1、自動變量施肥機控制系統研究（一）     論文關鍵詞：精確農業  變量施肥  GPS  GIS  單片機控制論文摘要 ：精確農業技術研究發展的驅動力是對農業耕作中發現的作物生長環境和實際收獲產量分布的空間差異性的認識，其核心是GPS、GIS、RS等技術支持下的精確定位與變量作業?；适寝r業高產和增產的主要投入要素，化肥成本在農業總成本中占了較大的比重，而且化肥的投入量與利用率直接影響農業產出、農民收入和環境質量。變量施肥適應不同地區、不同作物、不同土壤和不同作物生長環境的需要進行全面平衡施肥，提高肥料利用率，具有明

2、顯經濟和環境效益。 我國的化肥投入存在結構不合理、肥料平均利用率低、肥料的增產效益沒能充分發揮等問題。在變量施肥技術研究方面，我國基本是引進國外先進技術設備，進行消化、吸收的跟蹤研究。因此，研究和開發自動變量施肥技術，對發展符合我國國情的變量施肥技術和實現農業可持續發展具有重要的理論意義和實用價值。本文研究的是基于地圖的自動變量施肥控制系統，可自動接收DGPS信號，獲得施肥機位置和速度信息，根據施肥決策數據實現變量施肥控制。通過手動和自動兩種控制模式，施肥量均可以實現80500kg/ha范圍之內的調整，電機轉速范圍為10200rpm。系統具有結構簡單、操作方便易學、施肥量變化范圍大、控制性能比

3、較穩定可靠、控制精度理想等特點。此外，本系統借鑒國內外研究經驗，以自主開發為主，成本較低，而且可適用于不同型號的變量施肥機控制，適合我國國情，有利于促進變量施肥技術的實施及在中國的推廣應用。第一章 緒 論 1.1研究的目的和意義 傳統農業的發展日益成熟，一味地依賴高能源投入提高單產的潛力越來越小。同時，現代農業生產方式所秉承的高資源投入、高能耗及其造成的環境危害，使人類體驗到強烈的生存危機。人類必須合理地與大自然相處，充分發揮人類的智慧，尋找大自然自身的規律，利用高科技的手段服務于農業生產，走可持續農業的發展道路。高效低害的農業生產方式成為人類追尋的目標。中國是一個農業大國，農業是國民經濟的基

4、礎，農業農村經濟的發展狀況直接影響到整個國民經濟的持續發展社會穩定。中國人多地少，人均資源相對緊缺。同時，土地資源、水資源都面臨著嚴峻的形勢。由人口仍在繼續增長，人口與資源的矛盾將日益突出。中國農業發展普遍面臨農產品生產成本高、品質差、化肥利用率低、環境污染嚴重、勞動效率低等問題。過去的半個世紀，中國的化肥投入和糧食單產已經達到了一個較高的水平，其進一步上升的空間有限。參考發達國家因農工程技術所帶來的勞動效率和糧食單產增長的經驗，中國有必要加大農業工程技術裝備的投入，以提高土地利用率、勞動生產率和農業產出率。因此，我國農業發展的途徑和方式，既要充分有效地利用資源，又要節約、保護和合理利用資源，

5、大力發展中國式的可持續農業則可望有力地解決人口與資源這一矛盾。精確農業（Precision Agriculture）作為可持續農業的有效發展模式，近年來成為國際上農業科學研究的熱點領域。其含義是指利用遙感技術、地理信息系統、全球定位系統等信息技術，在定位采集地塊信息的基礎上，根據地塊土壤肥力、作物病蟲害、雜草、產量等在時間與空間上的差異，按農藝要求進行精確定位、變量耕種、變量施肥、變量灌水、變量用藥等農業技術的調整管理，最大限度地優化使用各項農業投入，以獲得最高產量和最大經濟效益。精確農業有利于提高農產品產量和品質，高效利用資源，同時保護農業生態環境，保護土地等農業自然資源，減少對環境的污染，

