)據(jù)包獲取率的安全閾值^［17］為95%，當(dāng)數(shù)據(jù)包獲取率大于95%時(shí)，表示該數(shù)據(jù)鏈路相對(duì)可靠，此時(shí)適當(dāng)降低擴(kuò)頻因子，提高數(shù)據(jù)速率，適當(dāng)降低發(fā)射功率，以節(jié)約能耗，減少干擾。當(dāng)數(shù)據(jù)包獲取率小于95%時(shí)，表示此時(shí)通信鏈路并不可靠，計(jì)算機(jī)對(duì)高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制具有延遲、失控的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)需要快速調(diào)整發(fā)射功率，提高LoRa信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)該鏈路的信道環(huán)境，發(fā)射功率的調(diào)整步長(zhǎng)采用自適應(yīng)步長(zhǎng)，將步長(zhǎng)設(shè)置為數(shù)據(jù)包獲取率與安全閾值的差值。該算法流程如圖9所示。

4"結(jié)果與分析

4.1"通信測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，將一個(gè)LoRa模塊與計(jì)算機(jī)連接，另一個(gè)LoRa模塊與高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器連接。在LoRa模塊中，分別部署標(biāo)準(zhǔn)ADR算法和New-ACP算法。設(shè)置高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的電壓范圍為0～200kV，每間隔20kV為一組，共11組，高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器每1 ms發(fā)送1次0/1數(shù)據(jù)，當(dāng)比較器有信號(hào)時(shí)，發(fā)送“1”數(shù)據(jù)，否則發(fā)送“0”數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，在不同組的電壓范圍中，標(biāo)準(zhǔn)ADR算法的數(shù)據(jù)包獲取率在65%左右，而New-ACP算法的數(shù)據(jù)包獲取率保持在90%以上，LoRa通信的通信質(zhì)量保持在較高的水平。由此得出，采用LoRa模塊和設(shè)計(jì)的New-ACP算法可以使無(wú)線通信更好地抵抗高壓靜電場(chǎng)的電磁干擾，滿足通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的應(yīng)用需要。

4.2"實(shí)地測(cè)試

所設(shè)計(jì)的種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器在黑龍江慶安縣水稻示范園區(qū)進(jìn)行水稻種子處理試驗(yàn)，每天連續(xù)工作8h左右，連續(xù)工作4天，未出現(xiàn)異常。在機(jī)器連續(xù)工作8h后，在環(huán)境溫度為25℃，自然通風(fēng)的條件下，利用溫度傳感器，測(cè)量了參考點(diǎn)的溫度（3次取平均值）如表1所示。可知，便攜式種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器工作較可靠、安全，工作參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)參考值內(nèi)。

5"結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器，采用單片機(jī)作為中央控制主體，用高壓變壓器作為升壓主體，繼以倍壓裝置將電壓調(diào)節(jié)范圍增至0～200 kV，且連續(xù)可調(diào)。

2） 針對(duì)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制發(fā)生器的功能需求，設(shè)計(jì)一個(gè)新穎的New-ACP算法，根據(jù)通信鏈路狀態(tài)，靈活快速地調(diào)節(jié)擴(kuò)頻因子和發(fā)射功率，通信丟包率在10%以內(nèi)，提高LoRa通信抵抗高壓靜電場(chǎng)電磁干擾的能力，保障計(jì)算機(jī)對(duì)種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的遠(yuǎn)程可靠控制。

3） 針對(duì)操作人員的安全保障，所設(shè)計(jì)的種子高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器具有良好的絕緣性能，有效地把高壓和低壓隔離、工頻電和高壓靜電隔離，考慮到高壓靜電場(chǎng)的干擾和放電現(xiàn)象，增加放電電阻和必要的石蠟封裝處理。

參"考"文"獻(xiàn)

［1］

趙吉柱， 滑雪， 陶波， 等. 不同處理方法對(duì)假蒼耳種子萌發(fā)的影響［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 41（8）：15-18.

Zhao Jizhu， Hua Xue， Tao Bo， et al.Study on Iva xanthifolia seed germination with different treatments ［J］.Journal of Northeast Agricultural University， 2010， 41（8）：15-18.

［2］

賀澤霖， 賈也純， 薛林， 等. 作物種子處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望［J］. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2021（9）： 116-122.

He Zelin， Jia Yechun， Xue Lin， et al. Research progress and prospectsin treatment of technology of crop seeds ［J］. Heilongjiang Agricultural Science， 2021（9）： 116-122.

［3］

陳立才， 黃芳， 周明， 等. 勻強(qiáng)高壓靜電場(chǎng)處理水稻種子的生物場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2016， 28（5）： 28-30，39.

Chen Licai， Huang Fang， Zhou Ming， et al. Study on biological field effect of uniform high-voltage electrostatic field on rice seeds ［J］. Jiangxi Agricultural Journal， 2016， 28 （5）： 28-30，39.

