基于IoT技術的智能播種機控制功能設計

　　隨著精細農業(yè)的發(fā)展，精密播種對農作物生產質量和產量的影響也越來越大。傳統(tǒng)機械式播種機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，嚴重影響了播種作業(yè)的質量和農作物產量。為解決這一難題，引入IoT物聯網技術，通過智能傳感、無線通信和自動控制等先進技術，對智能播種機的控制功能進行優(yōu)化設計。在深入研究分析IoT物聯網體系結構的基礎上，完成了智能播種機控制功能需求分析，對智能播種機控制系統(tǒng)的總體方案進行研究，完成了播種機控制系統(tǒng)的硬件及軟件運行流程優(yōu)化設計。最后，對智能播種機的控制功能進行試驗，結果表明:基于IoT技術的智能播種機具有穩(wěn)定全面的自動控制功能，能夠對播種機的運行參數進行精確控制，且可對播種機的運行工況進行遠程監(jiān)控，具有較大的推廣價值。

　　關鍵詞精細農業(yè);IoT技術;智能播種機;控制功能

　　我國是傳統(tǒng)的農業(yè)生產大國，隨著農作物種植規(guī)模的逐漸擴大，播種作業(yè)的需求也越來越大。播種作業(yè)是農作物種植最基礎的工作，也是最關鍵的一個環(huán)節(jié)，播種質量的好壞直接影響作物種植的產量和質量。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，播種方式逐漸向機械化、智能化方向發(fā)展，越來越多的精準播種機應用在農作物種植上。

　　智能技術論文： 黑松播種育苗關鍵技術探討

　　播種機的應用在一定程度上提高了農作物播種效率，節(jié)省了人力和物力，降低了勞動生產成本;但由于缺乏精確的控制，機械式播種機在播種過程中存在播種株距不均勻、漏播等現象，容易對農作物的產量和質量產生影響。同時，由于缺乏對播種過程的實時監(jiān)控，對播種機的工作工況無法及時掌握，導致播種機機械故障頻發(fā)，故障排除困難，對農業(yè)生產的進度產生了不利影響。

　　為了提高農作物播種精度和產量，提升播種機工作性能，強化播種機環(huán)境適應性，引入了IoT物聯網技術，通過智能傳感、無線通信和自動控制等先進技術，對傳統(tǒng)播種機的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現播種機的全自動智能控制。優(yōu)化后的播種機能夠完成工作工況監(jiān)控及對運行故障預警，實現農作物播種的智能播種、可視化管理、自動控制，達到精確播種、智能播種的目的。

　　1IoT物聯網體系結構

　　IoT是物聯網(InternetofThings)的簡稱，通過射頻技術、紅外感應技術、定位技術等智能傳感設備，將不同功能的物體與互聯網連接，通過互聯網完成不同物體之間的信息交換和無線通訊，從而達到智能識別、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物聯網的體系結構按B/S結構可以分為感知層、網絡層和應用層3個層級。

　　1)感知層為物聯網的基礎，主要用于完成對信息數據的采集、短距離數據傳輸和傳感網絡組網及協(xié)同信息處理。數據采集主要通過傳感器設備、二維條碼、RFID射頻和多媒體信息等采集設備對各類物體的感知信息進行采集，再通過低速和中高速段距離傳輸技術進行傳感網絡組網，進行感知信息的局部預處理。

　　2)網絡層是物聯網的樞紐，用于感應層和應用層的數據傳輸和信息共享。網絡層是通過各類移動通信網絡、互聯網及其他專網等通信傳輸網絡，將感應層采集的數據信息傳輸至應用層，為應用層提供數據支撐，網絡層利用通信網絡技術，對各類信息數據進行處理，保證傳輸至應用層的數據準確可靠，處理方法主要包括異構網融合、M2M無線接入及資源和存儲管理等。

　　3)應用層是物聯網的關鍵，為用戶提供各類專用或通用的應用服務。應用層中的數據來源于感知層，經過網絡層的數據處理后傳輸至物聯網應用支撐子層，從而為各行各業(yè)提供相應的應用服務，包括環(huán)境監(jiān)測、智能電網、智能交通，以及工業(yè)控制等。物聯網應用支撐子層包括公共中間件、信息開放平臺、云計算平臺和服務支撐平臺。

