精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)研制

1、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)研制陳宏１，張書慧１，王麗霞２，吳才聰３（１南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，南京２１００４６；２南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌３３００３４；３北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京１００８７１）摘要：以ＡＲＭ７系列Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ微處理器為核心，研制了一套具有變量施肥、變量噴藥和變量灌溉３種作業(yè)類型的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制器、傳感器和變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。田間作業(yè)時(shí)，在控制器工作界面上選定作業(yè)

2、類型后，系統(tǒng)可提供ＧＰＳ定位自動(dòng)控制、推算定位自動(dòng)控制和手動(dòng)輸入控制３種變量控制作業(yè)方式。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)可以控制相應(yīng)機(jī)具完成４２ｍ幅寬的變量施肥、６５ｍ幅寬的變量噴藥或變量噴灌作業(yè)，降低了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量作業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)與維護(hù)成本，有利于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與應(yīng)用。關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；變量作業(yè)；多功能控制；ＡＲＭ微處理器中圖分類號(hào)：TP273＋5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003－188X（2014）01－0210－

3、040引言變量作業(yè)控制系統(tǒng)是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與管理的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械變量投入的自動(dòng)控制研究并推出商品化產(chǎn)品［１－６］。由于技術(shù)未公開，國(guó)內(nèi)在實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)中，在購買國(guó)外商品化的變量作業(yè)控制系統(tǒng)的同時(shí)需要購買與其相配套的農(nóng)業(yè)機(jī)械才能使用［７－８］。國(guó)內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)、學(xué)者如吉林大學(xué)［９－１０］馬成林、張書慧；國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心［１１－１２］的趙春江、孟志軍；西北農(nóng)林科技大學(xué)［１３－１４］楊青、翟

4、長(zhǎng)遠(yuǎn)等；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)［１５］王熙等人先后對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量控制技術(shù)開展了系列研究。但是，就目前研究成果的應(yīng)用狀況而言，現(xiàn)有的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)作業(yè)模式固定、變量控制方式單一等不足。這不但增加了變量作業(yè)機(jī)的制造成本，也增加了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施和日后維護(hù)成本，制約了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)了一種具有ＧＰＳ定位自動(dòng)控制、推算定位自動(dòng)控制和手動(dòng)輸入控制３種變量作業(yè)控制方式的，適用于變量施肥、變量噴藥、變量灌溉等多種收稿日期

5、：２０１３－０１－２４基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（２０１２ＡＡ１０１９０２），江蘇省精密制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心開放基金項(xiàng)目（ＺＫ２０１２－３２－０１）作者簡(jiǎn)介：陳宏（１９５８－），男，北京人，副教授，碩士，（Ｅ－ｍａｉｌ）Ｃｈｅｎｈ＠ｎｉｉｔｅｄｕｃｎ。通訊作者：吳才聰（１９７５－），男，江西贛州人，副教授，博士，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｗｕｃａｉｃｏｎｇ＠ｇｍａｉｌｃｏｍ。耕作環(huán)節(jié)作業(yè)的多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)，以達(dá)到提高變量控制系

6、統(tǒng)通用性、降低變量作業(yè)機(jī)械生產(chǎn)與維護(hù)成本的目的。1系統(tǒng)組成與工作原理本文研制的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)由控制器、ＤＧＰＳ、速度傳感器、液體壓力傳感器、流量傳感器和變量作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其原理如圖１所示。圖１系統(tǒng)組成框圖Ｆｉｇ１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ在田間實(shí)施變量施肥作業(yè)時(shí)，將該系統(tǒng)掛接在施肥機(jī)上，在控制器工作界面上選擇變量施肥作業(yè)后，控制器實(shí)時(shí)獲取施肥機(jī)所在

7、位置、作業(yè)速度、液體管路壓力信號(hào)，根據(jù)專家系統(tǒng)提供的變量作業(yè)處方圖數(shù)０１２２０１４年１月農(nóng)機(jī)化研究第１期4系統(tǒng)控制軟件與應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的農(nóng)用多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)軟件由實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理程序模塊、處方圖讀取以及網(wǎng)格識(shí)別程序模塊、液晶屏—觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序模塊、音頻接口程序模塊、變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)程序模塊和作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)保存程序模塊組成。其中，實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理程序由ＧＰＳ數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)字信號(hào)采集與處理和模擬量信號(hào)采集與處理３部分組成。田間作業(yè)

