基于Zig Bee播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)研究

黃振中,張 青

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院,鄭州 450042)

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基于Zig Bee播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)研究

黃振中,張 青

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院,鄭州 450042)

基于Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、以播種機(jī)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制下的播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)平臺(tái)，并利用Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械運(yùn)作中的故障進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警。同時(shí)，為了更進(jìn)一步的驗(yàn)證該播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、安全性、穩(wěn)定性，專門對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。

Zig Bee；播種機(jī)；漏播補(bǔ)種系統(tǒng)；單片機(jī)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及國家政府政策上的扶持，我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得了突出的成就。最為顯著的一點(diǎn)就是農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平得以提升，在全國范圍內(nèi)得到了一定的進(jìn)步，但其中的問題仍需我們重視、面對(duì)，比如播種機(jī)漏播現(xiàn)象等，在一定程度上限制著我國機(jī)械作業(yè)的質(zhì)量與自動(dòng)化水平。本次選題研究，主要以播種機(jī)漏播等問題作為研究對(duì)象，基于Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出一種有效解決該問題的播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)。

1 Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

Zig Bee 是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，即無線傳感網(wǎng)絡(luò)。Zig Bee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要特征表現(xiàn)為短距離、低功耗，與我們生活中最常接觸到的WIFI各有長(zhǎng)短、各有不同。首先，短距離、低功耗、自組織、低成本、低數(shù)據(jù)速率是Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要特征，它主要適用于一些自動(dòng)控制或者是遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域范圍內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也可以適當(dāng)嵌入一些必要的設(shè)備來加以強(qiáng)化?？傮w上來看，該技術(shù)是一種相對(duì)新型的、便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊應(yīng)用技術(shù)，也可稱其為短距離無線通信技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)與利用領(lǐng)域，其應(yīng)用性、操作性均比較強(qiáng)，最大的優(yōu)點(diǎn)就在于可以便捷地為使用用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。

將Zig Bee與WIFI進(jìn)行一次橫向比較，可以更為直觀地觀察到Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。它們兩者的相同之處：都使用2.4GHz頻段，都是短距離無線通信技術(shù)，大多情況多是運(yùn)用DSSS技術(shù)。兩者的區(qū)別在于數(shù)據(jù)信息傳輸速度差異較大。通常情況下，WIFI作為一種應(yīng)用廣泛的無線局域網(wǎng)絡(luò)，速率為 11Mbps ，而Zig Bee的速率小于 250kbps ；Zig Bee比較適用于低功耗場(chǎng)合，如在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域、工業(yè)工程控制等方面。Zig Bee從2004年最初發(fā)布第一個(gè)版本之后，距今已有10年多的發(fā)展歷程，由于其在技術(shù)成本、操作等方面的一些原因，在最初研發(fā)階段沒有得到大規(guī)模的推廣。在新時(shí)期，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，我國在該領(lǐng)域也加大了研究力度。

2 播種機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

播種機(jī)的設(shè)計(jì)，目的是提高播種機(jī)的播種效率、質(zhì)量，以及更高效的節(jié)省農(nóng)作物種子，盡可能地做到一粒一播、一種一穴的效果。從近年的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)上總體評(píng)價(jià)，這是一種追求精密度的排種機(jī)械裝置。圖1為當(dāng)前在我國大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，最常見到的一種精量播種排種機(jī)構(gòu)，其外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)器在播種時(shí)，會(huì)先將種子裝入到儲(chǔ)種箱子內(nèi)，借助于機(jī)械動(dòng)力來帶動(dòng)地輪逐漸開始往前滾動(dòng)；隨著地輪不斷向前滾動(dòng)，下方位置處的播種盤會(huì)在擋塊的作用下，隨著地輪儀器滾動(dòng)，帶動(dòng)下部的毛刷輪運(yùn)動(dòng)。其中，毛刷輪在結(jié)構(gòu)中的主要功用就是將多余的種子清除掉，只留下一粒種子。

圖2為精量播種排種機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。工作時(shí)，當(dāng)排種口與漏斗對(duì)準(zhǔn)時(shí)，種子落入到鴨嘴，擋塊觸碰之后會(huì)讓鴨嘴張開，使種子順著鴨嘴排種器播入土壤中。播種完成后，第2個(gè)鴨嘴開始播種，此時(shí)第1個(gè)鴨嘴會(huì)在彈簧的作用力下被關(guān)閉，整個(gè)播種運(yùn)動(dòng)重復(fù)進(jìn)行。在現(xiàn)實(shí)中，如玉米、小麥、大豆種子等，在我國東部和東北地區(qū)，基本上實(shí)現(xiàn)了精量播種，包括單粒的、雙粒的。若想要實(shí)現(xiàn)雙粒播種，可打開排種輪上的擋板，同時(shí)運(yùn)送兩粒種子，一起播入土壤中。當(dāng)然，在實(shí)踐生產(chǎn)領(lǐng)域，多是以單粒播種為主，在這種情況下，一旦發(fā)生漏播現(xiàn)象，對(duì)農(nóng)業(yè)種植的整體質(zhì)量造成的影響比較大。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一般都會(huì)設(shè)計(jì)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)。漏播補(bǔ)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心控制部分是 C51單片機(jī)，借助于互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，及時(shí)采集信息、發(fā)現(xiàn)問題，實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)控。在鴨嘴根部位置，通常都會(huì)安裝紅外線發(fā)射等相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)接收裝置。

