石 磊，陈开东，李 伟，张建峰

（无锡华普微电子有限公司，江苏无锡214035）

1 引言

农业是国民经济发展的基础，农业和农村的发展直接影响着中国国民经济的可持续发展和社会稳定。随着农业的发展，我国的化肥使用量呈增长趋势。化肥是农业高产量的主要要素，且化肥成本在总成本中占据的比重较大，我国化肥总产量占世界的16.6%，仅次于美国，居世界第2位，总施肥用量占世界的27.5%，居世界第1位[1]。但我国存在化肥利用率偏低和氮、磷、钾及微量元素施用量比例失调等问题，未被利用的化肥一方面造成经济上的重大损失[2-3]，另一方面导致土壤生产力下降、地下水污染等生态问题以及农产品品质下降等问题，化肥的精准化利用直接影响农作物的产出和农民的收入以及环境的质量。精准农业是当代农业发展的大方向，而自动化精准施肥作为精准农业的重要组成部分，是解决上述问题的有效手段。自动化精准施肥能根据不同地区、不同农作物、不同的土壤和生长环境，全面平衡施肥量，具有明显的经济效益和环境效益。至今为止，国内外已有许多专家学者对变量施肥技术做出了研究[4-15]，但同国外研究相比，中国的变量施肥技术还不成熟，化肥使用仍存在较多缺陷，因此，研究和开发自动化、智能化、精准化的施肥机，对实现我国农业可持续发展具有非常重要的意义和实用价值。

本文研究的是基于4G网络与比例-积分-微分（Proportional Integral Differential，PID）算法[16-17]设计的自动化精准施肥控制系统，利用现代信息技术、物联网技术和微信平台来实现施肥机的远程租赁、资源共享[18-19]。用户可以通过对系统进行不同的配置来实现施肥量的动态调整，即按需投入，可大大提高化肥的利用率，减少浪费、降低对环境和食品安全的危害。整个系统具有操作简单、施肥量可调范围广、控制性能稳定可靠、控制精度较高等特点。

2 系统总体设计

施肥控制系统如图1所示，主要由按钮总成、肥料监测、主轴监测、施肥电机、施肥电机转速监测装置、4G通讯模组、LCD显示屏等部分组成。4G通讯原理如图2所示，设备实物如图3所示。

图1 施肥控制系统

图2 4G模组原理

图3 系统实物图

施肥电机采用直流电机经行星减速箱减速输出，输入电压为9~24 V，对应经行星减速箱输出的转速为400 r/min，施肥电机采用恒扭矩控制方式，在电机尾端装配转速传感器，实时监测电机的转速。主轴转速监测主要采用霍尔转速传感器监测齿数为20齿的齿轮，为保证其稳定性（减小数值的跳动性），可采用计数方式进行转速监测，主轴转速即行驶速度。

3 控制系统软件设计

3.1 单片机施肥控制软件设计

本系统的设计主要以单片机为核心，系统采用C语言，软件上采用顺序结构的设计方法，控制程序主要由初始化程序、主程序和中断服务子程序组成。设计流程如图4所示。

图4 设计流程

设备上电后首先进行初始化，再从Flash中读取参数配置，包含电机参数配置、肥料参数配置、设备金额、服务器的域名（IP）以及服务器端口号。初始化和参数加载完成后界面跳转到主界面，设备通过配置的IP和端口号向服务器发送连接请求，如果连接不成功在配置界面显示连接错误。同时施肥机等待施肥逻辑触发并实时检测参数配置输入。主界面、配置界面和充值二维码界面分别如图5~7所示。

图5 主界面

图6 配置界面

图7 充值二维码界面

3.2 设备远程通信机制

底层通信协议采用TCP长连接，终端为客户端，平台为服务端，默认监听端口9002。平台可通过“通信参数设置”命令修改TCP服务端IP地址或端口。协议报文采用网络字节序（Big endia）。

平台连接维护：

1)平台与终端建立新的连接时，关闭与终端之前建立的连接；

2)平台在连续5个心跳周期内没有收到终端数据，关闭当前连接；

3)平台在发送消息给终端时，如果检测到链路异常，关闭当前连接。

终端连接维护：

1)终端上电及通信模块复位后，与平台建立新的连接；

2)连接失败后，终端每隔2 s后尝试重新与平台建立连接；

3)终端与平台建立新的连接后，关闭之前的连接；

4)终端在发送消息给平台时，如果检测到链路异常，关闭当前连接；

5)终端在达到重传次数后，仍未收到应答，关闭当前连接。

3.3 设备充值系统

系统由前端应用、后台和终端设备组成。前端应用包括微信小程序和业务管理Web客户端。后台包括在线支付系统、业务管理系统、第三方系统接口、系统管理4个子系统，其中设备二维码在线生成算法集成在设备系统中。