6、代表著農業的發展方向。由于化肥成本在農業投入中占有比較大的比重，而且化肥的投入量與利用率直接影響農業產出、農民收入和環境質量，因此，變量施肥技術是精確農業作業體系中重要的組成部分之一。1.2變量施肥及其必要性 精確農業的核心是GPS、GIS、RS支持下的精確定位與變量作業。變量投入技術VRT(Variable Rate Technologies)如圖1.1所示。變量施肥，是指根據地塊的不同要求，有針對性地撒施不同配方及不同量的混合肥。變量施肥的田間操作，主要由變量施肥機來完成，這種機器是一臺裝配有GPS系統計算機的拖拉機。具體過程如下：田間各小區所需肥料的比率及單位面積施用量，都經過專家系統決

7、策事先存入計算機；當拖拉機在田間行駛時通過GPS的準確定位獲取機具當前位置信息；經計算機的提示控制撒播施肥量，然后將N、P、K等肥料按比例施入田里【6。8】。這樣就防止了化肥的過量使用以及由此而產生的環境污染，提高了作物產量和品質，同時帶動農業施肥技術及田管商業化的發展【9、10】。化肥是農業高產和增產的主要投入要素，化肥成本在農業總成本中占了較大的比重。如19931994年，美國在阿華達州的兩個農場開展了精確農業試驗，利用GPS的變量施肥技術表明，產量結果比傳統均衡施肥提高了30%【12】。明尼蘇達大學在明尼蘇達州漢斯卡農場實驗研究表明：傳統農業每公頃施肥為119.8kg，而變量施肥平均為8

8、2kg。扎卡比森甜菜農場采用變量施肥技術減少了氮肥用量，肥料投入每公頃平均減少15.52美元，收益平均每公頃增加358.32美元【9、11、12】。我國的化肥投入突出問題是結構不合理，肥料平均利用率較發達國家低10%以上，氮肥為3035%，磷肥為1020%，鉀肥為3550%，低于美國和日本的氮肥利用率（可達6070%）。化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成養分投入比例失調【13、14】。而地域和養分不平衡有進一步減少了肥效。施肥量的多少和利用率高低直接決定著農業產量和農民收入。傳統的施肥方式是在一個地塊內使用一個施肥量。而在同一地塊內，土壤養分含量存在著差異，如果采用平均施肥，會造成在肥力低

9、而其它生產性狀好的區域施肥不足；而在肥力高但其它生產性狀不好的區域則施肥過量，其結果必然造成肥料浪費、成本提高和環境污染。變量施肥適應不同地區、不同作物、不同土壤和不同作物生長環境的需要進行全面平衡施肥，提高肥料利用率，具有明顯的經濟和環境效益，有望成為未來施肥的發展方向【15、16】。1.3施肥主要支撐技術（1） 全球定位系統（Global Positioning System，GPS） 精確農業中的定位信息采集與變量實施，需要應用GPS。已經建成投入運行的有美國GPS系統和俄羅斯的全球軌道導航衛星系統(GLONASS)。目前歐洲為了滿足本地區導航定位的需求，計劃開發針對GPS和GLONAS

10、S的廣域星基增強系統（EGNOS），包括地面設施和空間衛星，以提高GPS和GLONASS系統的精度、完備性和可用性。同時，為了打破目前世界美、俄全球定位系統在這一領域的壟斷，歐洲決定啟伽利略計劃，建立自主的民用全球衛星定位系統（GALILEO）。應用于農業的GPS產品，如美國Trimbl公司Ag132 12通道GPS接收機，可接收信標臺發布的地區性差分校正信號免費服務或獲得由近地衛星轉發的廣域差分收費校正信號服務，提供可靠的分米級定位和0.16km/h的速度測量精度。可用于農田面積和周邊測量、引導田間變量信息定位采集、作物產量小區定位計量、變量作業農機械實施定位處方施肥、播種、噴藥、灌溉和提供

11、農業機械田間導航信息等。（2）地理信息系統 (Geographical Information System，GIS) GIS是以采集、存儲、管理、描述、分析地球表面及空間和地理分布有關的數據信息系統，即它是以計算機為工具，具有地理圖形和空間定位功能的空間型數據管理系統，在技術上已經成熟【1。它在精確農業技術體系中主要用于建立農田土地管理，土壤數據、自然條件、作物苗情、病蟲草害發生發展趨勢、作物產量的空間分布等的空間信息數據庫和進行空間信息的地理統計處理、圖形轉換與表達等，為分析差異性和實施調控提供處方信息【2】。（3）傳感、監測系統及遙感（Romote Sensing，RS） 精確農業技術實

