基于Cortex-M3的免耕播种机监控系统设计与试验

孙永佳 沈景新 窦青青 李青龙 陈 刚 孙宜田

(山东省农业机械科学研究院， 济南 250100)

0 引言

东北地区玉米播种面积大，农民习惯将基肥和口肥随播种一同施入。口肥可以提供玉米苗期营养,满足种子发芽及生长发育初期的营养需求, 为后期生长打下基础，并能改善种床的理化性状和提高微生物活性。由于口肥与种子直接接触或距离较近，对肥料用量的要求较严,施用不当易引起烧种、烂种,造成缺苗断垄现象[1-2]。由于机具播种作业过程具有全封闭特点，机手无法直接监测播种施肥作业状况，对作业过程中出现的排种、排肥故障无法进行预判，影响了播种施肥质量。

针对精准农业中播种机智能化监控和变量施肥问题，国内外学者进行了大量研究[3-13]。国外的高端播种机安装智能监控系统，不仅能实现播种施肥状况的监控，而且具有变量施肥的功能，通过电磁比例阀控制液压马达带动施肥机构实现变量施肥，如John Deere公司的JD-1820型变量施肥播种机、CASE公司的Flexi Coil施肥播种机等，但是，这种控制方案成本太高，无法应用于国内玉米播种机。国内研究的各种播种机监控系统实现了排种质量的监测，但缺少口肥的变量施放装置，研究的变量施肥装置又多在稻麦播种机上应用。针对东北地区玉米种植模式，国内一些企业已经开发出对应的具备施口肥功能的免耕播种机，如北京德邦大为科技股份有限公司的2BMG-4型高性能免耕精量播种机，吉林省康达农业机械有限公司的2BMZF-4型免耕指夹式精量施肥播种机，在原有精量播种机的基础上增设了施口肥装置，实现了基肥、口肥一次施入，简化了生产环节。但这两种机型施口肥装置的施肥量无法进行设定和变量调节，容易造成施用不当的情况，整机缺少一体化的监控系统。

针对上述问题，本文以基于Cortex-M3内核的STM32F103芯片为核心芯片，采用面源无盲区抗尘监测技术和增量式PID控制技术，设计一种可以监测播种质量、设定和变量调节口肥施用量的播种机监控系统，并进行室内试验和田间试验验证，以期改善玉米免耕播种机的工作性能。

1 系统总体方案与关键部件设计

图1 监控系统整体结构图 Fig.1 Structure diagram of monitoring system 1.多功能控制终端 2.采集驱动模块 3.速度传感器 4.种子传感器 5.料箱传感器 6.施口肥装置

监控系统组成及结构如图1所示，监控系统包括多功能控制终端、采集驱动模块、种子传感器、速度传感器、料箱传感器、施口肥装置。多功能控制终端位于驾驶室内，内部集成了显示器和薄膜面板，用于显示作业信息、报警信息以及作业参数的录入和查询，并处理采集驱动模块发送过来的信号计算生成作业信息，发送至显示器显示，判断出故障时进行报警提示。采集驱动模块安装在机具上，用于采集、处理各个传感器的脉冲信号和驱动口肥电动机，并将计算处理后的信号通过CAN总线发送给控制终端。种子传感器安装在播种单体下方的导种管处，种子经过时传感器产生一定时间宽度的脉冲信号，根据此信号来统计播种数并判断缺种、堵种故障。速度传感器安装在地轮转动轴处，采用增量式编码器测速，分辨率为100 P/R，地轮转动一圈编码器输出100个速度脉冲信号，根据此信号进行作业速度换算和作业面积统计。料箱传感器用于检测基肥肥箱是否缺肥。施口肥装置用于口肥的精准变量施放，并装有口肥电动机转速测量装置，为口肥电动机的闭环控制提供反馈。

