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      變量施肥控制系統論文

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      變量施肥控制系統論文

      一施肥裝置監測

      報警系統化肥是農業高產和增產的主要投入要素,化肥成本在農業總成本中占了較大的比重。傳統的施肥方式是在同一塊地中施加同量肥料;但同一地塊內,土壤養分含量及土質結構存在著較大差異,若采用傳統的平均施肥法,會造成施肥不足或肥量過渡,導致成本提高和環境污染等問題。本文所設計的機型采用變量施肥法及報警系統來實施智能監控施肥,不但效率高,而且可以降低施肥成本。

      1控制系統原理

      首先將已標定施肥機參數寫入控制程序中,作業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,提取出中耕機前進速度v和位置坐標數據,網格識別程序可計算出當前機具所在的地塊位置;然后查詢與該地塊對應的決策施肥量Q,并在屏幕上顯示當前位置和施肥量。②手動模式。在駕駛室中的觸摸屏上手動輸入各個網格的施肥量,通過讀取地輪觸碰開關對應傳感器的脈沖信號,可得到機具前進速度v,將地輪的步進電機轉動轉為由變頻脈沖驅動,控制排肥軸轉速,從而實現變量施肥。

      2無線視頻施肥監控

      在肥料箱的底端裝配超聲波肥量監控器,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,當肥料箱肥量過少、肥料裝儲平面低于超聲波收發平面時,通過蜂鳴器報警給駕駛室工作人員進行補充肥料。無線攝像頭可將下肥、培土等作業效果以視頻的方式呈現在駕駛室顯示屏上,便于操作人員對作業效果的進一步監控。考慮到經濟成本及操作人員的操作能力,針對南方甘蔗生產具體情況,設計手動和自動控制兩種方案,以便蔗農根據情況選用。手動控制方式操作比較簡單,在無GPS設備的情況下,可以根據甘蔗地和蔗農的種植經驗進行手動變量控制自行決策施肥。此外,在自動模式無法發揮效用(如作業環境惡劣或無法接受到DGPS信號、電子系統故障)等情況下,可以通過手動控制方式完成作業。

      3施肥控制系統的設計及實現

      施肥參數由施肥控制決策系統軟件生成,是實現變量施肥的必要參數。其中,理論施肥量與編程施肥網格是一一對應的。甘蔗施肥過程中,控制系統接收DGPS信號,對應單片機中存儲的地塊和施肥參數,進行不同蔗地網格的識別,并查詢對應的決策施肥量。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動:當施肥裝置的施肥量小于設置的閾值時,重量傳感器將信號肥量通過蜂鳴器報警系統傳遞給工作人員,以方便人工或自動添加肥料。

      4控制系統的軟件和硬件系統設計

      在設計甘蔗中耕管理機的單片機控制應用系統時,通常采用匯編語言。該軟件具有易操作、指令執行迅速等優點;缺點是編寫與調試難度大,可移植性差。本文所設計的機型其電控系統采用單片機,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范化流程控制體系,其庫函數豐富、運算速度快、可移植性強、編譯效率高,能產生較緊湊的代碼,應用系統易于調試。在施肥過程中,考慮到成本及操作人員的操作技能要求,硬件系統采用簡易蜂鳴器發聲或發光二極管發光產生示警信號自動報警器系統。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已經飽和導通,其集電極—發射極之間電壓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,當肥量減少的設定的閾值時,貼在施肥裝置底端側邊的重量傳感器會將肥量的質量信號轉化成電信號傳遞給控制電路中心,經過轉化迫使蜂鳴器發生報警,從而提醒操作人員完成肥量的人工或自動上料。

      二控制監控系統的組態設計

      1組態軟件的概述

      甘蔗中耕管理機機在施肥及培土過程中考慮到系統的自動化及達到實時監測的效果,對軟件及操作系統的設計要求成本低廉、美觀且容易操作。本文基于MCGS組態軟件系統所開發的平臺,為蔗農提供了解決自動施肥、自動監控等實際問題的完整方案,能夠完成施肥培土及數據采集實時采集等作業任務,具有定時和歷史數據處理、報警和安全監控機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出、企業監控網絡等功能。

      2組態軟件的功能模塊及體系結構

      MCGSE是基于Microsoft各種32位Windows平臺的一種用于快速構造和生成嵌入式計算機監控系統的組態軟件。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、面向窗口的開發界面,操作系統簡單方便、操作靈活,適合蔗農等階層人員使用。2)該軟件基于WindowsCE操作平臺,系統按照多任務按優先等級分時操作的方式進行處理監控,實時性強,有良好的并行處理性能。3)MCGS嵌入版提供了良好的安全機制,可以根據不同級別用戶設定不同的操作方式及權限,設置安全等級,能有效地保護系統及施肥培土機的安全性。4)報警類型多樣化。蔗農選擇設置自己喜歡的報警方式,系統能夠實時顯示報警信息,方便、及時地為用戶提供施肥等報警提醒。5)組態系統維護方便,系統由模塊化組態塊組成,從而使得組態軟件系統維護方便。其系統由組態環境、模擬運行環境和運行環境3部分組成。其中,前兩部分相當于一套完整的工具軟件,可以在PC機上運行;運行環境作為一個獨立的運行系統,按照組態工程中用戶指定的方式進行各種處理,完成用戶組態設計的目標和功能

      3施肥自動監控組態軟件的設計

      施肥培土機在工作中設置手動及自動兩種方式。手動模式工作過程中,施肥機不需要通過GPS系統采集處理數據,直接在駕駛室觸摸屏控制面板中進行相應的手動操作。在手動工作模式下,根據甘蔗農的實際經驗進行施肥量的設置。施肥機在自動控制模式下,根據GPS定位系統接受其發射的信號,自動完成甘蔗機的定位及工作狀況。同時,當施肥裝置中的肥量達到一定的狀態時,會通過蜂鳴器將信息反饋給駕駛室操作人員,完成甘蔗施肥機的自動上肥工作。在工作模式中,控制面板的觸摸屏會實時顯示當前施肥機所在位置,并根據田間系統及水土的營養不同,完成自動控制施肥。該系統方便、快捷、自動化程度高,可以大大提升甘蔗田間作業的效率,減輕人工的勞動強度,避開熱帶的嚴寒酷暑,為甘蔗產業的自動化發展提供技術參考及理論依據。

      三結論

      本文設計的3ZSP-2型中型多功能甘蔗中耕管理機施肥控制系統適應不同地區、多種作物、不同土壤環境,兼容性強,可以及時、準確地監測肥量的變化;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效果實時監控。該機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,比畜力作業犁深約深4cm,作業效率提高約3倍,作業成本降低50%。其旋耕質量穩定,施肥位置較合理,培土質量好,作業效率高,具有明顯的經濟和環境效益,為機械化中耕施肥管理技術的推廣和應用奠定了基礎。

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