［4］

黃洪云， 杜寧， 韓哲， 等. 高壓靜電場(chǎng)處理種子對(duì)小麥幼苗抗寒性的影響［J］. 種子， 2016， 35（8）： 24-26，31.

Huang Hongyun， Du Ning， Han Zhe， et al. Effects of wheat seedlings cold resistance through pretreatment of seeds with high voltage electrostatic field ［J］. Seed， 2016， 35（8）： 24-26，31.

［5］

李宸， 楊小環(huán)， 吳冬梅， 等. 高壓靜電場(chǎng)處理緩解高粱種子快速脫水傷害的生理機(jī)制［J］. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2020， 48（3）： 339-344.

Li Chen， Yang Xiaohuan， Wu Dongmei， et al.Physiological mechanism of high-pressure electrostatic field treatment for reducing rapid dehydration injury of sorghum seeds ［J］. Journal of Shanxi Agricultural Sciences， 2020， 48 （3）： 339-344.

［6］

郭龍芳， 薛福東， 郭九峰， 等. 高壓電場(chǎng)對(duì)沙蔥種子發(fā)芽率的影響［A］.中國(guó)物理學(xué)會(huì)靜電專業(yè)委員會(huì). 中國(guó)物理學(xué)會(huì)第十九屆全國(guó)靜電學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］. 2014：5.

［7］

陳建中， 胡建芳， 杜慧玲， 等. 高壓靜電場(chǎng)處理對(duì)番茄陳種子萌發(fā)活力的影響［J］. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2015， 44（7）： 111-114.

Chen Jianzhong， Hu Jianfang， Du Huiling， et al.Effect of high-voltage electrostatic field treatment on germination vigor of old tomato seeds ［J］. Journal of Henan Agricultural Sciences， 2015， 44 （7）： 111-114.

［8］

武翠卿， 孫靜鑫， 武新慧， 等. 高壓電場(chǎng)預(yù)處理雜糧種子對(duì)生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2022， 43（8）： 75-81.

Wu Cuiqing， Sun Jingxin， Wu Xinhui， et al. Effects of high voltage electric field pretreatment on growth potential and yield of miscellaneous grain seeds ［J］. Journal of Chinese Agricultural Machanization， 2022， 43 （8）： 75-81.

［9］

高振東.物理農(nóng)業(yè)植物種子處理的高壓靜電電源設(shè)計(jì)與制作［J］. 隴東學(xué)院學(xué)報(bào)， 2015，26（3）： 18-21.

Gao Zhendong. Based on physical agricultural seed processing of high voltage electrostatic power supply design and production ［J］. Journal of Longdong University， 2015， 26 （3）： 18-21.

［10］

付喜錦. 物理農(nóng)業(yè)種子高壓充電電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 隴東學(xué)院學(xué)報(bào)， 2016， 27（5）： 40-43.

Fu Xijin.Design and implementation of power plant seeds in high voltage charging ［J］. Journal of Longdong University， 2016，27 （5）： 40-43.

［11］

李嘉豪， 劉飛飛， 伍昕宇， 等. 面向豬舍環(huán)境的感知機(jī)器人系統(tǒng)和改進(jìn)綜合評(píng)價(jià)模型設(shè)計(jì)［J］. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 52（11）：67-79.

Li Jiahao， Liu Feifei， Wu Xinyu， et al.Design of aware robot system and improved comprehensive evaluation model for piggery environment ［J］. Journal of Northeast Agricultural University， 2021， 52（11）：67-79.

［12］

Slabicki M， Premsankar G， et al. Adaptive configuration of LoRa networks for dense IoT deployments ［Ｃ］. 2018 IEEE/IFIP Network Operations and Management Symposium， 2018： 1-9.

［13］

趙書祥. 基于LoRa的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］. 哈爾濱： 哈爾濱理工大學(xué)， 2020.

Zhao Shuxiang. Design of atmospheric environment monitoring system based on LoRa ［D］. Harbin：Harbin University of Science and Technology， 2020.

［14］

Finnegan J， Farrell R， Brown S. Analysis and enhancement of the LoRaWAN adaptive data rate scheme ［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2020， 7（8）：7171-7180.

［15］

Garlisi D， Tinnirello I， Bianchi G， et al. Capture aware sequential waterfilling for LoRaWAN adaptive data rate ［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2020， 20（3）： 2019-2033.

［16］

Reynders B， Meert W， Pollin S. Power and spreading factor control in low power wide area networks ［C］. IEEE International Conference on Communications. IEEE， 2017.

［17］

肖國(guó)寶. 基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)研究與實(shí)現(xiàn)［D］. 廣州： 暨南大學(xué)， 2019.

Xiao Guobao. Research and implementation of IoT wireless communication network based on LoRa ［D］. Guangzhou：Jinan University， 2019.