變量施肥控制系統(tǒng)論文

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一施肥裝置監(jiān)測

報警系統(tǒng)化肥是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和增產(chǎn)的主要投入要素，化肥成本在農(nóng)業(yè)總成本中占了較大的比重。傳統(tǒng)的施肥方式是在同一塊地中施加同量肥料;但同一地塊內(nèi)，土壤養(yǎng)分含量及土質(zhì)結(jié)構(gòu)存在著較大差異，若采用傳統(tǒng)的平均施肥法，會造成施肥不足或肥量過渡，導(dǎo)致成本提高和環(huán)境污染等問題。本文所設(shè)計的機(jī)型采用變量施肥法及報警系統(tǒng)來實施智能監(jiān)控施肥，不但效率高，而且可以降低施肥成本。

1控制系統(tǒng)原理

首先將已標(biāo)定施肥機(jī)參數(shù)寫入控制程序中，作業(yè)時操作者有兩種模式可選:①自動模式。DGPS信號通過RS232串口讀入單片機(jī)，提取出中耕機(jī)前進(jìn)速度v和位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，網(wǎng)格識別程序可計算出當(dāng)前機(jī)具所在的地塊位置;然后查詢與該地塊對應(yīng)的決策施肥量Q，并在屏幕上顯示當(dāng)前位置和施肥量。②手動模式。在駕駛室中的觸摸屏上手動輸入各個網(wǎng)格的施肥量，通過讀取地輪觸碰開關(guān)對應(yīng)傳感器的脈沖信號，可得到機(jī)具前進(jìn)速度v，將地輪的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)為由變頻脈沖驅(qū)動，控制排肥軸轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)變量施肥。

2無線視頻施肥監(jiān)控

在肥料箱的底端裝配超聲波肥量監(jiān)控器，施肥裝置的卸肥管口處安裝一個無線攝像頭，駕駛室配有超聲波報警蜂鳴器，當(dāng)肥料箱肥量過少、肥料裝儲平面低于超聲波收發(fā)平面時，通過蜂鳴器報警給駕駛室工作人員進(jìn)行補(bǔ)充肥料。無線攝像頭可將下肥、培土等作業(yè)效果以視頻的方式呈現(xiàn)在駕駛室顯示屏上，便于操作人員對作業(yè)效果的進(jìn)一步監(jiān)控。考慮到經(jīng)濟(jì)成本及操作人員的操作能力，針對南方甘蔗生產(chǎn)具體情況，設(shè)計手動和自動控制兩種方案，以便蔗農(nóng)根據(jù)情況選用。手動控制方式操作比較簡單，在無GPS設(shè)備的情況下，可以根據(jù)甘蔗地和蔗農(nóng)的種植經(jīng)驗進(jìn)行手動變量控制自行決策施肥。此外，在自動模式無法發(fā)揮效用(如作業(yè)環(huán)境惡劣或無法接受到DGPS信號、電子系統(tǒng)故障)等情況下，可以通過手動控制方式完成作業(yè)。

3施肥控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

施肥參數(shù)由施肥控制決策系統(tǒng)軟件生成，是實現(xiàn)變量施肥的必要參數(shù)。其中，理論施肥量與編程施肥網(wǎng)格是一一對應(yīng)的。甘蔗施肥過程中，控制系統(tǒng)接收DGPS信號，對應(yīng)單片機(jī)中存儲的地塊和施肥參數(shù)，進(jìn)行不同蔗地網(wǎng)格的識別，并查詢對應(yīng)的決策施肥量。同時，以單路脈沖的形式輸出速度v和施肥量Q，從而實時控制排肥軸轉(zhuǎn)動:當(dāng)施肥裝置的施肥量小于設(shè)置的閾值時，重量傳感器將信號肥量通過蜂鳴器報警系統(tǒng)傳遞給工作人員，以方便人工或自動添加肥料。

4控制系統(tǒng)的軟件和硬件系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計甘蔗中耕管理機(jī)的單片機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)時，通常采用匯編語言。該軟件具有易操作、指令執(zhí)行迅速等優(yōu)點;缺點是編寫與調(diào)試難度大，可移植性差。本文所設(shè)計的機(jī)型其電控系統(tǒng)采用單片機(jī)，引入C語言。C語言作為高級編程語言可以提供十分完備的規(guī)范化流程控制體系，其庫函數(shù)豐富、運算速度快、可移植性強(qiáng)、編譯效率高，能產(chǎn)生較緊湊的代碼，應(yīng)用系統(tǒng)易于調(diào)試。在施肥過程中，考慮到成本及操作人員的操作技能要求，硬件系統(tǒng)采用簡易蜂鳴器發(fā)聲或發(fā)光二極管發(fā)光產(chǎn)生示警信號自動報警器系統(tǒng)。HA為聲響指示器，采用低電壓(3V)蜂鳴器，其工作電流僅需十幾個毫安;VT選用9013，hfe≈200，偏置電阻器R為15kΩ，VT的基極電流IB約0．1mA，集電極電流IC約為10mA，此時VT已經(jīng)飽和導(dǎo)通，其集電極—發(fā)射極之間電壓VCE僅為0．05V。隨著施肥裝置不斷地給甘蔗施肥，儲肥裝置的肥量會不斷減少，當(dāng)肥量減少的設(shè)定的閾值時，貼在施肥裝置底端側(cè)邊的重量傳感器會將肥量的質(zhì)量信號轉(zhuǎn)化成電信號傳遞給控制電路中心，經(jīng)過轉(zhuǎn)化迫使蜂鳴器發(fā)生報警，從而提醒操作人員完成肥量的人工或自動上料。