　　2播種機結構及工作原理

　　所研究的智能播種機以精密播種機為研究對象，通過在精密播種機中加裝單片機、傳感設備、驅動電機及各執(zhí)行模塊，使其能夠全面監(jiān)測各運行參數，并達到精確控制的目的，并可通過觸摸屏等設備實現智能播種機的遠程監(jiān)控。智能播種機的行走輪是播種機行進的主動輪，在電動機和變速裝置的作用下，通過齒輪傳動，完成動力驅動。

　　鎮(zhèn)壓輪位于播種機前側，用于機體配重，保證整個播種機的整體平衡。傳感設備包括測速模塊、壓力傳感器、播量監(jiān)測器和視頻采集等，用于對播種機的各類運行參數進行實時采集。智能播種機的控制器以單片機為核心，用于完成對采集數據的分析、計算和處理，并通過無線通信模塊進行數據傳輸和信息共享。智能播種機的執(zhí)行機構包括覆土器、開溝裝置和排種器等，用于實現播種機的翻土、開溝和排種等。

　　3控制系統(tǒng)總體方案設計

　　3.1功能需求分析

　　結合智能播種機的結構和工作原理，基于IoT技術的智能播種機控制功能需滿足以下條件:1)控制系統(tǒng)能夠實時采集播種機的運行狀態(tài)信息，包括種箱數量、播種機行進速度、鎮(zhèn)壓輪壓力等，實現播種機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。2)能夠實時檢測播種機電動機的運行狀態(tài)，通過無線通信模塊實現對電動機的遠程啟動和停機。3)能夠實現播種株距的智能調節(jié)，通過實時檢測播種株距信息，根據生產要求實時調節(jié)排種器上的電機轉速，實現播種株距的準確調控。

　　4)能夠對播種機的運行參數進行數據查看、存儲和導出，便于后期的計算、分析和指導農業(yè)生產。5)能夠在觸摸屏上對播種機的電機轉速、目標株距、排種深度等運行參數進行設置，并對播種機的運行管理進行權限設置，確保產生誤操作。6)具有自動報警和預警功能。通過播種機控制器和觸摸屏的數據傳輸，可以通過觸摸屏對播種機的故障信息進行實時顯示和報警，通過預警模塊提前告知故障點，便于作業(yè)人員及時維護。7)能夠實現播種機控制器、傳感設備與觸摸屏的無線傳輸，通過RS485模塊、4G/以太網等通信網絡實現數據互傳和信息共享。

　　3.2總體方案設計

　　智能播種機控制系統(tǒng)是基于無線網絡進行組建，主要是通過無線通信網絡技術將播種機控制器與各類傳感設備、遙控器及觸摸屏連接成一個大型網絡系統(tǒng)，實現數據信息的傳輸、共享和控制�？刂破魇钦麄�控制系統(tǒng)的核心，用于接收各類采集模塊采集的播種機運行狀態(tài)參數，通過單片機的分析、處理和計算后，將優(yōu)化后的運行參數下傳至各執(zhí)行機構，完成對播種機的智能控制。

　　同時，通過RS485模塊，可以將數據參數傳輸至觸摸屏，實現播種機的遠程控制。通過無線WiFi模塊將播種機控制器和遙控器進行連接，可以遠程控制播種機的啟動和停止。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，用于完成對播種機行進速度的監(jiān)測、播種量的監(jiān)測、鎮(zhèn)壓輪壓力的檢測和播種機工作工況的視頻監(jiān)控。

　　播種機控制器、各類采集模塊及遙控器中都采用了撥碼開關技術，能夠對無線通信網絡中的AP網絡ID、AP網絡密碼及AP網絡IP進行參數配置。當撥碼開關A模塊處于同一狀態(tài)時，各模塊之間將組建無線WiFi局域網，可以進行物與物之間的數據傳輸;若撥碼開關不一致，則無法訪問當前的局域網。撥碼開關技術的應用，可以將多個播種機進行互聯，從而便于對大型農田的管理和狀態(tài)監(jiān)測。

　　4控制系統(tǒng)硬件設計

　　4.1控制器硬件設計

　　播種機控制器主要包括單片機模塊、無線WiFi模塊、各類傳感器、模擬信號處理模塊、撥碼開關、RS485模塊，以及各類狀態(tài)指示燈等。單片機負責完成數據的分析、計算和處理，并將優(yōu)化的運行參數通過RS485模塊傳輸給觸摸屏和電機驅動器�？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行處理，再通過A/D通道進行A/D信號轉換，最后傳輸至單片機中。控制器還設置有紅綠黃3色指示燈，可以指示智能播種機的運行、故障和待機狀態(tài)。