1.1 种子传感器设计

针对目前的光电传感器存在灰尘堆积导致感应信号衰弱的问题[14-17]，本文采用光电式面源无盲区抗尘监测技术设计种子传感器，其发射端包含3个串联连接的红外发射管，接收端为1片面源式硅光电二极管，用于把照射到表面的光能转化为电能，与传统的光电二极管相比，其感光面积更大，当导种管中灰尘增多导致照射到硅光电二极管接收面上的光能减弱时，其转化的电能仍可以满足系统后级电路的触发要求，而传统光电二极管由于感光面积不够大，此时的感应电能衰弱很明显，无法导通后级电路，因此存在传感器灵敏度在多尘环境下降低的问题。硅光电二极管外罩有透明玻璃外壳，感光区域与种子不直接接触，避免了种子下落时对感光器件的划损，且不易附着、堆积灰尘，种子下落时与感光器件的接触可以对灰尘起到一定的清除作用。种子传感器结构图如图2所示。

图2 种子传感器结构图 Fig.2 Structure diagram of seed sensor 1.硅光电二极管 2.电路板 3.防尘玻璃罩 4.红外发射管 5.发射管固定支架

图3 种子传感器监测区域示意图 Fig.3 Sketch of monitoring area of seed sensor 1.硅光电二极管 2.导种管横截面 3.监测盲区 4.红外发射管

传感器器件布局和选型时还要考虑监测盲区的问题，本文设计的种子传感器接收部分的硅光电二极管感光区域尺寸为4 mm×19 mm，可覆盖整个导种管内截面，因此盲区不会在接收端部分产生。红外发射管选用SHARP公司的GL537，发光角度θ=25°，直径D=5 mm，3个发射管中心间距d1=6 mm，左右两侧的发射管壁与导种管内壁的间距d3=1 mm。为保证发射的红外光强度，发射管应尽可能靠近导种管内壁[18]，所以发射管安装时顶端紧贴导种管内壁，发射管顶端到发光处的距离d2=10 mm，种子传感器监测区域示意图如图3所示，形成的监测盲区位于两个相邻发射管处和两侧发射管与导种管内壁处，4个三角形区域两两对应，根据几何关系可知监测盲区的宽度b1、b2，以及长度L1、L2的计算公式为

(1)

(2)

根据本文设计的布局尺寸，代入式(1)、(2)中计算得出L1=3.5 mm，b1=1.6 mm，L2=5.9 mm，b2=1.3 mm，而玉米种子三轴基本尺寸大约为：长度11.9 mm、宽度8.0 mm、厚度4.1 mm[19]，无论玉米种子以哪种形态下落，其横截面积都远大于4个监测盲区的面积，都可以遮挡住红外光信号，因此，本文设计的种子传感器不存在监测盲区。

1.2 施口肥装置设计

排肥盒选用外槽轮式排肥器，可通过调节旋钮调节槽轮的工作长度，从而实现口肥量的标定，驱动电动机选用12 V/50 W蜗轮蜗杆式直流电动机，涡轮连接轴一端与编码器连接，一端与槽轮连接，编码器选用欧姆龙公司的E6B2-CWZ1X增量型编码器，分辨率为100 P/R，当涡杆带动涡轮转动时，编码器随之转动，一圈输出100个脉冲信号，通过该脉冲信号可进行施肥量标定和计算，施口肥装置结构图如图4所示。

图4 施口肥装置结构图 Fig.4 Structure diagram of fertilizing device 1.直流电动机 2.增量型编码器 3.编码器固定支架 4.肥盒 5.槽轮 6.槽轮旋钮 7.施肥口

2 硬件电路设计

2.1 主芯片

选用STM32F103作为控制芯片，该芯片采用 Cortex-M3内核,是专门针对低功耗、低成本、高性能嵌入式应用所设计的[20]。STM32F103内置了512 KB的FLASH和64 KB的SRAM，可直接运行内部代码，无需外部扩展；内部定时器具有输入捕获和PWM输出功能，满足系统脉冲采样和电动机驱动的需求；自带的基本扩展CAN控制器支持CAN协议2.0A和2.0B，波特率最高达1 Mb/s，可实现高速率、高可靠的CAN总线通信。

