間歇式三七土壤蒸汽消毒機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

孫喆興 ， 張向通 ， 夏鳳淏 ， 王鳳花

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650050）

0 引言

三七是我國名貴中藥材之一，云南省三七產(chǎn)量達(dá)到全國總產(chǎn)量的96%[1-3]。與其他人參屬植物相類似，三七連作障礙極其嚴(yán)重。受此問題影響，傳統(tǒng)三七種植區(qū)宜種土地逐漸枯竭，連作障礙已成為制約三七產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的主要原因。土壤消毒技術(shù)能夠快速、高效殺滅土壤中病蟲害，解決作物多年連續(xù)種植中存在的連作問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)三七土壤物理消毒技術(shù)展開研究，發(fā)現(xiàn)田間高溫蒸汽處理是克服三七連作障礙有效且生態(tài)環(huán)保的方法[4]。高溫密集蒸汽在土壤中具有較強(qiáng)的穿透能力，能消除微生物，降解自毒物質(zhì)。同時(shí)，蒸汽處理能夠保持土壤疏松，使重土變成團(tuán)粒，提高土壤的通透性和排水性，有效地改善多年種植造成的土壤板結(jié)問題。

土壤蒸汽消毒法最早由德國人提出，基于土壤蒸汽消毒技術(shù)開發(fā)的蒸汽消毒機(jī)近幾年得到了較快發(fā)展[5-6]。Gay等開發(fā)的土壤蒸汽消毒機(jī)，作業(yè)時(shí)蒸汽罩邊緣插入土壤中，起到預(yù)防蒸汽泄漏和保溫的作用，同時(shí)配有蒸汽發(fā)生器和自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)[7-8]；Nishimura等通過蒸汽控制雜草種子萌芽，對(duì)土壤表層雜草種子的處理效果達(dá)到90%以上[9]；德國MSD公司的全自動(dòng)MSDZ-1機(jī)型相比于以往機(jī)器，蒸汽效率提高了近40%；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)張汝坤教授團(tuán)隊(duì)研制的移動(dòng)式溫室育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，主要適用于工廠化三七基質(zhì)消毒[10]；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)汪小旵等研制的旋耕蒸汽消毒機(jī)，由液壓桿伸縮調(diào)節(jié)消毒深度，能夠滿足蔬菜土壤消毒的要求[11]；南京林業(yè)大學(xué)潘四普等設(shè)計(jì)了基于脈動(dòng)燃燒技術(shù)的蒸汽發(fā)生裝置，并在該技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)消毒機(jī)蒸汽輸送部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及土壤傳熱模型的CFD數(shù)值模擬[12]；西北農(nóng)林科技大學(xué)許永福等研發(fā)了一款刺罩式土壤蒸汽處理機(jī)，通過調(diào)節(jié)牽引上的液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刺針插入土壤，以萌發(fā)率作為土壤處理及作業(yè)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]。然而以上消毒設(shè)備無法適應(yīng)云南丘陵地區(qū)，或者消毒效果難以滿足三七土壤消毒的農(nóng)藝要求。

因此，為解決三七土壤連作障礙問題，并且降低操作人員直接接觸蒸汽消毒機(jī)存在的危險(xiǎn)性，本文設(shè)計(jì)了一款間歇式三七土壤蒸汽消毒機(jī)，利用STM32控制單元對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并利用手機(jī)APP對(duì)土壤溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，降低人工勞作強(qiáng)度及操作風(fēng)險(xiǎn)。最后進(jìn)行樣機(jī)試制及田間試驗(yàn)，對(duì)消毒機(jī)的工作性能進(jìn)行驗(yàn)證，為解決三七連作障礙提供了一種安全高效的自動(dòng)化裝備。

1 裝置結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

根據(jù)三七種植的農(nóng)業(yè)需求，進(jìn)行整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。消毒機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由蒸汽發(fā)生器、車架、提升裝置、蒸汽輸送系統(tǒng)、蒸汽罩殼等組成。控制系統(tǒng)包括STM32F407IGT6單片機(jī)、直流無刷電機(jī)、減速器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、編碼器和PT100溫度傳感器等。

