自动变量施肥机控制系统研究（一）

1、自动变量施肥机控制系统研究（一）     论文关键词：精确农业  变量施肥  GPS  GIS  单片机控制论文摘要 ：精确农业技术研究发展的驱动力是对农业耕作中发现的作物生长环境和实际收获产量分布的空间差异性的认识，其核心是GPS、GIS、RS等技术支持下的精确定位与变量作业。化肥是农业高产和增产的主要投入要素，化肥成本在农业总成本中占了较大的比重，而且化肥的投入量与利用率直接影响农业产出、农民收入和环境质量。变量施肥适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要进行全面平衡施肥，提高肥料利用率，具有明

2、显经济和环境效益。 我国的化肥投入存在结构不合理、肥料平均利用率低、肥料的增产效益没能充分发挥等问题。在变量施肥技术研究方面，我国基本是引进国外先进技术设备，进行消化、吸收的跟踪研究。因此，研究和开发自动变量施肥技术，对发展符合我国国情的变量施肥技术和实现农业可持续发展具有重要的理论意义和实用价值。本文研究的是基于地图的自动变量施肥控制系统，可自动接收DGPS信号，获得施肥机位置和速度信息，根据施肥决策数据实现变量施肥控制。通过手动和自动两种控制模式，施肥量均可以实现80500kg/ha范围之内的调整，电机转速范围为10200rpm。系统具有结构简单、操作方便易学、施肥量变化范围大、控制性能比

3、较稳定可靠、控制精度理想等特点。此外，本系统借鉴国内外研究经验，以自主开发为主，成本较低，而且可适用于不同型号的变量施肥机控制，适合我国国情，有利于促进变量施肥技术的实施及在中国的推广应用。第一章 绪 论 1.1研究的目的和意义 传统农业的发展日益成熟，一味地依赖高能源投入提高单产的潜力越来越小。同时，现代农业生产方式所秉承的高资源投入、高能耗及其造成的环境危害，使人类体验到强烈的生存危机。人类必须合理地与大自然相处，充分发挥人类的智慧，寻找大自然自身的规律，利用高科技的手段服务于农业生产，走可持续农业的发展道路。高效低害的农业生产方式成为人类追寻的目标。中国是一个农业大国，农业是国民经济的基

4、础，农业农村经济的发展状况直接影响到整个国民经济的持续发展社会稳定。中国人多地少，人均资源相对紧缺。同时，土地资源、水资源都面临着严峻的形势。由人口仍在继续增长，人口与资源的矛盾将日益突出。中国农业发展普遍面临农产品生产成本高、品质差、化肥利用率低、环境污染严重、劳动效率低等问题。过去的半个世纪，中国的化肥投入和粮食单产已经达到了一个较高的水平，其进一步上升的空间有限。参考发达国家因农工程技术所带来的劳动效率和粮食单产增长的经验，中国有必要加大农业工程技术装备的投入，以提高土地利用率、劳动生产率和农业产出率。因此，我国农业发展的途径和方式，既要充分有效地利用资源，又要节约、保护和合理利用资源，

5、大力发展中国式的可持续农业则可望有力地解决人口与资源这一矛盾。精确农业（Precision Agriculture）作为可持续农业的有效发展模式，近年来成为国际上农业科学研究的热点领域。其含义是指利用遥感技术、地理信息系统、全球定位系统等信息技术，在定位采集地块信息的基础上，根据地块土壤肥力、作物病虫害、杂草、产量等在时间与空间上的差异，按农艺要求进行精确定位、变量耕种、变量施肥、变量灌水、变量用药等农业技术的调整管理，最大限度地优化使用各项农业投入，以获得最高产量和最大经济效益。精确农业有利于提高农产品产量和品质，高效利用资源，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源，减少对环境的污染，