2.2 传感器信号采集电路

监控系统包括4种传感器，分别为：种子传感器、速度传感器、口肥电动机转速测量传感器和料箱传感器，前3种传感器输出脉冲信号，料箱传感器输出高低电平，传感器信号采集电路如图5所示，采用Altium Designer软件绘制。信号经光电耦合器TLP281和反相器74HC14两级反相后，分别输入到STM32F103的输入捕获定时器TIM2的通道1～3和普通I/O PA4，捕获定时器设计为1 μs计数1次，上升沿计数，并设置重装载值最大，通过输入捕获功能实现脉冲宽度和频率的测量。光电耦合器TLP281同时还具有电平转换功能，把12 V的传感器信号转换为3.3 V，满足STM32F103单片机I/O口的电平限制要求。

图5 传感器信号采集电路 Fig.5 Sensor signal sampling circuit

2.3 电动机驱动电路

施口肥装置采用外槽轮式排肥器，内部装有刷肥毛刷，口肥电动机只能沿逆时针方向转动，因此采用半桥电路驱动口肥电动机，MOSFET功率器件选用N沟道的IRF3205，其工作噪声较低、工作频率高、抗干扰能力强，MOSFET驱动芯片选用L6384，该芯片是ST公司生产的不对称半桥驱动芯片，采用BCD离线工艺制造，具备施密特触发器输入和死区时间设置，驱动能力强，频率特性好，电动机驱动电路如图6所示。L6384的1号引脚连接在单片机定时器TIM4的通道上，6号引脚和GND接口肥电动机，TIM4定时器配置为PWM输出，频率为1 kHz，占空比0～99%可调，通过调节PWM输出占空比实现口肥电动机的转速调节。

图6 电动机驱动电路 Fig.6 Motor driving circuit

2.4 CAN总线接口电路

为了保证监控系统各模块之间数据传输的准确性和可靠性，以及系统的可扩展性和移植性，适应农田高噪声、高振动的复杂恶劣环境，各个模块采用CAN总线进行数据通信。STM32F103单片机内部自带一路CAN控制器，但是由于CAN总线电平不能直接连接到单片机，所以外部需增设CAN总线驱动器实现电平转换，本文选用PHILIPS公司的高速CAN总线驱动器芯片TJA1050。TJA1050是CAN控制器和物理总线之间的接口，硬件内部集成了CAN底层协议，且包含电流限制电路和温度保护电路，使用方便、安全性高，总线接口电路如图7所示，R53为终端匹配电阻。

图7 总线接口电路 Fig.7 Bus interface circuit

3 机载显示器设计

机载显示器选用北京迪文科技有限公司的5.0英寸65 K色的DGUS屏,分辨率为800像素×480像素，亮度为900 nit，阳光直射下界面内容也清晰可见[21]。本文设计的显示器主界面和薄膜面板界面如图8所示，适用于2行和4行玉米播种机，主界面显示机具的作业幅宽、作业面积、作业速度、作业时间、行播种量、亩播种量等参数，每行的播种性能通过数字加圆环图标的形式展示，数字表示具体的播种数值，圆环表示每行亩播种量与理论亩播种量的比值，比值大于90%时，圆环显示绿色，小于90%时圆环变红。主界面除了显示各行的播种性能外还显示整机的播种性能，以百分比加条形框的形式展示。当出现缺种、堵种、缺肥、堵肥、模块异常故障时，显示器弹出红色闪烁叹号图标，并在图标上方显示具体的故障类型。

图8 显示器主界面和薄膜面板界面 Fig.8 Interface of screen and membrane panel

对显示器的操作通过薄膜面板按键来实现，需要进行作业参数设置时，点击设置按键，主控模块给显示器发送页面切换指令：5A A5 04 80 03 00 0B，界面切换到参数设置页面，如图9所示，在该界面完成参数基本设置和口肥电动机标定，通过左右按键实现设置参数的切换，用灰色图标指示选中，上下按键实现设置参数的增减。圆圈中的数字表示转动圈数，口肥电动机标定时，数字从20开始递减至0，表示电动机转动20圈，将每行计量的肥料质量除以20即可得到每行口肥电动机转动一圈的排肥量。