圖1 間歇式三七土壤蒸汽消毒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)三七土壤蒸汽消毒機(jī)進(jìn)入軌道作業(yè)時(shí)，提升電機(jī)工作，通過螺旋齒輪與直齒輪轉(zhuǎn)向器，將動(dòng)力輸送給絲杠與螺紋提升桿，螺紋提升桿將蒸汽罩殼部件向下斜放的同時(shí)，絲杠將蒸汽罩殼部件向下豎直壓入土壤，待螺紋提升桿放平蒸汽罩殼部件及消毒針全部被壓入土壤中，提升電機(jī)停止工作，車架上蒸汽消毒發(fā)生裝置將蒸汽經(jīng)過蒸汽軟管并通過主副蒸汽管消毒針噴射進(jìn)土壤之中。利用藍(lán)牙模塊，將STM32單片機(jī)中土壤溫度的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為滿足三七土壤消毒的農(nóng)藝需求，保持土壤溫度大于90 ℃的情況下消毒作業(yè)10 min，提升電機(jī)反轉(zhuǎn)，將蒸汽罩殼部件提升上來，隨后驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，將機(jī)器帶動(dòng)至下一個(gè)工作地點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)采用24 V直流電源，為直流無刷電機(jī)及編碼器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及STM32單片機(jī)供電。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，通過編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)具前進(jìn)距離及提升裝置高度的檢測，并據(jù)此調(diào)節(jié)提升電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。間歇式三七土壤蒸汽消毒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 間歇式三七土壤蒸汽消毒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由STM32F407IGT6單片機(jī)（主頻168 MHz，直流5 V電源供電，I/O引腳輸入電壓3.3 V）組成，該單片機(jī)共有14個(gè)通用定時(shí)器（TIM1～TIM14）及2個(gè)基本定時(shí)器（TIM15～TIM16），可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)計(jì)數(shù)、PWM信號(hào)輸出以及輸入捕獲與輸出比較等功能。利用E6B2-CWZ3E歐姆龍?jiān)隽渴叫D(zhuǎn)編碼器記錄電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。三七土壤蒸汽消毒機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括57BL115S21型直流無刷電機(jī)（額定功率210 W，額定電壓24 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min），減速器5GU-50K以及直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器AQMD6015BLS，利用PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。系統(tǒng)通過24 V直流電源進(jìn)行供電，并利用24 V轉(zhuǎn)5 V的降壓模塊給STM32單片機(jī)及編碼器上電，三七土壤蒸汽消毒機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 三七土壤蒸汽消毒機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 STM32控制單元軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)間歇式三七土壤蒸汽消毒機(jī)的運(yùn)行原理對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，STM32單片機(jī)對(duì)消毒機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，利用閉環(huán)調(diào)速方式調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，具體控制流程如圖3所示。

圖3 電機(jī)調(diào)速流程

下位機(jī)程序在Keil μVision5開發(fā)平臺(tái)利用C語言開發(fā)，通過向控制器的I/O引腳輸入不同的開關(guān)量信號(hào)，控制器循環(huán)掃描I/O引腳的電平狀態(tài)，確定無刷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)?？刂破骼枚〞r(shí)器TIM1、TIM3和TIM9記錄并存儲(chǔ)的各編碼器的脈沖數(shù)，從而計(jì)算直流電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并將其作為PI控制閉環(huán)調(diào)速算法的輸入量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并利用錄入的程序通過GPIO引腳輸出PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。

2.2.2 手機(jī)APP監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

手機(jī)端程序在Android Studio上利用Kotlin語言進(jìn)行編寫，并內(nèi)置了輕量型數(shù)據(jù)庫SQLlite用于儲(chǔ)存對(duì)應(yīng)的用戶信息，單片機(jī)、手機(jī)端APP以及數(shù)據(jù)庫均使用腳本對(duì)象表示符號(hào)（JSON）數(shù)據(jù)格式互傳數(shù)據(jù)。

用戶登錄成功之后，會(huì)顯示用戶的IP地址與連接狀態(tài)，利用RequestData()線程調(diào)用ParseJSON()方法，對(duì)STM32傳輸?shù)膬?yōu)化后的土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，創(chuàng)建并初始化JsonData對(duì)象后調(diào)用GetString()方法，獲取土壤溫度具體數(shù)據(jù)并在窗口實(shí)時(shí)顯示，在每次對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟停或轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的操作后，裝置都會(huì)通過藍(lán)牙模塊將消息發(fā)送至STM32單片機(jī)。

與此同時(shí)，用戶可以通過手機(jī)APP的控制指令控件對(duì)電機(jī)的啟停狀態(tài)及轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，Button對(duì)象將綁定的預(yù)設(shè)數(shù)值發(fā)送至藍(lán)牙模塊，STM32收到指令并解析后調(diào)用編寫好的程序，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。手機(jī)APP的工作流程如圖4所示。

圖4 手機(jī)APP的工作流程

3 系統(tǒng)功能測試

3.1 藍(lán)牙通信功能測試

土壤蒸汽消毒機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，溫度檢測模塊采集到的溫度數(shù)據(jù)和上位機(jī)發(fā)送的控制指令都是通過藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行傳輸?shù)?，所以必須?duì)藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行功能測試。將硬件系統(tǒng)搭建完成，給系統(tǒng)上電后，通過測試上位機(jī)Android端APP與藍(lán)牙模塊能否建立連接，檢測藍(lán)牙通信功能是否正常，如圖5所示。系統(tǒng)上電后，藍(lán)牙模塊LED燈閃爍，若成功建立連接，藍(lán)牙模塊LED燈由閃爍變?yōu)槌Ａ翣顟B(tài)并且APP界面中“藍(lán)牙配置”按鈕顯示為“連接成功！”。

圖5 APP溫度數(shù)據(jù)顯示

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能測試

硬件系統(tǒng)搭建完畢，上電并與上位機(jī)Android端建立藍(lán)牙連接后，進(jìn)行系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能測試。按下APP界面的電機(jī)控制按鈕，觀察電機(jī)是否完成相應(yīng)動(dòng)作。如果系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能正常，按下“正轉(zhuǎn)”按鈕，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)；按下“停止”按鈕，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；按下“反轉(zhuǎn)”按鈕，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，電機(jī)功能測試現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 電機(jī)功能測試

4 結(jié)語

課題組結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)了以STM32F407IGT6單片機(jī)為核心的間歇式三七土壤蒸汽消毒機(jī)及控制系統(tǒng)。通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)消毒機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及土壤溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了系統(tǒng)工作效率，降低了設(shè)備工作能耗，提高了設(shè)備的安全性。對(duì)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和電機(jī)功能進(jìn)行測驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)作，滿足土壤蒸汽消毒的農(nóng)藝要求。