1)用户通过微信扫码可以自动触发客户服务微信小程序；

2)进入微信小程序后，如果客户名下只有一台设备，小程序会自动进入该设备的管理界面，如果客户名下有多台设备，小程序将显示客户设备清单，需要用户在设备清单中选择特定设备；

3)用户选定设备后，预付费界面显示客户姓名（或单位名称）、联系电话、设备编号、设备剩余工作时间、最近缴费时间、最近缴费金额等信息；

4)用户可填写本次采购金额（或采购作业时间）后发起订单支付。

充值流程如图8所示。

图8 充值流程

3.4 施肥电机控制流程设计

设定好电机系数、程序系数、肥料参数、施肥量等作业参数后，启动施肥机，在程序中通过定时器和外部中断采集施肥机行驶速度。在尾部行程开关闭合的状态下，单片机采集施肥机的行驶速度后，根据设定好的参数并结合施肥公式计算出施肥电机的转速，施肥电机控制流程如图9所示。

图9 施肥电机控制流程

施肥量精确度与施肥电机转速有着密切的联系，电机通过皮带带动8路施肥螺杆完成施肥过程；试验过程中，根据计算出的驱动电机理论转速与驱动电机反馈的实际转速，实时调整电机转速达到预设的目标转速，当实际转速误差大于目标转速时，系统将减小输出电压占空比；当实际转速误差小于目标转速时，系统将增加输出电压占空比；系统通过PID控制算法对施肥电机转速进行实时调控，保证施肥量均匀。结合施肥量、施肥机行驶速度和施肥电机转速的关系，施肥电机转速计算式如下：

式中：A为每公顷最大施肥量，单位kg/hm2（1 hm2=10000 m2）；Vmax为施肥电机最高转速，单位r/min；B为用户设置每公顷施肥量，单位kg/hm2；D为施肥电机系数；C为程序匹配系数；F为肥料参数；V1为主轴监测的实时行驶速度，单位km/h；VN为主轴的最高行驶速度，单位km/h。

4 测试与分析

4.1 施肥电机转速采集

为了测试系统的施肥电机转速采集准确性，使用信号发生器产生方波控制施肥电机转动，利用示波器实时监控施肥电机转动带动齿轮转动产生的霍尔信号频率，来计算施肥电机的转速，计算式如下：

式中：fH为霍尔频率，单位Hz；P为齿轮的极对数。

试验过程中，使用极对数为10的齿轮，施肥电机连续转动1 min后取平均值，根据示波器采样频率并结合公式进行计算得出实际转速，通过实际转速与采集转速计算后得出采样准确率。准确率=1-|(采集转速-实际转速)|/实际转速，从表1可知，总体的采样准确率为99.33%。

表1 施肥电机转速采集试验结果

4.2 施肥电机控制精度试验

试验过程中，将施肥量分别设置成225 kg/hm2和405 kg/hm2，利用电机带动齿轮转动来模拟行驶速度，范围为0.3~4.5 km/h。设定每公顷最大施肥量为675 kg/hm2，施肥电机最高转速为400 r/min，施肥电机系数为1，程序匹配系数为1，肥料参数为1，主轴的最高行驶速度为5.4 km/h，连续转动时间为1 min，通过公式计算得出理论转速，并与实际施肥转速计算后得出施肥准确率。

准确率=1-|(实际施肥转速-理论施肥转速)|/理论施肥转速，从表2可知，当施肥量设置值为225 kg/hm2，施肥的准确率平均值为95.06%；当施肥量设置值为405 kg/hm2，施肥的准确率平均值为98.90%。总体的平均施肥准确率经计算为96.98%，误差平均值为3.02%，系统控制精度较稳定。

表2 施肥电机控制精度试验结果

5 结论

本文以单片机为核心设计了一款4G自动化施肥机，试验表明，自动化施肥机操作简单，同时能根据余额状况实现是否进行停机操作并自动弹出充值界面提醒充值；在施肥电机控制精度试验中得出实际与标准的转速偏差均值在3.02%，说明系统在作业时能根据行驶速度实时调整施肥电机的转速，且施肥电机的实际转速与期望的目标转速基本一致，满足系统精准施肥的要求。目前国内的化肥利用率仍远低于部分发达国家，在这一领域的国产自动化设计仍需继续努力。