自動(dòng)變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)研究（一）

1、自動(dòng)變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)研究（一）     論文關(guān)鍵詞：精確農(nóng)業(yè)  變量施肥  GPS  GIS  單片機(jī)控制論文摘要 ：精確農(nóng)業(yè)技術(shù)研究發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力是對(duì)農(nóng)業(yè)耕作中發(fā)現(xiàn)的作物生長環(huán)境和實(shí)際收獲產(chǎn)量分布的空間差異性的認(rèn)識(shí)，其核心是GPS、GIS、RS等技術(shù)支持下的精確定位與變量作業(yè)。化肥是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和增產(chǎn)的主要投入要素，化肥成本在農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)產(chǎn)出、農(nóng)民收入和環(huán)境質(zhì)量。變量施肥適應(yīng)不同地區(qū)、不同作物、不同土壤和不同作物生長環(huán)境的需要進(jìn)行全面平衡施肥，提高肥料利用率，具有明

2、顯經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。 我國的化肥投入存在結(jié)構(gòu)不合理、肥料平均利用率低、肥料的增產(chǎn)效益沒能充分發(fā)揮等問題。在變量施肥技術(shù)研究方面，我國基本是引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，進(jìn)行消化、吸收的跟蹤研究。因此，研究和開發(fā)自動(dòng)變量施肥技術(shù)，對(duì)發(fā)展符合我國國情的變量施肥技術(shù)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文研究的是基于地圖的自動(dòng)變量施肥控制系統(tǒng)，可自動(dòng)接收DGPS信號(hào)，獲得施肥機(jī)位置和速度信息，根據(jù)施肥決策數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)變量施肥控制。通過手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，施肥量均可以實(shí)現(xiàn)80500kg/ha范圍之內(nèi)的調(diào)整，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為10200rpm。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便易學(xué)、施肥量變化范圍大、控制性能比

3、較穩(wěn)定可靠、控制精度理想等特點(diǎn)。此外，本系統(tǒng)借鑒國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)，以自主開發(fā)為主，成本較低，而且可適用于不同型號(hào)的變量施肥機(jī)控制，適合我國國情，有利于促進(jìn)變量施肥技術(shù)的實(shí)施及在中國的推廣應(yīng)用。第一章 緒 論 1.1研究的目的和意義 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展日益成熟，一味地依賴高能源投入提高單產(chǎn)的潛力越來越小。同時(shí)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式所秉承的高資源投入、高能耗及其造成的環(huán)境危害，使人類體驗(yàn)到強(qiáng)烈的生存危機(jī)。人類必須合理地與大自然相處，充分發(fā)揮人類的智慧，尋找大自然自身的規(guī)律，利用高科技的手段服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，走可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展道路。高效低害的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式成為人類追尋的目標(biāo)。中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基

4、礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r直接影響到整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展社會(huì)穩(wěn)定。中國人多地少，人均資源相對(duì)緊缺。同時(shí)，土地資源、水資源都面臨著嚴(yán)峻的形勢。由人口仍在繼續(xù)增長，人口與資源的矛盾將日益突出。中國農(nóng)業(yè)發(fā)展普遍面臨農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本高、品質(zhì)差、化肥利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、勞動(dòng)效率低等問題。過去的半個(gè)世紀(jì)，中國的化肥投入和糧食單產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高的水平，其進(jìn)一步上升的空間有限。參考發(fā)達(dá)國家因農(nóng)工程技術(shù)所帶來的勞動(dòng)效率和糧食單產(chǎn)增長的經(jīng)驗(yàn)，中國有必要加大農(nóng)業(yè)工程技術(shù)裝備的投入，以提高土地利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率。因此，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的途徑和方式，既要充分有效地利用資源，又要節(jié)約、保護(hù)和合理利用資源，