12、際上是一種以信息為基礎的農業管理系統。它利用傳感器及監測技術可以方便、準確、完整地獲得當時當地的必要數據，再根據各因素在控制作物生長中的作用規律或其相互關系，迅速作出恰當的管理決策，進而控制對作物的投入或調整作業操作。廣義的說，遙感是在不接觸的情況下，對目標物進行遠距離感知的一種探測技術；俠義上說是指通過航空或航天遙感平臺（飛機或衛星），利用傳感器（如掃描儀、雷達等）獲取目標物反射或輻射的電磁波信息，通過信息的傳輸和處理，實現目標物遠距離探測研究的科學技術。RS技術是未來精確農業物技術體系中獲得田間數據的重要來源，它可以提供大量的田間時空變化信息。近30多年來，RS技術在大面積作物產量預測，農

13、情宏觀預報等方面作出了重要貢獻。（4）計算機控制器(Computer Controller)及變量執行設備(Variable Application Equipment)控制器接收DGPS中的位置信號，從GIS中電子地圖提取變量決策信息，接收實時傳感器的信息，并將它們經過處理轉換為控制信號，然后輸出給變量執行設備，通過液動、氣動或電動系統實現對作物的變量投入?？刂破鬟€可以接收執行設備傳來的反饋信號，對作物投入量進行調整并存檔備查。【2】 此外，在英國、德國、荷蘭、法國、加拿大、澳大利亞、巴西等國家都有開展精確農業研究和應用的報道。日本、韓國等國家近年來已加快開展精確農業的研究工作，并得到政府部

14、門和相企業的大力支持。變量施肥技術作為精確農業技術的重要組成部分，經過近二十年的研究與開發，在歐美發達國家發展很快，已初具規模，其相關技術已日臻完善和商品化【26，27】。近年來，美國在播種、施肥、噴藥、灌溉技術等方面已實現變量控制【6】。目前變量施肥大多數是基于電子地圖的自動變量施肥，其中根據GPS信號和施肥量信號向驅動模塊發出控制指令的控制臺是整個變量施肥系統的核心。歐洲的RDS公司、Hrdro Agri公司等，美洲的Agtron公司、Agleader公司、MicroTrak公司、MidTech公司、Trimble公司等已經有具有通用性的產品上市，其接口可以適應液肥、粒肥等多種作業機械的控

15、制。例如，1995年美國明尼蘇達州、華盛頓州開發了商品性變量投入技術(VRTVariable Rate Technology)應用設備【11，28】。MidTech公司生產的新型控制器TASC6200具有較大的適應范圍，可控制液體、顆粒狀固體、液態氨、排種、化學農藥注射系統等，具有很大的通用性。Rawson控制系統公司生產的ACCU-RATE變量控制器【29】是一種多功能的處理器，可以進行編程獨立控制兩種種子變量播種，或者在同一時間控制種子和化肥兩個量。有兩個RS-232口用來輸入兩種GIS決策信息，其處理器可以顯示速度信息、面積計算、距離以及每畝種子數量和化肥的重量。該處理器有一個GPS工作

16、模式和一個人工作業模式，在人工作業模式下，通過撥號來控制施肥量或播種量的變化。可以用于精確播種、條播、飛播任意類型的種子，也可以用于液態化肥或固態化肥的變量實施。另外，Ag Leader公司生產的PFA田間計算機【29】使精確農業播種和施肥的精確和簡單達到一個更高的水平。它帶內置GPS，可直接控制Rawson變量液壓驅動系統，不需變量控制器中間環節。通過手動設置或自動讀取處方圖，控制播種、固體化肥或液態產品的施用。作業過程中可記錄實際施肥量或播種量，同時利用導航光靶進行導航。日本對氮肥變量實施進行了研究。由Hatsut工業公司制造的稻田變量施肥機是基于地圖的，可施用固體肥料、噴藥等。系統由電子

17、馬達、容量為120L的肥箱、六個測連裝置和十二只噴管組成，由地輪傳感器測得機具前進速度，機載GPS測得位置信息，查詢地圖中相應的施肥量，從而控制排肥口的施肥量。實驗表明變量施肥比傳統均一施肥節肥12.8%，而且使水稻種植獲得高產成為可能【30】。俄羅斯全俄農機化研究所【31】自行研制了自動變量施肥機，并進行了田間試驗。該機自動變量控制原理是：在排肥口裝一個電磁鐵和共振片，通過控制電磁頻率，使共振片震動，達到開啟和閉合的目的，從而自動控制施肥量變化。德國AMAZONE公司【10，32】開發了一種主要用于麥類作物春季追肥的實時自動變量施肥機。在該機器的中央控制單元里，存儲變量施肥處方圖，同時通過拖