图9 参数设置界面 Fig.9 Parameter setting interface

图10 参数查询界面 Fig.10 Parameter inquring interface

单次作业完毕后，可以点击薄膜面板上的保存按键，把作业时间、作业面积、机器性能和平均亩播种量保存下来，点击查询按键界面切换到参数查询界面，如图10所示，单界面显示4次作业记录，通过上下按键可进行作业记录翻页查询，查询完毕后点击返回按键，界面切换回主显示界面。

4 监控系统软件设计

根据系统方案布局方式，监控系统的软件设计包括：多功能控制终端软件设计和采集驱动模块软件设计，软件开发环境为Keil uVision5,多功能控制终端软件用于完成作业参数设置、保存和查询、采集驱动模块信息接收和处理、CAN总线通讯、故障报警等，其程序流程图如图11所示。

图11 控制终端软件流程图 Fig.11 Flow chart of control terminal software

采集驱动模块软件用于完成口肥电动机的调速、传感器信号采集和处理、增量式PID算法实现、CAN通讯等功能，口肥电动机的调速采用离散的增量式PID算法实现。增量式PID是一种在过程控制中使用范围很广的控制算法，具有鲁棒性好、可靠性高并且参数易整定等优点[22-25]。离散的增量式PID算法方程为

Δuk=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(3)

式中 Δuk——PID控制器输出值

e(k)——第k次采样的偏差值

Kp——比例系数Ki——积分系数

Kd——微分系数

本文设计的监控系统通过增大或减小定时器的PWM输出占空比来实现电动机的加速或减速控制，程序设计时通过调节TIMx→CCRx寄存器的值来实现PWM输出占空比的变化，因此，Δuk对应TIMx→CCRx寄存器值的增量，而e(k)在软件中表示口肥电动机的理论转速与实际采样转速的偏差。假设在Δt时间段内机具以速度v作业，设置的机具幅宽为w，A为机具这段时间内的作业面积，则

(4)

又有设置的机具施口肥量为m0，作业行数为4行，则该时间段每行需要的施肥量为

(5)

假设标定完的某行电动机每圈的排肥量为m1，该行电动机的理论转速为n，则有

(6)

(7)

增量式PID算法的实现还需要整定Kp、Ki、Kd3个控制参数，通过综合响应速度、稳定性、超调量和稳态精度对系统的影响来进行PID控制参数整定。实际整定时，先将Ki、Kd的值置为零，控制算法为纯比例控制，Kp初始值根据经验数据进行设定，从小往大调，增大Kp可以提高口肥电动机的响应速度，但同时也会增大系统的超调量，此时可以通过加入Kd系数来减小超调量，Kd系数也是从小往大调，过大会导致系统产生稳态误差。当系统出现稳态误差时，通过调节Ki系数来消除系统的稳态误差，但是增大Ki会降低口肥电动机的响应速度。由于超调量对本系统影响较小，参数整定时选取使系统响应速度快的方案，通过不断试验整定，在Kp=6，Ki=0.012，Kd=0.1时得到比较理想的特性曲线，仿真结果如图12所示，此时口肥电动机的转速控制比较理想，达到要求。

图12 转速控制特性曲线 Fig.12 Characteristic curves of speed control

5 试验

5.1 室内试验

图13 试验台 Fig.13 Test bed

为了验证本文设计的播种机监控系统的技术指标及可靠性，在田间试验前先搭建试验台进行室内试验，试验台如图13所示，口肥电动机通过4个定位孔安装在肥箱下方，与肥箱底部严密接触，不存在漏肥现象，导肥管下方安放收集肥料的盒子；种子传感器通过导种管安装在排种器下方，位置与下种口相适合，不存在漏籽、挡籽的问题，导种管下方安放收集种子的盒子。通过试验台进行口肥量变量控制试验和播种量计数试验，口肥选用吉林省扶余化工有限责任公司的扶化牌复合肥料，氮、磷、钾肥质量比为8∶23∶5，总养分大于等于36%，是玉米专用口肥。种子选用山东登海种业股份有限公司的登海牌京科968，籽粒黄色、半马齿型，百粒质量39.5 g。