5、大力發(fā)展中國式的可持續(xù)農(nóng)業(yè)則可望有力地解決人口與資源這一矛盾。精確農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）作為可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效發(fā)展模式，近年來成為國際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。其含義是指利用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等信息技術(shù)，在定位采集地塊信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)地塊土壤肥力、作物病蟲害、雜草、產(chǎn)量等在時(shí)間與空間上的差異，按農(nóng)藝要求進(jìn)行精確定位、變量耕種、變量施肥、變量灌水、變量用藥等農(nóng)業(yè)技術(shù)的調(diào)整管理，最大限度地優(yōu)化使用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，以獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益。精確農(nóng)業(yè)有利于提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，高效利用資源，同時(shí)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源，減少對(duì)環(huán)境的污染，

6、代表著農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。由于化肥成本在農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)產(chǎn)出、農(nóng)民收入和環(huán)境質(zhì)量，因此，變量施肥技術(shù)是精確農(nóng)業(yè)作業(yè)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(nóng)業(yè)的核心是GPS、GIS、RS支持下的精確定位與變量作業(yè)。變量投入技術(shù)VRT(Variable Rate Technologies)如圖1.1所示。變量施肥，是指根據(jù)地塊的不同要求，有針對(duì)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(jī)來完成，這種機(jī)器是一臺(tái)裝配有GPS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的拖拉機(jī)。具體過程如下：田間各小區(qū)所需肥料的比率及單位面積施用量，都經(jīng)過專家系統(tǒng)決

7、策事先存入計(jì)算機(jī)；當(dāng)拖拉機(jī)在田間行駛時(shí)通過GPS的準(zhǔn)確定位獲取機(jī)具當(dāng)前位置信息；經(jīng)計(jì)算機(jī)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(chǎn)生的環(huán)境污染，提高了作物產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)帶動(dòng)農(nóng)業(yè)施肥技術(shù)及田管商業(yè)化的發(fā)展【9、10】?；适寝r(nóng)業(yè)高產(chǎn)和增產(chǎn)的主要投入要素，化肥成本在農(nóng)業(yè)總成本中占了較大的比重。如19931994年，美國在阿華達(dá)州的兩個(gè)農(nóng)場開展了精確農(nóng)業(yè)試驗(yàn)，利用GPS的變量施肥技術(shù)表明，產(chǎn)量結(jié)果比傳統(tǒng)均衡施肥提高了30%【12】。明尼蘇達(dá)大學(xué)在明尼蘇達(dá)州漢斯卡農(nóng)場實(shí)驗(yàn)研究表明：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)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(nóng)場采用變量施肥技術(shù)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(jié)構(gòu)不合理，肥料平均利用率較發(fā)達(dá)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(dá)6070%）?；释度胗绕涫橇追实耐度肫毡槠撸斐绅B(yǎng)分投入比例失調(diào)【13、14】。而地域和養(yǎng)分不平衡有進(jìn)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(nóng)業(yè)產(chǎn)量和農(nóng)民收入。傳統(tǒng)的施肥方式是在一個(gè)地塊內(nèi)使用一個(gè)施肥量。而在同一地塊內(nèi)，土壤養(yǎng)分含量存在著差異，如果采用平均施肥，會(huì)造成在肥力低

9、而其它生產(chǎn)性狀好的區(qū)域施肥不足；而在肥力高但其它生產(chǎn)性狀不好的區(qū)域則施肥過量，其結(jié)果必然造成肥料浪費(fèi)、成本提高和環(huán)境污染。變量施肥適應(yīng)不同地區(qū)、不同作物、不同土壤和不同作物生長環(huán)境的需要進(jìn)行全面平衡施肥，提高肥料利用率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，有望成為未來施肥的發(fā)展方向【15、16】。1.3施肥主要支撐技術(shù)（1） 全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS） 精確農(nóng)業(yè)中的定位信息采集與變量實(shí)施，需要應(yīng)用GPS。已經(jīng)建成投入運(yùn)行的有美國GPS系統(tǒng)和俄羅斯的全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)。目前歐洲為了滿足本地區(qū)導(dǎo)航定位的需求，計(jì)劃開發(fā)針對(duì)GPS和GLONAS