二控制監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計

1組態(tài)軟件的概述

甘蔗中耕管理機(jī)機(jī)在施肥及培土過程中考慮到系統(tǒng)的自動化及達(dá)到實時監(jiān)測的效果，對軟件及操作系統(tǒng)的設(shè)計要求成本低廉、美觀且容易操作。本文基于MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)所開發(fā)的平臺，為蔗農(nóng)提供了解決自動施肥、自動監(jiān)控等實際問題的完整方案，能夠完成施肥培土及數(shù)據(jù)采集實時采集等作業(yè)任務(wù)，具有定時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全監(jiān)控機(jī)制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出、企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。

2組態(tài)軟件的功能模塊及體系結(jié)構(gòu)

MCGSE是基于Microsoft各種32位Windows平臺的一種用于快速構(gòu)造和生成嵌入式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。其功能模塊主要有以下方面:1)MCGS嵌入版采用全中文、可視化、面向窗口的開發(fā)界面，操作系統(tǒng)簡單方便、操作靈活，適合蔗農(nóng)等階層人員使用。2)該軟件基于WindowsCE操作平臺，系統(tǒng)按照多任務(wù)按優(yōu)先等級分時操作的方式進(jìn)行處理監(jiān)控，實時性強(qiáng)，有良好的并行處理性能。3)MCGS嵌入版提供了良好的安全機(jī)制，可以根據(jù)不同級別用戶設(shè)定不同的操作方式及權(quán)限，設(shè)置安全等級，能有效地保護(hù)系統(tǒng)及施肥培土機(jī)的安全性。4)報警類型多樣化。蔗農(nóng)選擇設(shè)置自己喜歡的報警方式，系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示報警信息，方便、及時地為用戶提供施肥等報警提醒。5)組態(tài)系統(tǒng)維護(hù)方便，系統(tǒng)由模塊化組態(tài)塊組成，從而使得組態(tài)軟件系統(tǒng)維護(hù)方便。其系統(tǒng)由組態(tài)環(huán)境、模擬運行環(huán)境和運行環(huán)境3部分組成。其中，前兩部分相當(dāng)于一套完整的工具軟件，可以在PC機(jī)上運行;運行環(huán)境作為一個獨立的運行系統(tǒng)，按照組態(tài)工程中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能

3施肥自動監(jiān)控組態(tài)軟件的設(shè)計

施肥培土機(jī)在工作中設(shè)置手動及自動兩種方式。手動模式工作過程中，施肥機(jī)不需要通過GPS系統(tǒng)采集處理數(shù)據(jù)，直接在駕駛室觸摸屏控制面板中進(jìn)行相應(yīng)的手動操作。在手動工作模式下，根據(jù)甘蔗農(nóng)的實際經(jīng)驗進(jìn)行施肥量的設(shè)置。施肥機(jī)在自動控制模式下，根據(jù)GPS定位系統(tǒng)接受其發(fā)射的信號，自動完成甘蔗機(jī)的定位及工作狀況。同時，當(dāng)施肥裝置中的肥量達(dá)到一定的狀態(tài)時，會通過蜂鳴器將信息反饋給駕駛室操作人員，完成甘蔗施肥機(jī)的自動上肥工作。在工作模式中，控制面板的觸摸屏?xí)崟r顯示當(dāng)前施肥機(jī)所在位置，并根據(jù)田間系統(tǒng)及水土的營養(yǎng)不同，完成自動控制施肥。該系統(tǒng)方便、快捷、自動化程度高，可以大大提升甘蔗田間作業(yè)的效率，減輕人工的勞動強(qiáng)度，避開熱帶的嚴(yán)寒酷暑，為甘蔗產(chǎn)業(yè)的自動化發(fā)展提供技術(shù)參考及理論依據(jù)。

三結(jié)論

本文設(shè)計的3ZSP－2型中型多功能甘蔗中耕管理機(jī)施肥控制系統(tǒng)適應(yīng)不同地區(qū)、多種作物、不同土壤環(huán)境，兼容性強(qiáng)，可以及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測肥量的變化;超聲波報警裝置性能可靠，無線攝像頭視頻成像使操作人員便于直觀地對作業(yè)效果實時監(jiān)控。該機(jī)型既可用于宿根甘蔗除草、破壟、施肥和培土，又可用于新種植甘蔗苗期各項中耕管理作業(yè)，比畜力作業(yè)犁深約深4cm，作業(yè)效率提高約3倍，作業(yè)成本降低50%。其旋耕質(zhì)量穩(wěn)定，施肥位置較合理，培土質(zhì)量好，作業(yè)效率高，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，為機(jī)械化中耕施肥管理技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

作者：洪青梅董學(xué)虎李明黃敞劉海濱王迎周國勝張婷覃雙眉單位：中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物品種資源研究所農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所山東濱州市鍛壓機(jī)械廠