基于IoT技術(shù)的智能播種機(jī)控制功能設(shè)計(jì)

　　隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，精密播種對農(nóng)作物生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量的影響也越來越大。傳統(tǒng)機(jī)械式播種機(jī)在播種過程中存在漏播、播種株距不均勻及作業(yè)工況不可視等諸多問題，嚴(yán)重影響了播種作業(yè)的質(zhì)量和農(nóng)作物產(chǎn)量。為解決這一難題，引入IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過智能傳感、無線通信和自動控制等先進(jìn)技術(shù)，對智能播種機(jī)的控制功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在深入研究分析IoT物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，完成了智能播種機(jī)控制功能需求分析，對智能播種機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行研究，完成了播種機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件運(yùn)行流程優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，對智能播種機(jī)的控制功能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明:基于IoT技術(shù)的智能播種機(jī)具有穩(wěn)定全面的自動控制功能，能夠?qū)ΣシN機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行精確控制，且可對播種機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有較大的推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞精細(xì)農(nóng)業(yè);IoT技術(shù);智能播種機(jī);控制功能

　　我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，隨著農(nóng)作物種植規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，播種作業(yè)的需求也越來越大。播種作業(yè)是農(nóng)作物種植最基礎(chǔ)的工作，也是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的好壞直接影響作物種植的產(chǎn)量和質(zhì)量。隨著高新科技的發(fā)展，傳統(tǒng)以人工播種為主要手段的播種作業(yè)不能滿足工作需求，播種方式逐漸向機(jī)械化、智能化方向發(fā)展，越來越多的精準(zhǔn)播種機(jī)應(yīng)用在農(nóng)作物種植上。

　　智能技術(shù)論文： 黑松播種育苗關(guān)鍵技術(shù)探討

　　播種機(jī)的應(yīng)用在一定程度上提高了農(nóng)作物播種效率，節(jié)省了人力和物力，降低了勞動生產(chǎn)成本;但由于缺乏精確的控制，機(jī)械式播種機(jī)在播種過程中存在播種株距不均勻、漏播等現(xiàn)象，容易對農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生影響。同時(shí)，由于缺乏對播種過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對播種機(jī)的工作工況無法及時(shí)掌握，導(dǎo)致播種機(jī)機(jī)械故障頻發(fā)，故障排除困難，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)度產(chǎn)生了不利影響。

　　為了提高農(nóng)作物播種精度和產(chǎn)量，提升播種機(jī)工作性能，強(qiáng)化播種機(jī)環(huán)境適應(yīng)性，引入了IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過智能傳感、無線通信和自動控制等先進(jìn)技術(shù)，對傳統(tǒng)播種機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的全自動智能控制。優(yōu)化后的播種機(jī)能夠完成工作工況監(jiān)控及對運(yùn)行故障預(yù)警，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物播種的智能播種、可視化管理、自動控制，達(dá)到精確播種、智能播種的目的。

　　1IoT物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

　　IoT是物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)的簡稱，通過射頻技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)、定位技術(shù)等智能傳感設(shè)備，將不同功能的物體與互聯(lián)網(wǎng)連接，通過互聯(lián)網(wǎng)完成不同物體之間的信息交換和無線通訊，從而達(dá)到智能識別、定位、控制、監(jiān)控和管理的目的，是物與物相互連接的綜合系統(tǒng)。IoT物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)按B/S結(jié)構(gòu)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層級。

　　1)感知層為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要用于完成對信息數(shù)據(jù)的采集、短距離數(shù)據(jù)傳輸和傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及協(xié)同信息處理。數(shù)據(jù)采集主要通過傳感器設(shè)備、二維條碼、RFID射頻和多媒體信息等采集設(shè)備對各類物體的感知信息進(jìn)行采集，再通過低速和中高速段距離傳輸技術(shù)進(jìn)行傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，進(jìn)行感知信息的局部預(yù)處理。

　　2)網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的樞紐，用于感應(yīng)層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。網(wǎng)絡(luò)層是通過各類移動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)及其他專網(wǎng)等通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，將感應(yīng)層采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至應(yīng)用層，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐，網(wǎng)絡(luò)層利用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證傳輸至應(yīng)用層的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，處理方法主要包括異構(gòu)網(wǎng)融合、M2M無線接入及資源和存儲管理等。

　　3)應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，為用戶提供各類專用或通用的應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)來源于感知層，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)處理后傳輸至物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐子層，從而為各行各業(yè)提供相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，包括環(huán)境監(jiān)測、智能電網(wǎng)、智能交通，以及工業(yè)控制等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐子層包括公共中間件、信息開放平臺、云計(jì)算平臺和服務(wù)支撐平臺。

