播種機(jī)嵌入式超高頻無源RFID系統(tǒng)調(diào)速特性研究

王風(fēng)燕，董珍珍，劉志剛

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.南昌大學(xué)，南昌　330031 )

?

播種機(jī)嵌入式超高頻無源RFID系統(tǒng)調(diào)速特性研究

王風(fēng)燕1，董珍珍1，劉志剛2,3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.南昌大學(xué)，南昌330031 )

摘要：為了提高播種機(jī)播種距離的精度，減少排種器打滑現(xiàn)象，以及降低地形、地質(zhì)對(duì)精密播種的影響，提出了一種新的超高頻無源RFID調(diào)速優(yōu)化方法。該方法考慮排種器無級(jí)變速和地輪的打滑，根據(jù)不同的地形和地質(zhì)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)播種機(jī)的速度，達(dá)到精密控制播距的效果。系統(tǒng)利用播距控制原理和RFID調(diào)速控制原理，將RFID嵌入到了輪胎和排種器中，以STC12C5A60S2作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了速度數(shù)據(jù)的采集、處理和調(diào)節(jié)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和可靠性，對(duì)普通機(jī)和調(diào)速機(jī)進(jìn)行了播種測(cè)試，從而得到了速度隨時(shí)間變化曲線及株距等測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：利用RFID調(diào)速優(yōu)化的方法可以實(shí)現(xiàn)播種機(jī)速度的連續(xù)性控制，并且株距明顯比普通機(jī)的變異系數(shù)小，播種精度有了大幅度的提高，可以為播種機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：播種機(jī)；播種精度；無源RFID；優(yōu)化調(diào)速

0引言

隨著科學(xué)種植技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)被越來越多地應(yīng)用在精密化播種過程中。精密播種技術(shù)可達(dá)到苗勻、苗齊、苗壯，能夠保證種子的田間分布最合理，播下的種子量精確，株距均勻，行距一致，株距也一致，為種子的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳條件。精密播種機(jī)械不僅可以大量節(jié)省種子，增強(qiáng)種子的使用率，而且能夠提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。但是精密播種需要精確的電氣化設(shè)備作為支撐，而目前播種機(jī)的電氣化及自動(dòng)化程度還相對(duì)比較落后，因此開發(fā)一種自動(dòng)化程度較高的新型精密播種機(jī)具有重要的意義。

超高頻無源RFID電子標(biāo)簽作為傳感節(jié)點(diǎn)，可以避免傳感節(jié)點(diǎn)的大型化及采用電池供電。在歐美發(fā)達(dá)國家，嵌入式超高頻無源RFID系統(tǒng)已得到了廣泛應(yīng)用。本文研究利用超高頻無源RFID技術(shù)，對(duì)播種機(jī)的輪胎速度和排種器轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以自動(dòng)調(diào)整速度，以適應(yīng)不同地形和地質(zhì)的田間作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了均勻化播種，從而大大提高了播種的精度。同時(shí)，系統(tǒng)就有能耗低、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，可以在很多播種機(jī)型中推廣使用。

1精密播種器總體設(shè)計(jì)

小麥播種量不是一成不變的，因?yàn)樵谂喷娺^程中，無級(jí)變速器和地輪的打滑會(huì)影響排種器單位實(shí)際的排量，而地形和地質(zhì)的不同也會(huì)對(duì)播種機(jī)的行進(jìn)速度產(chǎn)生較大的影響。因此，在實(shí)際播種操作過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種機(jī)的行進(jìn)速度，監(jiān)測(cè)排種器的打滑。為此，本文設(shè)計(jì)了一種新的超高頻無源RFID系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

圖1中，主要是利用對(duì)排種器轉(zhuǎn)速和播種機(jī)行進(jìn)速度的識(shí)別，對(duì)播種機(jī)行進(jìn)速度進(jìn)行均勻化控制，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間、株距的均勻化分布，以提高播種的精度。

2精密播種器設(shè)計(jì)原理

2.1播距控制原理

為了合理地確定播種距離，首先需要計(jì)算初始播種量。按照實(shí)際播種作業(yè)速度，以相同的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)地輪30圈，測(cè)定各行的排種量，重復(fù)3次，最后取平均值，則