10、S的廣域星基增強(qiáng)系統(tǒng)（EGNOS），包括地面設(shè)施和空間衛(wèi)星，以提高GPS和GLONASS系統(tǒng)的精度、完備性和可用性。同時(shí)，為了打破目前世界美、俄全球定位系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的壟斷，歐洲決定啟伽利略計(jì)劃，建立自主的民用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GALILEO）。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的GPS產(chǎn)品，如美國Trimbl公司Ag132 12通道GPS接收機(jī)，可接收信標(biāo)臺(tái)發(fā)布的地區(qū)性差分校正信號(hào)免費(fèi)服務(wù)或獲得由近地衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的廣域差分收費(fèi)校正信號(hào)服務(wù)，提供可靠的分米級(jí)定位和0.16km/h的速度測量精度?？捎糜谵r(nóng)田面積和周邊測量、引導(dǎo)田間變量信息定位采集、作物產(chǎn)量小區(qū)定位計(jì)量、變量作業(yè)農(nóng)機(jī)械實(shí)施定位處方施肥、播種、噴藥、灌溉和提供

11、農(nóng)業(yè)機(jī)械田間導(dǎo)航信息等。（2）地理信息系統(tǒng) (Geographical Information System，GIS) GIS是以采集、存儲(chǔ)、管理、描述、分析地球表面及空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，即它是以計(jì)算機(jī)為工具，具有地理圖形和空間定位功能的空間型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在技術(shù)上已經(jīng)成熟【1。它在精確農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中主要用于建立農(nóng)田土地管理，土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情、病蟲草害發(fā)生發(fā)展趨勢、作物產(chǎn)量的空間分布等的空間信息數(shù)據(jù)庫和進(jìn)行空間信息的地理統(tǒng)計(jì)處理、圖形轉(zhuǎn)換與表達(dá)等，為分析差異性和實(shí)施調(diào)控提供處方信息【2】。（3）傳感、監(jiān)測系統(tǒng)及遙感（Romote Sensing，RS） 精確農(nóng)業(yè)技術(shù)實(shí)

12、際上是一種以信息為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。它利用傳感器及監(jiān)測技術(shù)可以方便、準(zhǔn)確、完整地獲得當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐谋匾獢?shù)據(jù)，再根據(jù)各因素在控制作物生長中的作用規(guī)律或其相互關(guān)系，迅速作出恰當(dāng)?shù)墓芾頉Q策，進(jìn)而控制對(duì)作物的投入或調(diào)整作業(yè)操作。廣義的說，遙感是在不接觸的情況下，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行遠(yuǎn)距離感知的一種探測技術(shù)；俠義上說是指通過航空或航天遙感平臺(tái)（飛機(jī)或衛(wèi)星），利用傳感器（如掃描儀、雷達(dá)等）獲取目標(biāo)物反射或輻射的電磁波信息，通過信息的傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物遠(yuǎn)距離探測研究的科學(xué)技術(shù)。RS技術(shù)是未來精確農(nóng)業(yè)物技術(shù)體系中獲得田間數(shù)據(jù)的重要來源，它可以提供大量的田間時(shí)空變化信息。近30多年來，RS技術(shù)在大面積作物產(chǎn)量預(yù)測，農(nóng)

13、情宏觀預(yù)報(bào)等方面作出了重要貢獻(xiàn)。（4）計(jì)算機(jī)控制器(Computer Controller)及變量執(zhí)行設(shè)備(Variable Application Equipment)控制器接收DGPS中的位置信號(hào)，從GIS中電子地圖提取變量決策信息，接收實(shí)時(shí)傳感器的信息，并將它們經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，然后輸出給變量執(zhí)行設(shè)備，通過液動(dòng)、氣動(dòng)或電動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的變量投入?？刂破鬟€可以接收?qǐng)?zhí)行設(shè)備傳來的反饋信號(hào)，對(duì)作物投入量進(jìn)行調(diào)整并存檔備查?！?】 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(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用的報(bào)道。日本、韓國等國家近年來已加快開展精確農(nóng)業(yè)的研究工作，并得到政府部