　　4.2單片機模塊設計

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

　　4.3無線WiFi模塊設計

　　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標準服務，質量安全機制同時滿足WPA-PSK/WPA2-PSK和WPA/WPA2。EMW1088通信模塊與單片機通過SDIO通信串口連接，單片機可以完成EMW1088通信模塊的初始化及無線WiFi網絡的參數設置，同時可以接收來自無線WiFi網絡的通信信息。

　　4.4RS485模塊設計

　　選用的RS485模塊采用的是RS485總線，可以同時進行數據發(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計，通過SP3485芯片與單片機進行串口通訊，另外與I/O控制口連接。該模塊工作電壓為+3.3V，是通過電壓轉換電路，將電源模塊的12V供電電壓轉換為+3.3V電壓。同時，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)軟件設計

　　智能播種機控制系統(tǒng)的軟件程序決定了控制系統(tǒng)運行是否合理、參數是否優(yōu)化，主要用于完成系統(tǒng)各硬件模塊的初始化、各子模塊的運算及參數的傳遞，從而保證各子模塊之間數據傳輸的通暢和準確。智能播種機開始工作后，首先對單片機、各類傳感設備、觸摸屏及其他控制芯片等進行初始化，保證各模塊運行前處于初始狀態(tài)。在觸摸屏上進行相關指令的輸入，可以完成智能播種機的參數設置。單片機數據接收端口不斷接收采集設備的采集數據，若有脈沖信號則調用信號采集和處理運算程序;若無接收到脈沖信號，則繼續(xù)等待。信號采集和處理運算程序負責對播種機的運行狀態(tài)進行實時采集，包括播種機前進速度、電機轉速轉矩、壓力信號、播種量及播種株距，并通過無線WiFi模塊將相關數據參數傳輸至觸摸屏中進行實時顯示。

　　采集模塊采集到的數據傳輸至單片機進行分析、處理和計算后，將優(yōu)化后的參數通過無線WiFi模塊傳輸至相關執(zhí)行機構，控制執(zhí)行機構按優(yōu)化后的參數運行。例如，控制播種株距，是通過向電機驅動器發(fā)送脈沖信號，從而保證電機按優(yōu)化后的轉速運行。播種機出現漏播情況時，報警模塊會及時啟動，并及時進行漏播報警;當播種機在運行過程中出現故障時，報警模塊會將故障信息通過無線模塊傳輸至觸 摸屏進行顯示，方便作業(yè)人員檢查和故障排除。

　　6結論

　　為解決傳統(tǒng)機械式播種機播種株距不均勻、漏播及工況不可視等問題，深入研究了IoT物聯網體系框架，并將IoT技術應用在播種機的控制系統(tǒng)中。在研究播種機組成結構和工作原理的基礎上，分析了其控制功能需求，完成了智能播種機控制系統(tǒng)的總體方案設計。對智能播種機控制器的硬件總體方案進行研究，分別對單片機模塊、無線WiFi模塊和RS485模塊進行硬件選型和電路原理圖設計，最后完成控制系統(tǒng)軟件流程的優(yōu)化設計。試驗結果表明:基于IoT技術的智能播種機控制功能全面，控制精度高，能夠實時顯示智能播種機的運行狀態(tài)，通過觸摸屏可以完成對智能播種機的遠程監(jiān)控和智能控制�；�于IoT的智能播種機極大提高了農作物的質量和產量，降低了作業(yè)人員的勞動強度，對提升農業(yè)生產效益有著重要的指導意義。

　　參考文獻

　　[1]司強.基于物聯網的集塵器智能控制系統(tǒng)研究[D].南京:東南大學，2018.

　　[2]金逸超.基于物聯網環(huán)境的智能家居安防系統(tǒng)的研究與實現[D].南京:南京郵電大學，2011.

　　[3]AMARDEOC，SARMAJG.Identitiesinthefutureinternetofthings[J].Wirelessperscommun，2009，49:353-363.

　　[4]楊小琪.基于物聯網智慧農業(yè)平臺建設大數據的研究[D].曲阜:曲阜師范大學，2017.

　　[5]陳紹斌.精量播種機監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].楊凌:西北農林科技大學，2007.

　　[6]王金艷.霍爾傳感器轉速檢測系統(tǒng)的設計與研究[D].哈爾濱:黑龍江大學，2010.

　　作者：李娜，王麗杰

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