18、拉機前部安裝的基于機器視覺的作物長勢傳感器，監測作物冠層的葉綠素含量，判斷作物的營養狀態，計算出氮的追肥需要量對原來的處方圖作出修正，然后通過液壓馬達控制變量施肥。精確農業在美國等發達國家已經形成一種高新技術與農業生產相結合的產業，已被廣泛承認是可持續發展農業的重要途徑，并無疑是21世紀領先的農業生產技術。美國液態復合肥使用率高,復合肥中大量元素供給量也明顯高于我國。據研究報道，美國氮肥中液N使用量占23.6%，復合肥中供N和P的百分率分別為20.1%和93.4%。而中國目前液態N肥的生產和使用量非常少，P、K及其它液肥幾乎沒有；復合肥中提供N的百分率為7.2%(比美國低13%)，提供P的比例

19、為40.4%(比美國低53%)。在液態復合肥應用上，我國落后美國2030年【35】。因此，在普及應用顆粒復合肥的同時，逐步推廣液態復合肥，研究和引進美國液肥生產和施用技術，對發展我國農業具有很大促進作用。目前精確農業的技術思想已開始在我國傳播和引起科技和產業界的重視。國家在863計劃中已列入了精確農業的內容【11，36】，也有多家科研單位開展了變量施肥的研究工作。河北農業大學人工智能研究中心研究了用于變量施肥的決策支持系統VRFISDSS【37】。系統包括農業區的基礎地理信息、作物生產知識、作物生長養分需求的數學模型和分析方法，利用知識庫的知識對決策方案進行調節和優化，能夠進行精確農業變量施肥

20、的智能決策與空間決策。2000年，清華大學與北京市農業局合作，通過GPS田間管理系統對田間土地進行精確采樣和精確施肥的研究【38】。國家農業信息化工程技術研究中心【39】追蹤國際上精確農業的最新成果，進行技術與設備的引進、消化和吸收。他們依靠引進和自主研發相結合，研制的自動變量施肥機、農藥噴灑機可實現動態變量投入，獲得了國家專利。其自動變量控制也是基于地圖的，由地輪雷達測速儀測得機具前進速度，機載GPS得到機具精確的位置信息，利用田間計算機(AgGPS170)讀取處方圖對應的施肥量，通過控制變量控制器驅動液壓系統，從而實現控制施肥量的目的。此外，農作物生長性狀遙感監測、土壤養分和水分快速監測、

21、作物生長模型、專家系統、決策支持系統、施肥、噴藥、灌溉的智能化技術等研究已在中國農業大學、中國科學院、吉林大學、國家農業信息化工程技術研究中心、中國農業科學院、等單位展開【2，40，41】。我國當今農業機械技術水平從總體上看落后發達國家不止20年【20、66】，在變量施肥技術研究方面，基本是引進國外先進技術設備，進行消化、吸收的跟蹤研究。需要在變量施肥技術及相關技術方面，如采樣技術、采樣導航技術、土壤速測技術、施肥決策技術和產量記錄技術等領域推動高新技術的應用研究與實踐，開發適于我國國情先進的變量施肥技術，使之成為一個有機的技術體系。精確農業的示范試驗研究有可能成為農業機械裝備領域應用信息高新

22、技術實現技術創新的切入點。研究和開發自動變量施肥技術，具有重要的社會意義，而自動變量施肥控制系統作為關鍵環節之一，為自動變量施肥的實現提供了技術支持。1.5本文技術路線及研究內容 SHAPE  * MERGEFORMAT 自動變量施肥技術分為基于傳感器和基于地圖兩種。在基于傳感器的方式中，通過傳感器實時得到田間土壤養分、水分、種子等方面的數據后，實時自動控制變量投入；在基于地圖的工作方式中，數據被收集和存儲后，經過分析處理做出變量決策，然后進行控制變量投入操作。目前大多數變量施肥是基于地圖的，但是隨著實時傳感器技術的日益成熟，基于傳感器的變量施肥控制系統將得到越來越廣泛的應用。本文自