　　2播種機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　所研究的智能播種機(jī)以精密播種機(jī)為研究對象，通過在精密播種機(jī)中加裝單片機(jī)、傳感設(shè)備、驅(qū)動電機(jī)及各執(zhí)行模塊，使其能夠全面監(jiān)測各運(yùn)行參數(shù)，并達(dá)到精確控制的目的，并可通過觸摸屏等設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能播種機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能播種機(jī)的行走輪是播種機(jī)行進(jìn)的主動輪，在電動機(jī)和變速裝置的作用下，通過齒輪傳動，完成動力驅(qū)動。

　　鎮(zhèn)壓輪位于播種機(jī)前側(cè)，用于機(jī)體配重，保證整個(gè)播種機(jī)的整體平衡。傳感設(shè)備包括測速模塊、壓力傳感器、播量監(jiān)測器和視頻采集等，用于對播種機(jī)的各類運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。智能播種機(jī)的控制器以單片機(jī)為核心，用于完成對采集數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和處理，并通過無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。智能播種機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括覆土器、開溝裝置和排種器等，用于實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的翻土、開溝和排種等。

　　3控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　3.1功能需求分析

　　結(jié)合智能播種機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，基于IoT技術(shù)的智能播種機(jī)控制功能需滿足以下條件:1)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集播種機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，包括種箱數(shù)量、播種機(jī)行進(jìn)速度、鎮(zhèn)壓輪壓力等，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。2)能夠?qū)崟r(shí)檢測播種機(jī)電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的遠(yuǎn)程啟動和停機(jī)。3)能夠?qū)崿F(xiàn)播種株距的智能調(diào)節(jié)，通過實(shí)時(shí)檢測播種株距信息，根據(jù)生產(chǎn)要求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種器上的電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)播種株距的準(zhǔn)確調(diào)控。

　　4)能夠?qū)ΣシN機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、存儲和導(dǎo)出，便于后期的計(jì)算、分析和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。5)能夠在觸摸屏上對播種機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)株距、排種深度等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對播種機(jī)的運(yùn)行管理進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，確保產(chǎn)生誤操作。6)具有自動報(bào)警和預(yù)警功能。通過播種機(jī)控制器和觸摸屏的數(shù)據(jù)傳輸，可以通過觸摸屏對播種機(jī)的故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警，通過預(yù)警模塊提前告知故障點(diǎn)，便于作業(yè)人員及時(shí)維護(hù)。7)能夠?qū)崿F(xiàn)播種機(jī)控制器、傳感設(shè)備與觸摸屏的無線傳輸，通過RS485模塊、4G/以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳和信息共享。

　　3.2總體方案設(shè)計(jì)

　　智能播種機(jī)控制系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建，主要是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將播種機(jī)控制器與各類傳感設(shè)備、遙控器及觸摸屏連接成一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸、共享和控制�？刂破魇钦麄�(gè)控制系統(tǒng)的核心，用于接收各類采集模塊采集的播種機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過單片機(jī)的分析、處理和計(jì)算后，將優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)下傳至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對播種機(jī)的智能控制。

　　同時(shí)，通過RS485模塊，可以將數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸至觸摸屏，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的遠(yuǎn)程控制。通過無線WiFi模塊將播種機(jī)控制器和遙控器進(jìn)行連接，可以遠(yuǎn)程控制播種機(jī)的啟動和停止。各類采集模塊包括測速模塊、播量檢測模塊、壓力采集模塊和視頻采集模塊，用于完成對播種機(jī)行進(jìn)速度的監(jiān)測、播種量的監(jiān)測、鎮(zhèn)壓輪壓力的檢測和播種機(jī)工作工況的視頻監(jiān)控。

　　播種機(jī)控制器、各類采集模塊及遙控器中都采用了撥碼開關(guān)技術(shù)，能夠?qū)�無線通信網(wǎng)絡(luò)中的AP網(wǎng)絡(luò)ID、AP網(wǎng)絡(luò)密碼及AP網(wǎng)絡(luò)IP進(jìn)行參數(shù)配置。當(dāng)撥碼開關(guān)A模塊處于同一狀態(tài)時(shí)，各模塊之間將組建無線WiFi局域網(wǎng)，可以進(jìn)行物與物之間的數(shù)據(jù)傳輸;若撥碼開關(guān)不一致，則無法訪問當(dāng)前的局域網(wǎng)。撥碼開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，可以將多個(gè)播種機(jī)進(jìn)行互聯(lián)，從而便于對大型農(nóng)田的管理和狀態(tài)監(jiān)測。

　　4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　4.1控制器硬件設(shè)計(jì)