6、代表着农业的发展方向。由于化肥成本在农业投入中占有比较大的比重，而且化肥的投入量与利用率直接影响农业产出、农民收入和环境质量，因此，变量施肥技术是精确农业作业体系中重要的组成部分之一。1.2变量施肥及其必要性 精确农业的核心是GPS、GIS、RS支持下的精确定位与变量作业。变量投入技术VRT(Variable Rate Technologies)如图1.1所示。变量施肥，是指根据地块的不同要求，有针对性地撒施不同配方及不同量的混合肥。变量施肥的田间操作，主要由变量施肥机来完成，这种机器是一台装配有GPS系统计算机的拖拉机。具体过程如下：田间各小区所需肥料的比率及单位面积施用量，都经过专家系统决

7、策事先存入计算机；当拖拉机在田间行驶时通过GPS的准确定位获取机具当前位置信息；经计算机的提示控制撒播施肥量，然后将N、P、K等肥料按比例施入田里【6。8】。这样就防止了化肥的过量使用以及由此而产生的环境污染，提高了作物产量和品质，同时带动农业施肥技术及田管商业化的发展【9、10】。化肥是农业高产和增产的主要投入要素，化肥成本在农业总成本中占了较大的比重。如19931994年，美国在阿华达州的两个农场开展了精确农业试验，利用GPS的变量施肥技术表明，产量结果比传统均衡施肥提高了30%【12】。明尼苏达大学在明尼苏达州汉斯卡农场实验研究表明：传统农业每公顷施肥为119.8kg，而变量施肥平均为8

8、2kg。扎卡比森甜菜农场采用变量施肥技术减少了氮肥用量，肥料投入每公顷平均减少15.52美元，收益平均每公顷增加358.32美元【9、11、12】。我国的化肥投入突出问题是结构不合理，肥料平均利用率较发达国家低10%以上，氮肥为3035%，磷肥为1020%，钾肥为3550%，低于美国和日本的氮肥利用率（可达6070%）。化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成养分投入比例失调【13、14】。而地域和养分不平衡有进一步减少了肥效。施肥量的多少和利用率高低直接决定着农业产量和农民收入。传统的施肥方式是在一个地块内使用一个施肥量。而在同一地块内，土壤养分含量存在着差异，如果采用平均施肥，会造成在肥力低

9、而其它生产性状好的区域施肥不足；而在肥力高但其它生产性状不好的区域则施肥过量，其结果必然造成肥料浪费、成本提高和环境污染。变量施肥适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要进行全面平衡施肥，提高肥料利用率，具有明显的经济和环境效益，有望成为未来施肥的发展方向【15、16】。1.3施肥主要支撑技术（1） 全球定位系统（Global Positioning System，GPS） 精确农业中的定位信息采集与变量实施，需要应用GPS。已经建成投入运行的有美国GPS系统和俄罗斯的全球轨道导航卫星系统(GLONASS)。目前欧洲为了满足本地区导航定位的需求，计划开发针对GPS和GLONAS

10、S的广域星基增强系统（EGNOS），包括地面设施和空间卫星，以提高GPS和GLONASS系统的精度、完备性和可用性。同时，为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一领域的垄断，欧洲决定启伽利略计划，建立自主的民用全球卫星定位系统（GALILEO）。应用于农业的GPS产品，如美国Trimbl公司Ag132 12通道GPS接收机，可接收信标台发布的地区性差分校正信号免费服务或获得由近地卫星转发的广域差分收费校正信号服务，提供可靠的分米级定位和0.16km/h的速度测量精度。可用于农田面积和周边测量、引导田间变量信息定位采集、作物产量小区定位计量、变量作业农机械实施定位处方施肥、播种、喷药、灌溉和提供

11、农业机械田间导航信息等。（2）地理信息系统 (Geographical Information System，GIS) GIS是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据信息系统，即它是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管理系统，在技术上已经成熟【1。它在精确农业技术体系中主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量的空间分布等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方信息【2】。（3）传感、监测系统及遥感（Romote Sensing，RS） 精确农业技术实