圖1 精量播種排種機(jī)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)圖

圖2 精量播種排種機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

3 播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)平臺(tái)

近年來，我國在該領(lǐng)域的研究取得了一定的進(jìn)展和成果，氣吸式的播種機(jī)如圖3所示。這是一種利用振動(dòng)氣吸設(shè)備來實(shí)現(xiàn)排種播種的新型裝置，在播種作業(yè)的過程中，作物種子會(huì)在內(nèi)部振動(dòng)臺(tái)的作用下向上拋擲，隨后在負(fù)壓作用下使用吸針將種子吸住。

1.氣源 2.真空通斷器 3.吸針 4.振動(dòng)種子盤 5.種子顆粒 6.振動(dòng)器 7.通壓力空氣 8.穴盤 9.落種組件圖3 振動(dòng)氣吸播種裝置

氣吸式播種機(jī)械，現(xiàn)階段在國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域并沒有得到較大的推廣與應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)權(quán)威試驗(yàn)測(cè)試顯示：氣吸播種機(jī)針對(duì)漏播現(xiàn)象，防漏播成功率達(dá)到了98%(98%～100%) 。如此巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，之所以推廣受阻，是因?yàn)槌杀据^高，讓廣大的普通農(nóng)戶無力承擔(dān)。所以，本文專門提出了一種電子防漏播種系統(tǒng)。

補(bǔ)種方案及機(jī)構(gòu)如圖4所示。

1.系統(tǒng)裝置的主排種器 2.用于啟動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)器的啟動(dòng)裝置 3.主排種器漏播監(jiān)測(cè)器 4.同步校正器 5.主排種器漏播監(jiān)測(cè)器 6.Zig Bee主控模塊 7.的核心部件中央處理器 8.開溝器 9.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的副排種器 10.步進(jìn)電機(jī)裝置圖4 補(bǔ)種方案及機(jī)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的控制框架，如圖5所示、圖6所示。

Zig Bee無線采集系統(tǒng)，主要功用是監(jiān)測(cè)，并通過無線報(bào)警信號(hào)來控制整個(gè)主控系統(tǒng)。比如，在作業(yè)操作過程中是否掉電，一旦出現(xiàn)任何故障，系統(tǒng)都可以在第一時(shí)間用語音或者是LCD閃動(dòng)的形式來通知機(jī)械操作者。其中，在語音報(bào)警與提示方面的設(shè)計(jì)，可有兩種形式來選擇，一種是揚(yáng)聲器，而另一種則是耳機(jī)。同時(shí)，通過LCD顯示，可以讓操作者及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)是哪路播種機(jī)出現(xiàn)了故障，方便下車技術(shù)補(bǔ)種。

圖5 排種控制系統(tǒng)

圖6 ZigBee無線采集系統(tǒng)

在漏播檢測(cè)器及漏播監(jiān)測(cè)啟動(dòng)器設(shè)計(jì)中，傳感器工作原理如圖7所示。

圖7 傳感器工作原理

漏播檢測(cè)器是整個(gè)裝置系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的重要組成部件，安裝在播種管的上部。其中，紅外發(fā)管可為傳感器提供便利條件， 即傳感器可以采用紅外光發(fā)射

接收管。工作時(shí)，玉米種子通過傳感器確定位置，遮斷光束，使得接收管裝置在第一時(shí)間發(fā)出提示信號(hào)。當(dāng)然，本文提出的播種機(jī)漏播補(bǔ)種裝置設(shè)備，最大的好處就是防水、防曬效果俱佳，且響應(yīng)速度快、噪聲低、體積相對(duì)較小，借助于傳感器裝置上的多組紅外對(duì)發(fā)管，其檢測(cè)精度絲毫不受環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

基于Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計(jì)的播種機(jī)漏播補(bǔ)種系統(tǒng)平臺(tái)，屬于電子防漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可在保證效率的前提下，最大限度地克服了傳統(tǒng)普通播種機(jī)的一些固有缺陷，且改進(jìn)了一些關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度的智能精密播種作業(yè)。

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Zig Bee Wireless Sensor Network Seeding - machine Resow System

Huang Zhenzhong，Zhang Qing

(Henan College of Applied Technology, Zhengzhou 450042, China)

The planter based on Zig Bee wireless sensor network leakage sowing reseeding system design and research of the topic, we the development of agricultural mechanization, sowing machine as the research topics, from Zig Bee wireless sensor network communication technology application in the field of agricultural production, for example, focusing on design a wireless sensor network technology to control the seeding machine leakage sowing reseeding system platform.The Zig Bee wireless sensor network communication technology, to achieve the remote monitoring of the fault in the operation of machinery, alarm. In this paper, in order to further verify the planter leakage sowing reseeding system design of reliability, safety, stability, specifically in the experimental prototype were tested.

Zig Bee；seeding machine；seeding resow system；single chip microcomputer

2016-05-19

河南省青年教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2011GGJS-207)

黃振中(1973-)，男，河南信陽人，副教授，碩士，(E-mail)huangzhenzhong0513@163.com。

S223.2;S126

A

1003-188X(2017)03-0234-03