　　播種機(jī)控制器主要包括單片機(jī)模塊、無線WiFi模塊、各類傳感器、模擬信號處理模塊、撥碼開關(guān)、RS485模塊，以及各類狀態(tài)指示燈等。單片機(jī)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和處理，并將優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)通過RS485模塊傳輸給觸摸屏和電機(jī)驅(qū)動器�？刂破髦械哪�擬信號處理電路可以將各類傳感器采集的模擬信號進(jìn)行處理，再通過A/D通道進(jìn)行A/D信號轉(zhuǎn)換，最后傳輸至單片機(jī)中�？刂破鬟�設(shè)置有紅綠黃3色指示燈，可以指示智能播種機(jī)的運(yùn)行、故障和待機(jī)狀態(tài)。

　　4.2單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)是整個(gè)控制器的核心，因此單片機(jī)的選型十分重要。在對播種機(jī)功能需求和穩(wěn)定性分析后，綜合考慮單片機(jī)穩(wěn)定性、運(yùn)算速度、功耗、開發(fā)環(huán)境等多方面，選取了STM32系列單片機(jī)，單片機(jī)型號為STM32F407VGT6。

　　4.3無線WiFi模塊設(shè)計(jì)

　　本文選用的無線WiFi通信模塊是EMW1088通信模塊，支持802.11b、802.11g、802.11n協(xié)議，以及IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，質(zhì)量安全機(jī)制同時(shí)滿足WPA-PSK/WPA2-PSK和WPA/WPA2。EMW1088通信模塊與單片機(jī)通過SDIO通信串口連接，單片機(jī)可以完成EMW1088通信模塊的初始化及無線WiFi網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可以接收來自無線WiFi網(wǎng)絡(luò)的通信信息。

　　4.4RS485模塊設(shè)計(jì)

　　選用的RS485模塊采用的是RS485總線，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，具有較好的抗干擾性。RS485模塊采用非隔離電路設(shè)計(jì)，通過SP3485芯片與單片機(jī)進(jìn)行串口通訊，另外與I/O控制口連接。該模塊工作電壓為+3.3V，是通過電壓轉(zhuǎn)換電路，將電源模塊的12V供電電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V電壓。同時(shí)，為保證RS485通信模塊的穩(wěn)定性，采用了偏置電阻和中間匹配電阻。

　　5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　智能播種機(jī)控制系統(tǒng)的軟件程序決定了控制系統(tǒng)運(yùn)行是否合理、參數(shù)是否優(yōu)化，主要用于完成系統(tǒng)各硬件模塊的初始化、各子模塊的運(yùn)算及參數(shù)的傳遞，從而保證各子模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞澈蜏?zhǔn)確。智能播種機(jī)開始工作后，首先對單片機(jī)、各類傳感設(shè)備、觸摸屏及其他控制芯片等進(jìn)行初始化，保證各模塊運(yùn)行前處于初始狀態(tài)。在觸摸屏上進(jìn)行相關(guān)指令的輸入，可以完成智能播種機(jī)的參數(shù)設(shè)置。單片機(jī)數(shù)據(jù)接收端口不斷接收采集設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，若有脈沖信號則調(diào)用信號采集和處理運(yùn)算程序;若無接收到脈沖信號，則繼續(xù)等待。信號采集和處理運(yùn)算程序負(fù)責(zé)對播種機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，包括播種機(jī)前進(jìn)速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、壓力信號、播種量及播種株距，并通過無線WiFi模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸至觸摸屏中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

　　采集模塊采集到的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)進(jìn)行分析、處理和計(jì)算后，將優(yōu)化后的參數(shù)通過無線WiFi模塊傳輸至相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按優(yōu)化后的參數(shù)運(yùn)行。例如，控制播種株距，是通過向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號，從而保證電機(jī)按優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。播種機(jī)出現(xiàn)漏播情況時(shí)，報(bào)警模塊會及時(shí)啟動，并及時(shí)進(jìn)行漏播報(bào)警;當(dāng)播種機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警模塊會將故障信息通過無線模塊傳輸至觸 摸屏進(jìn)行顯示，方便作業(yè)人員檢查和故障排除。

　　6結(jié)論

　　為解決傳統(tǒng)機(jī)械式播種機(jī)播種株距不均勻、漏播及工況不可視等問題，深入研究了IoT物聯(lián)網(wǎng)體系框架，并將IoT技術(shù)應(yīng)用在播種機(jī)的控制系統(tǒng)中。在研究播種機(jī)組成結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，分析了其控制功能需求，完成了智能播種機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。對智能播種機(jī)控制器的硬件總體方案進(jìn)行研究，分別對單片機(jī)模塊、無線WiFi模塊和RS485模塊進(jìn)行硬件選型和電路原理圖設(shè)計(jì)，最后完成控制系統(tǒng)軟件流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明:基于IoT技術(shù)的智能播種機(jī)控制功能全面，控制精度高，能夠?qū)崟r(shí)顯示智能播種機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過觸摸屏可以完成對智能播種機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能控制�；�于IoT的智能播種機(jī)極大提高了農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，對提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益有著重要的指導(dǎo)意義。

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　　作者：李娜，王麗杰

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