12、际上是一种以信息为基础的农业管理系统。它利用传感器及监测技术可以方便、准确、完整地获得当时当地的必要数据，再根据各因素在控制作物生长中的作用规律或其相互关系，迅速作出恰当的管理决策，进而控制对作物的投入或调整作业操作。广义的说，遥感是在不接触的情况下，对目标物进行远距离感知的一种探测技术；侠义上说是指通过航空或航天遥感平台（飞机或卫星），利用传感器（如扫描仪、雷达等）获取目标物反射或辐射的电磁波信息，通过信息的传输和处理，实现目标物远距离探测研究的科学技术。RS技术是未来精确农业物技术体系中获得田间数据的重要来源，它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多年来，RS技术在大面积作物产量预测，农

13、情宏观预报等方面作出了重要贡献。（4）计算机控制器(Computer Controller)及变量执行设备(Variable Application Equipment)控制器接收DGPS中的位置信号，从GIS中电子地图提取变量决策信息，接收实时传感器的信息，并将它们经过处理转换为控制信号，然后输出给变量执行设备，通过液动、气动或电动系统实现对作物的变量投入。控制器还可以接收执行设备传来的反馈信号，对作物投入量进行调整并存档备查。【2】 此外，在英国、德国、荷兰、法国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家都有开展精确农业研究和应用的报道。日本、韩国等国家近年来已加快开展精确农业的研究工作，并得到政府部

14、门和相企业的大力支持。变量施肥技术作为精确农业技术的重要组成部分，经过近二十年的研究与开发，在欧美发达国家发展很快，已初具规模，其相关技术已日臻完善和商品化【26，27】。近年来，美国在播种、施肥、喷药、灌溉技术等方面已实现变量控制【6】。目前变量施肥大多数是基于电子地图的自动变量施肥，其中根据GPS信号和施肥量信号向驱动模块发出控制指令的控制台是整个变量施肥系统的核心。欧洲的RDS公司、Hrdro Agri公司等，美洲的Agtron公司、Agleader公司、MicroTrak公司、MidTech公司、Trimble公司等已经有具有通用性的产品上市，其接口可以适应液肥、粒肥等多种作业机械的控

15、制。例如，1995年美国明尼苏达州、华盛顿州开发了商品性变量投入技术(VRTVariable Rate Technology)应用设备【11，28】。MidTech公司生产的新型控制器TASC6200具有较大的适应范围，可控制液体、颗粒状固体、液态氨、排种、化学农药注射系统等，具有很大的通用性。Rawson控制系统公司生产的ACCU-RATE变量控制器【29】是一种多功能的处理器，可以进行编程独立控制两种种子变量播种，或者在同一时间控制种子和化肥两个量。有两个RS-232口用来输入两种GIS决策信息，其处理器可以显示速度信息、面积计算、距离以及每亩种子数量和化肥的重量。该处理器有一个GPS工作

16、模式和一个人工作业模式，在人工作业模式下，通过拨号来控制施肥量或播种量的变化。可以用于精确播种、条播、飞播任意类型的种子，也可以用于液态化肥或固态化肥的变量实施。另外，Ag Leader公司生产的PFA田间计算机【29】使精确农业播种和施肥的精确和简单达到一个更高的水平。它带内置GPS，可直接控制Rawson变量液压驱动系统，不需变量控制器中间环节。通过手动设置或自动读取处方图，控制播种、固体化肥或液态产品的施用。作业过程中可记录实际施肥量或播种量，同时利用导航光靶进行导航。日本对氮肥变量实施进行了研究。由Hatsut工业公司制造的稻田变量施肥机是基于地图的，可施用固体肥料、喷药等。系统由电子

17、马达、容量为120L的肥箱、六个测连装置和十二只喷管组成，由地轮传感器测得机具前进速度，机载GPS测得位置信息，查询地图中相应的施肥量，从而控制排肥口的施肥量。实验表明变量施肥比传统均一施肥节肥12.8%，而且使水稻种植获得高产成为可能【30】。俄罗斯全俄农机化研究所【31】自行研制了自动变量施肥机，并进行了田间试验。该机自动变量控制原理是：在排肥口装一个电磁铁和共振片，通过控制电磁频率，使共振片震动，达到开启和闭合的目的，从而自动控制施肥量变化。德国AMAZONE公司【10，32】开发了一种主要用于麦类作物春季追肥的实时自动变量施肥机。在该机器的中央控制单元里，存储变量施肥处方图，同时通过拖