8、記錄文件是在ＵＣＯＳ－Ⅱ操作系統(tǒng)上編寫一個(gè)文件處理模塊，使ＵＣＯＳ－Ⅱ操作系統(tǒng)具有倡ｔｘｔ文件的打開、定位文件某字節(jié)的讀、寫操作和關(guān)閉倡ｔｘｔ文件的功能，用于實(shí)時(shí)記錄作業(yè)機(jī)具的工作狀態(tài)，便于事后數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)改進(jìn)。圖４為選擇變量噴藥作業(yè)類型后，系統(tǒng)實(shí)施變量噴藥作業(yè)的流程圖。圖４系統(tǒng)噴藥作業(yè)流程圖Ｆｉｇ４Ｓｐｒａｙｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｆｌｏｗｃｈａｒｔ本文的多功能變量作業(yè)控制系統(tǒng)在吉林省榆樹市工棚鎮(zhèn)１３號(hào)村實(shí)施變量施肥、變量噴藥作業(yè)。圖５

9、為ＧＰＳ定位自動(dòng)控制變量噴藥作業(yè)模式下變量噴藥作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和工作界面。作業(yè)過程中實(shí)時(shí)顯示噴藥機(jī)位置、工作速度、地塊編號(hào)、管路壓力與流量。試驗(yàn)表明：系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，降低了機(jī)械投入成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。圖５ＧＰＳ定位自動(dòng)控制變量噴藥作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Ｆｉｇ５Ｗｏｒｋｉｎｇｓｉｔｅｏｆｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｒａｔｅｓｐｒａｙｉｎｇ5結(jié)論１）系統(tǒng)具備的３種作業(yè)模式適于多種耕作環(huán)節(jié)作業(yè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該變量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的“

10、一機(jī)多用”，降低了先期投入成本，有助于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與實(shí)施。２）本系統(tǒng)可輸出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種類型控制信號(hào)，便于執(zhí)行器連接，可擴(kuò)展性強(qiáng)。３）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可滿足４２ｍ幅寬的變量施肥作業(yè)、６５ｍ幅寬的變量噴藥或變量灌溉作業(yè)。系統(tǒng)便于操作，工作狀態(tài)平穩(wěn)。同時(shí)，系統(tǒng)配置有異常報(bào)警啟動(dòng)信號(hào)，有效提高了變量作業(yè)效率和可靠性。參考文獻(xiàn)：［１］ＤａｖｉｄＣＳｌａｕｇｈｔｅｒ，ＤＫｅｎＧｉｌｅｓ，ＳｔｅｖｅｎＡＦｅｎｎｉｍｏｒｅ，ｅ

11、ｔａｌＭｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌＭａｃｈｉｎｅＶｉｓｉｏｎＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＬｅｔｔｕｃｅａｎｄＷｅｅｄＳｅｅｄｌｉｎｇｓｆｏｒＡｕｔｏｍａｔｅｄＷｅｅｄＣｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］ＷｅｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２２：３７８－３８４［２］ＲｅｖｉｅｗｏｆＶａｒｉａｂｌｅＲａｔｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎＦａｒｍｉｎｇ［ＥＢ／ＯＬ］［２０１２－１０－３０］［３］ＫａｉｌａｓｈＫｒｉｓｈ

12、ｎａｓｗａｍｙ，ＰｅｒｒｙＹＬｉＯｎＵｓｉｎｇＵｎｓｔａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｃＶａｌｖｅｓｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤｙｎａｍｉｃＳｙｓｔｅｍｓ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００２（１）：１８３－１９０［４］Ｂｅｃｋｅｒ’ｓＡＧＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＮＣ［ＥＢ／ＯＬ］［２０１２－１０－３０］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗｂｅｃｋｅｒｓａｇｃｏｍ／Ｔｒｉｍｂｌｅ＿ＡｇＧＰＳ＿１７０＿Ｆｉｅｌ

13、ｄ＿Ｃｏｍｐｕｔｅｒｈｔｍ［５］ＢｒａｄｌｅｙＡ，Ｋｉｎｇ，ＲｉｃｈａｒｄＷａｌ１Ｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｐａｔｉａｌｌｙｖａｒｉａｂｌｅｃｈｅｍｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｉｔｅ—ｓｐｅｃｉｆｉｃｃｒｏｐｍａｎａｇｅｍｅｎｔｕｓｉｎｇｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ—ｍｏｖｅｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍＬＡ［Ｃ〗／／ＡＳＡＥＰａｐｅｒＮｏ０１－２０２１，［２００１］［６］ＣＲＣａｍｐ，ＥＪＳａｄｌｅｒ，ＤＥＥｖａｎｓ，ｅｔａ