(1)

其中，Q為播種機(jī)總播種量；G為被測(cè)的總行數(shù)下的總排量；D為地輪的直徑；B為被測(cè)定行數(shù)的幅寬；N為地輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；ε為驅(qū)動(dòng)平均滑移率。

排種量的標(biāo)準(zhǔn)差為

(2)

排種均勻性變異系數(shù)為

(3)

在實(shí)際播種過程中，播種機(jī)行進(jìn)速度為Vm，排種器每圈平均下的種子量為Nm粒，排種器工作時(shí)的打滑率記為δP。如果播下的種子中粒與粒之間的距離是acm，按照精密播種的要求，則排種器要求的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1的公式為

(4)

在實(shí)際耕種播種過程中，精密排種器的打滑率主要有兩部分組成，這兩部分包括調(diào)速器自身打滑率δT和提供排種器驅(qū)動(dòng)力的地輪存在的打滑率δD，則打滑率為

δP=1-(1-δD)(1-δT)

(5)

因?yàn)閷?shí)際傳動(dòng)中地輪會(huì)出現(xiàn)滑移的情況，所以地輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速n2可以記作

(6)

在實(shí)際RFID監(jiān)測(cè)過程中，可以綜合考慮精密排種器的打滑現(xiàn)象，對(duì)排種器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并據(jù)此調(diào)節(jié)精密播種機(jī)的行進(jìn)速度，得到合理的播距。

2.2RFID調(diào)速原理設(shè)計(jì)

耕播優(yōu)化系統(tǒng)以STC12C5A60S2作為主控芯片，與外圍的RFID無線模塊、模擬量信號(hào)調(diào)理電路、堵塞處理電路和報(bào)警電路共同組成。其總體的設(shè)計(jì)框架和原理如圖2所示。

圖2　耕播機(jī)RFID優(yōu)化系統(tǒng)

圖2中，主控芯片采用STC12C5A60S2低功耗、高速及超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，且速度快8～12倍；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路A/D轉(zhuǎn)換；針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合，完全適用于戶外作業(yè)的農(nóng)耕場合。

圖3　弧形擋板

為了防止種子提前落下，還應(yīng)在相應(yīng)位置放置一個(gè)弧形擋板，弧形擋板圓弧處的半徑應(yīng)與排種輪半徑相同，通過4個(gè)螺釘與固定部分外殼連接，具體模型如圖3所示。在該模型上可以安裝RFID嵌入式模塊，其安裝原理和圖4相同。

其中，輪胎由胎冠、胎肩、胎側(cè)組成。輪胎依附在支撐鋼圈上，可在輪胎硫化成型時(shí)嵌入RFID電子標(biāo)簽。圖4為輪胎胎側(cè)和 RFID 電子標(biāo)簽嵌入輪胎后的示意圖，其電路原理模型如圖5所示。

圖4　電子標(biāo)簽嵌入輪胎

圖5　RFID系統(tǒng)工作原理

無源RFID系統(tǒng)的工作過程和雷達(dá)類似，讀卡器可以通過前向的鏈路向電子標(biāo)簽發(fā)送射頻信號(hào)；電子標(biāo)簽接受到射頻信號(hào)后，轉(zhuǎn)換成能量，繼續(xù)向后鏈路傳遞，將數(shù)據(jù)傳遞回讀卡器。

3精密播種器效果測(cè)試

3.1硬件和軟件配置

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性和可靠性，本次研究對(duì)播種機(jī)樣機(jī)的調(diào)速性能進(jìn)行測(cè)試。其中，主要芯片STC12C5A60S2內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換寄存器，可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。STC12C5A60S2單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換有關(guān)的控制寄存器表如表1所示。

表1　控制寄存器

續(xù)表1

利用軟件通過對(duì)P1ASF寄存器的設(shè)定，將P1.0作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，通過ADC_CONTR特殊功能寄存器的設(shè)定來設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式及轉(zhuǎn)換的頻率，控制A/D轉(zhuǎn)換的開始，并通過其來檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志位。