18、拉机前部安装的基于机器视觉的作物长势传感器，监测作物冠层的叶绿素含量，判断作物的营养状态，计算出氮的追肥需要量对原来的处方图作出修正，然后通过液压马达控制变量施肥。精确农业在美国等发达国家已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业，已被广泛承认是可持续发展农业的重要途径，并无疑是21世纪领先的农业生产技术。美国液态复合肥使用率高,复合肥中大量元素供给量也明显高于我国。据研究报道，美国氮肥中液N使用量占23.6%，复合肥中供N和P的百分率分别为20.1%和93.4%。而中国目前液态N肥的生产和使用量非常少，P、K及其它液肥几乎没有；复合肥中提供N的百分率为7.2%(比美国低13%)，提供P的比例

19、为40.4%(比美国低53%)。在液态复合肥应用上，我国落后美国2030年【35】。因此，在普及应用颗粒复合肥的同时，逐步推广液态复合肥，研究和引进美国液肥生产和施用技术，对发展我国农业具有很大促进作用。目前精确农业的技术思想已开始在我国传播和引起科技和产业界的重视。国家在863计划中已列入了精确农业的内容【11，36】，也有多家科研单位开展了变量施肥的研究工作。河北农业大学人工智能研究中心研究了用于变量施肥的决策支持系统VRFISDSS【37】。系统包括农业区的基础地理信息、作物生产知识、作物生长养分需求的数学模型和分析方法，利用知识库的知识对决策方案进行调节和优化，能够进行精确农业变量施肥

20、的智能决策与空间决策。2000年，清华大学与北京市农业局合作，通过GPS田间管理系统对田间土地进行精确采样和精确施肥的研究【38】。国家农业信息化工程技术研究中心【39】追踪国际上精确农业的最新成果，进行技术与设备的引进、消化和吸收。他们依靠引进和自主研发相结合，研制的自动变量施肥机、农药喷洒机可实现动态变量投入，获得了国家专利。其自动变量控制也是基于地图的，由地轮雷达测速仪测得机具前进速度，机载GPS得到机具精确的位置信息，利用田间计算机(AgGPS170)读取处方图对应的施肥量，通过控制变量控制器驱动液压系统，从而实现控制施肥量的目的。此外，农作物生长性状遥感监测、土壤养分和水分快速监测、

21、作物生长模型、专家系统、决策支持系统、施肥、喷药、灌溉的智能化技术等研究已在中国农业大学、中国科学院、吉林大学、国家农业信息化工程技术研究中心、中国农业科学院、等单位展开【2，40，41】。我国当今农业机械技术水平从总体上看落后发达国家不止20年【20、66】，在变量施肥技术研究方面，基本是引进国外先进技术设备，进行消化、吸收的跟踪研究。需要在变量施肥技术及相关技术方面，如采样技术、采样导航技术、土壤速测技术、施肥决策技术和产量记录技术等领域推动高新技术的应用研究与实践，开发适于我国国情先进的变量施肥技术，使之成为一个有机的技术体系。精确农业的示范试验研究有可能成为农业机械装备领域应用信息高新

22、技术实现技术创新的切入点。研究和开发自动变量施肥技术，具有重要的社会意义，而自动变量施肥控制系统作为关键环节之一，为自动变量施肥的实现提供了技术支持。1.5本文技术路线及研究内容 SHAPE  * MERGEFORMAT 自动变量施肥技术分为基于传感器和基于地图两种。在基于传感器的方式中，通过传感器实时得到田间土壤养分、水分、种子等方面的数据后，实时自动控制变量投入；在基于地图的工作方式中，数据被收集和存储后，经过分析处理做出变量决策，然后进行控制变量投入操作。目前大多数变量施肥是基于地图的，但是随着实时传感器技术的日益成熟，基于传感器的变量施肥控制系统将得到越来越广泛的应用。本文自