14、門和相企業(yè)的大力支持。變量施肥技術(shù)作為精確農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分，經(jīng)過近二十年的研究與開發(fā)，在歐美發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快，已初具規(guī)模，其相關(guān)技術(shù)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(shù)等方面已實(shí)現(xiàn)變量控制【6】。目前變量施肥大多數(shù)是基于電子地圖的自動(dòng)變量施肥，其中根據(jù)GPS信號(hào)和施肥量信號(hào)向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制指令的控制臺(tái)是整個(gè)變量施肥系統(tǒng)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(jīng)有具有通用性的產(chǎn)品上市，其接口可以適應(yīng)液肥、粒肥等多種作業(yè)機(jī)械的控

15、制。例如，1995年美國明尼蘇達(dá)州、華盛頓州開發(fā)了商品性變量投入技術(shù)(VRTVariable Rate Technology)應(yīng)用設(shè)備【11，28】。MidTech公司生產(chǎn)的新型控制器TASC6200具有較大的適應(yīng)范圍，可控制液體、顆粒狀固體、液態(tài)氨、排種、化學(xué)農(nóng)藥注射系統(tǒng)等，具有很大的通用性。Rawson控制系統(tǒng)公司生產(chǎn)的ACCU-RATE變量控制器【29】是一種多功能的處理器，可以進(jìn)行編程獨(dú)立控制兩種種子變量播種，或者在同一時(shí)間控制種子和化肥兩個(gè)量。有兩個(gè)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(jì)算、距離以及每畝種子數(shù)量和化肥的重量。該處理器有一個(gè)GPS工作

16、模式和一個(gè)人工作業(yè)模式，在人工作業(yè)模式下，通過撥號(hào)來控制施肥量或播種量的變化?？梢杂糜诰_播種、條播、飛播任意類型的種子，也可以用于液態(tài)化肥或固態(tài)化肥的變量實(shí)施。另外，Ag Leader公司生產(chǎn)的PFA田間計(jì)算機(jī)【29】使精確農(nóng)業(yè)播種和施肥的精確和簡單達(dá)到一個(gè)更高的水平。它帶內(nèi)置GPS，可直接控制Rawson變量液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不需變量控制器中間環(huán)節(jié)。通過手動(dòng)設(shè)置或自動(dòng)讀取處方圖，控制播種、固體化肥或液態(tài)產(chǎn)品的施用。作業(yè)過程中可記錄實(shí)際施肥量或播種量，同時(shí)利用導(dǎo)航光靶進(jìn)行導(dǎo)航。日本對(duì)氮肥變量實(shí)施進(jìn)行了研究。由Hatsut工業(yè)公司制造的稻田變量施肥機(jī)是基于地圖的，可施用固體肥料、噴藥等。系統(tǒng)由電子

17、馬達(dá)、容量為120L的肥箱、六個(gè)測連裝置和十二只噴管組成，由地輪傳感器測得機(jī)具前進(jìn)速度，機(jī)載GPS測得位置信息，查詢地圖中相應(yīng)的施肥量，從而控制排肥口的施肥量。實(shí)驗(yàn)表明變量施肥比傳統(tǒng)均一施肥節(jié)肥12.8%，而且使水稻種植獲得高產(chǎn)成為可能【30】。俄羅斯全俄農(nóng)機(jī)化研究所【31】自行研制了自動(dòng)變量施肥機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。該機(jī)自動(dòng)變量控制原理是：在排肥口裝一個(gè)電磁鐵和共振片，通過控制電磁頻率，使共振片震動(dòng)，達(dá)到開啟和閉合的目的，從而自動(dòng)控制施肥量變化。德國AMAZONE公司【10，32】開發(fā)了一種主要用于麥類作物春季追肥的實(shí)時(shí)自動(dòng)變量施肥機(jī)。在該機(jī)器的中央控制單元里，存儲(chǔ)變量施肥處方圖，同時(shí)通過拖