5.1.1口肥量变量控制试验

试验开始前，先进行口肥电动机标定，肥箱装满口肥，清空口肥盒，电动机转20圈，将盒子中收集的口肥用精度为0.01 kg的天平称量，得到的质量除以20后通过薄膜面板输入到显示器中。试验中，作业幅宽按四行机计算，设置为2.6 m，口肥量设置为75 kg/hm2，作业速度依次设定为3、4、5、6、7 km/h，每个作业速度下试验5次，每次试验时间10 min，记录不同作业速度下收集的口肥量，计算平均值，与该速度下的理论排肥量进行比较，并计算偏差，试验结果如表1所示。其中，理论排肥量m2与作业速度v关系为

(8)

从表1可以看出，施口肥装置的排肥量随作业速度不同而变化，实现了变量控制的目标，与理论值的偏差控制在5%以内，控制精度较高。

表1 排肥量试验结果 Tab.1 Fertilization experiment result

5.1.2播种量计数试验

试验台排种器采用可调速直流电动机驱动，转一圈排18粒种，排种株距按照20 cm计算，试验中设置电动机转速为150 r/min，重复试验5次，每次试验时间2 min，记录盒子中的实际种子数和显示器显示的种子数，各次试验数据如表2所示。从试验数据可以看出，监控系统播种数计数偏差在4%以内，计数准确率较高。

表2 播种量计数试验结果 Tab.2 Seeding quantity counting experiment result

5.2 田间试验

为检验监控系统的实际性能，系统安装在佳木斯沃迪农机制造有限公司的德邦大为2BMG-4型免耕精量播种机上，并在其试验田进行了田间试验，田间试验如图14所示，口肥选用与室内试验相同。

图14 田间试验 Fig.14 Field experiment

试验开始前，按照室内试验方案进行4行口肥电动机的标定，并把标定结果输入到显示器中。试验时，在4个口肥导肥管下方安装接肥袋，试验地块量取1 000 m试验距离，口肥量设置为75 kg/hm2，作业幅宽为2.6 m，代入式(8)可得每行的理论施口肥量为4.87 kg，机具按照3、4、5、6、7 km/h的速度稳定行驶，每个作业速度重复试验5次，试验完成后将接肥袋中的肥料分别收集编号，用精度0.01 kg的天平称量并记录。试验统计结果如表3所示，分别计算各行施口肥量的平均值以及一致性的标准差和变异系数

(9)

式中n0——机具的作业行数n——试验次数

xi——每行同一作业速度下各次施口肥量的平均值，kg

γs——各行口肥量平均值与理论值偏差，%

x0——每行的理论施口肥量，kg

S*——各行施口肥量一致性的标准差，kg

V——各行施口肥量一致性的变异系数，%

从表3可以看出，相同作业速度下，各行施口肥量的变异系数小，偏差在5%以内，一致性和准确性较好，不同作业速度下，各行排肥量基本恒定，实现了随作业速度变量施肥的功能。

表3 各行口肥量一致性试验结果 Tab.3 Experiment result of each row fertilizer quantity consistency

6 结论

(1)针对目前玉米精量播种机对作业状况智能化监控和口肥量变量调节的需要，设计了面源无盲区监测种子传感器和变量施口肥装置，并集成开发了一套基于Cortex-M3处理器的监控系统，通过薄膜面板设置施口肥量，作业过程中能根据机具实际作业速度实时调节各行口肥量，并实时监测播种、施肥状况，提高了口肥利用率和精准率，提升了机具性能。

(2)室内试验和田间试验结果表明，监控系统能实现播种量精准计数和口肥精准变量调节，播种数计数偏差在4%以内，当施口肥量设定为75 kg/hm2时，不同作业速度下，实际施肥量与理论施肥量的偏差在5%以内，同一作业速度下，各行施口肥量的变异系数在3%以内，播种计数和施肥作业精度达到了设计目标。