調(diào)速的基本原理如圖6所示。

圖6　調(diào)速原理圖

調(diào)速主函數(shù)主要完成整個(gè)軟件運(yùn)行程序的模塊化控制操作。其中，定義了多個(gè)全局變量，作為整個(gè)函數(shù)的運(yùn)行的基礎(chǔ)。定義的全局變量如下：

#definetiaosu8

extern uint speed=0;

extern uint cricle=0;

extern uint conter=0;

extern volatile uchar revbuff[tiaosu]=0;

extern volatile uchar senbuff[tiaosu]={0,0,0,0,0};

extern uchar i=0;

extern uchar sstate=0;

extern uchar pstate=0;

extern uchar legstate[3]={0,0,0};

extern ulong area=0;

……

3.2測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，得到了測(cè)試速度隨時(shí)間變化參數(shù)及虛擬樣機(jī)和普通機(jī)的對(duì)比結(jié)果；通過對(duì)結(jié)果的分析，可以得到該系統(tǒng)對(duì)精密播種的控制性能?？刂扑俣入S時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖7　速度隨時(shí)間變化曲線

由圖7可以看出，在調(diào)速系統(tǒng)的控制下，速度可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性變化。

通過6次行進(jìn)速度測(cè)試，得到了普通機(jī)和調(diào)速機(jī)的速度測(cè)試結(jié)果，如表2所示。由表2可以看出：調(diào)速機(jī)可有效地對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)地質(zhì)、地形及排種器的變化，來調(diào)節(jié)行進(jìn)速度。

普通機(jī)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的株距測(cè)試結(jié)果如表3表示。由表3可以看出：調(diào)速機(jī)的株距變異系數(shù)要明顯小于普通機(jī)。這說明，在調(diào)速的作用下，樣機(jī)的播種精度大幅度提高，系統(tǒng)的適應(yīng)性較好，可以在各種播種機(jī)中推廣使用。

表2　行進(jìn)速度測(cè)試結(jié)果

續(xù)表2

表3　株距測(cè)試結(jié)果

4結(jié)論

1)依據(jù)超高頻無源RFID技術(shù)，結(jié)合播種過程中遇到的不同地形、地質(zhì)和排種器的打滑等問題，設(shè)計(jì)了一種新的播種機(jī)精播的調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)行進(jìn)速度控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)根據(jù)播距控制原理和RFID調(diào)速控制原理，將RFID嵌入到了輪胎和排種器中，并配置了控制系統(tǒng)的軟件和硬件環(huán)境。通過對(duì)普通機(jī)和調(diào)速機(jī)的測(cè)試，得到了速度和株距的一系列相關(guān)測(cè)試結(jié)果。

3)通過對(duì)普通機(jī)和RFID調(diào)速機(jī)的株距結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：RFID調(diào)速機(jī)大大提高了播種的精度，且系統(tǒng)具有能耗低、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，為播種機(jī)精耕細(xì)作技術(shù)的研究提供了有效的參考。

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Study on Speed Characteristics of Embedded UHF Passive RFID System in Seeding Machine

Wang Fengyan1, Dong Zhenzhen1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Abstract：In order to improve the precision of sowing distance, reduce the seedmeter slipping phenomenon and influence of topography, improve the precision seeding, this paper proposes a new UHF Passive RFID timing optimization method. This method takes into account the metering device of stepless variable speed and wheel slip, according to different geological and terrain, can automatically adjust the seeding machine speed, to achieve the precise control of sowing distance effect. System uses the sowing distance control principle and RFID speed control principle, embedding the RFID into the tire and the metering device, with STC12C5A60S2 as the main control chip, realize data acquisition, processing and adjusting the speed of data. In order to verify the validity and reliability of system, the ordinary machine and a speed adjusting machine sowing test, through the test obtained velocity changes with time curve and the spacing and other test data. Analysis of the data,it can achieve a speed planter of continuous control by using the method of RFID optimal speed , and plant spacing is more obvious than the coefficient of variation of ordinary machine small, seeding accuracy has been greatly improved, which can provide technical reference for optimization design of seeder.

Key words：sowing machine； seeding accuracy; passive RFID; optimization speed

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0031-05

中圖分類號(hào)：S223.2；TP391.44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：王風(fēng)燕(1981-)，女，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-02-06