23、动变量施肥控制系统是基于地图的，整个控制系统分为手动和全自动两种工作模式。控制系统技术路线如图1.2所示。 SHAPE  * MERGEFORMAT  首先通过施肥机排肥标定确定标定参数，写入控制程序中。在自动模式下，系统通过RS232串口将DGPS信号读入单片机，提取机具前进速度v和经、纬度位置数据，通过网格识别程序计算出当前机具所在的地块网格名称，然后查询对应于该地块的决策施肥量Q，并显示当前位置和施肥量。手动模式下，通过键盘输入各个网格的施肥量，并读取地轮接近开关传感器的脉冲信号得到机具前进的速度值。最后，通过施肥公式计算所需的步进电机转速n，将该转速转化为

24、变频脉冲驱动步进电机转动，经过变速控制排肥轴从而实现变量施肥。     基于控制系统的技术路线，需要研究的主要内容如下： (1)     在分析影响施肥的各种因素和施肥控制原理的基础上，确定变量施肥控制系统实施方案；(2)     分析控制系统的输入和输出条件，设计采用单片机为核心的控制系统作为自动变量施肥执行机构的控制器；(3)     编写单片机控制程序，实现对DGPS位置和速度信息的提取及对地轮传感器脉冲值的提取，并要求能够正确识

25、别地块网格和查询对应施肥量；(4)     确定施肥控制曲线和实际排肥量、排肥轴的转速及施肥机具前进速度三者的关系，建立自动变量施肥的控制模型。第二章自动变量施肥控制系统设计 2.1系统要求 自动变量施肥机所要达到的目的是在不同地块网格达到按需施肥，控制系统的任务就是根据输入信号计算得到步进电机工作所需的控制脉冲，然后输出。输入信号有：DGPS经纬度位置信号和速度信号、接近开关传感器或角度数字编码器得到的地轮转速脉冲信号、键盘输入施肥量、存储施肥决策数据的IC卡接口。输出信号有：控制步进电机转速的变频脉冲信号、显示施肥网格编号和施肥量/速度值、显示DGP

26、S信号正常接收的指示信号等。2.2系统设计（1）肥料自身的物理特性 颗粒状肥料自身的物理特性主要包括松散性、架空性、成块性和流动性等，松散性好、不易架空、不易成块、流动性好的肥料，利于实现顺利排肥。（2）排肥器类型和工作参数影响【3】 排肥器类型有圆盘式、搅龙式、槽轮式等，本文自动变量施肥机采用普通的外槽轮式排肥器。此种排肥器每转的排肥量为：                     （21）式中：

27、q1、q2排肥器每转强制层和带动层的排肥量（g）；d外槽轮的直径（cm）；L外槽轮工作长度（cm）；肥料容重（g/cm3）；n排肥轴转速（rpm）；(n)肥料对凹槽的充满系数，与转速有关；f每个凹槽的端面积（cm2）；t槽的节距(cm)；cn(n)带动层的特性系数或计算厚度(cm)，与转速有关。则排肥器每分钟的排肥量为：              （22）对于固定的排肥器来说，影响排肥量的参数是排肥器的轴向长度L和排肥轴的转速n，二者均与排肥量成正比。（3）机具前进

28、速度的影响 计算出施肥机每公顷施肥量为：                                   （23）式中：q排肥器每分钟的排肥量（g/min）；B施肥机行距（m）；v机具前进速度（km/h）。可以看出，机具前进速度v与施肥量成反比。（1）施肥

29、控制公式 当排肥轴转速一定时，机具前进速度增加，单位面积施肥量减少。如果考虑到机具前进速度的影响，则不同地块网格施肥量为：                                （24）其中q(n)表示排肥器排肥量，是排肥轴转速n的函数。如果对排肥器排肥量和排肥轴转速的关系进行标定

30、，则有标定拟合方程：                                （25）其中，k标定直线斜率；b标定直线截距。把标定拟合方程代入施肥量公式（24）中，得到步进电机转速控制公式：                      （26）其中，i排肥轴与电机传动比。本文中，六行自动变量施肥机的步进电机需要通过链条与排肥轴连接，而两行自