23、動變量施肥控制系統是基于地圖的，整個控制系統分為手動和全自動兩種工作模式?？刂葡到y技術路線如圖1.2所示。 SHAPE  * MERGEFORMAT  首先通過施肥機排肥標定確定標定參數，寫入控制程序中。在自動模式下，系統通過RS232串口將DGPS信號讀入單片機，提取機具前進速度v和經、緯度位置數據，通過網格識別程序計算出當前機具所在的地塊網格名稱，然后查詢對應于該地塊的決策施肥量Q，并顯示當前位置和施肥量。手動模式下，通過鍵盤輸入各個網格的施肥量，并讀取地輪接近開關傳感器的脈沖信號得到機具前進的速度值。最后，通過施肥公式計算所需的步進電機轉速n，將該轉速轉化為

24、變頻脈沖驅動步進電機轉動，經過變速控制排肥軸從而實現變量施肥。     基于控制系統的技術路線，需要研究的主要內容如下： (1)     在分析影響施肥的各種因素和施肥控制原理的基礎上，確定變量施肥控制系統實施方案；(2)     分析控制系統的輸入和輸出條件，設計采用單片機為核心的控制系統作為自動變量施肥執行機構的控制器；(3)     編寫單片機控制程序，實現對DGPS位置和速度信息的提取及對地輪傳感器脈沖值的提取，并要求能夠正確識

25、別地塊網格和查詢對應施肥量；(4)     確定施肥控制曲線和實際排肥量、排肥軸的轉速及施肥機具前進速度三者的關系，建立自動變量施肥的控制模型。第二章自動變量施肥控制系統設計 2.1系統要求 自動變量施肥機所要達到的目的是在不同地塊網格達到按需施肥，控制系統的任務就是根據輸入信號計算得到步進電機工作所需的控制脈沖，然后輸出。輸入信號有：DGPS經緯度位置信號和速度信號、接近開關傳感器或角度數字編碼器得到的地輪轉速脈沖信號、鍵盤輸入施肥量、存儲施肥決策數據的IC卡接口。輸出信號有：控制步進電機轉速的變頻脈沖信號、顯示施肥網格編號和施肥量/速度值、顯示DGP

26、S信號正常接收的指示信號等。2.2系統設計（1）肥料自身的物理特性 顆粒狀肥料自身的物理特性主要包括松散性、架空性、成塊性和流動性等，松散性好、不易架空、不易成塊、流動性好的肥料，利于實現順利排肥。（2）排肥器類型和工作參數影響【3】 排肥器類型有圓盤式、攪龍式、槽輪式等，本文自動變量施肥機采用普通的外槽輪式排肥器。此種排肥器每轉的排肥量為：                     （21）式中：

27、q1、q2排肥器每轉強制層和帶動層的排肥量（g）；d外槽輪的直徑（cm）；L外槽輪工作長度（cm）；肥料容重（g/cm3）；n排肥軸轉速（rpm）；(n)肥料對凹槽的充滿系數，與轉速有關；f每個凹槽的端面積（cm2）；t槽的節距(cm)；cn(n)帶動層的特性系數或計算厚度(cm)，與轉速有關。則排肥器每分鐘的排肥量為：              （22）對于固定的排肥器來說，影響排肥量的參數是排肥器的軸向長度L和排肥軸的轉速n，二者均與排肥量成正比。（3）機具前進

28、速度的影響 計算出施肥機每公頃施肥量為：                                   （23）式中：q排肥器每分鐘的排肥量（g/min）；B施肥機行距（m）；v機具前進速度（km/h）。可以看出，機具前進速度v與施肥量成反比。（1）施肥

29、控制公式 當排肥軸轉速一定時，機具前進速度增加，單位面積施肥量減少。如果考慮到機具前進速度的影響，則不同地塊網格施肥量為：                                （24）其中q(n)表示排肥器排肥量，是排肥軸轉速n的函數。如果對排肥器排肥量和排肥軸轉速的關系進行標定

30、，則有標定擬合方程：                                （25）其中，k標定直線斜率；b標定直線截距。把標定擬合方程代入施肥量公式（24）中，得到步進電機轉速控制公式：                      （26）其中，i排肥軸與電機傳動比。本文中，六行自動變量施肥機的步進電機需要通過鏈條與排肥軸連接，而兩行自