18、拉機(jī)前部安裝的基于機(jī)器視覺的作物長勢傳感器，監(jiān)測作物冠層的葉綠素含量，判斷作物的營養(yǎng)狀態(tài)，計(jì)算出氮的追肥需要量對(duì)原來的處方圖作出修正，然后通過液壓馬達(dá)控制變量施肥。精確農(nóng)業(yè)在美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成一種高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，已被廣泛承認(rèn)是可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的重要途徑，并無疑是21世紀(jì)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。美國液態(tài)復(fù)合肥使用率高,復(fù)合肥中大量元素供給量也明顯高于我國。據(jù)研究報(bào)道，美國氮肥中液N使用量占23.6%，復(fù)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(tài)N肥的生產(chǎn)和使用量非常少，P、K及其它液肥幾乎沒有；復(fù)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(tài)復(fù)合肥應(yīng)用上，我國落后美國2030年【35】。因此，在普及應(yīng)用顆粒復(fù)合肥的同時(shí)，逐步推廣液態(tài)復(fù)合肥，研究和引進(jìn)美國液肥生產(chǎn)和施用技術(shù)，對(duì)發(fā)展我國農(nóng)業(yè)具有很大促進(jìn)作用。目前精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)思想已開始在我國傳播和引起科技和產(chǎn)業(yè)界的重視。國家在863計(jì)劃中已列入了精確農(nóng)業(yè)的內(nèi)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(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能研究中心研究了用于變量施肥的決策支持系統(tǒng)VRFISDSS【37】。系統(tǒng)包括農(nóng)業(yè)區(qū)的基礎(chǔ)地理信息、作物生產(chǎn)知識(shí)、作物生長養(yǎng)分需求的數(shù)學(xué)模型和分析方法，利用知識(shí)庫的知識(shí)對(duì)決策方案進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，能夠進(jìn)行精確農(nóng)業(yè)變量施肥

20、的智能決策與空間決策。2000年，清華大學(xué)與北京市農(nóng)業(yè)局合作，通過GPS田間管理系統(tǒng)對(duì)田間土地進(jìn)行精確采樣和精確施肥的研究【38】。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心【39】追蹤國際上精確農(nóng)業(yè)的最新成果，進(jìn)行技術(shù)與設(shè)備的引進(jìn)、消化和吸收。他們依靠引進(jìn)和自主研發(fā)相結(jié)合，研制的自動(dòng)變量施肥機(jī)、農(nóng)藥噴灑機(jī)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變量投入，獲得了國家專利。其自動(dòng)變量控制也是基于地圖的，由地輪雷達(dá)測速儀測得機(jī)具前進(jìn)速度，機(jī)載GPS得到機(jī)具精確的位置信息，利用田間計(jì)算機(jī)(AgGPS170)讀取處方圖對(duì)應(yīng)的施肥量，通過控制變量控制器驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)控制施肥量的目的。此外，農(nóng)作物生長性狀遙感監(jiān)測、土壤養(yǎng)分和水分快速監(jiān)測、

21、作物生長模型、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、施肥、噴藥、灌溉的智能化技術(shù)等研究已在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院、吉林大學(xué)、國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、等單位展開【2，40，41】。我國當(dāng)今農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)水平從總體上看落后發(fā)達(dá)國家不止20年【20、66】，在變量施肥技術(shù)研究方面，基本是引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，進(jìn)行消化、吸收的跟蹤研究。需要在變量施肥技術(shù)及相關(guān)技術(shù)方面，如采樣技術(shù)、采樣導(dǎo)航技術(shù)、土壤速測技術(shù)、施肥決策技術(shù)和產(chǎn)量記錄技術(shù)等領(lǐng)域推動(dòng)高新技術(shù)的應(yīng)用研究與實(shí)踐，開發(fā)適于我國國情先進(jìn)的變量施肥技術(shù)，使之成為一個(gè)有機(jī)的技術(shù)體系。精確農(nóng)業(yè)的示范試驗(yàn)研究有可能成為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備領(lǐng)域應(yīng)用信息高新

22、技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的切入點(diǎn)。研究和開發(fā)自動(dòng)變量施肥技術(shù)，具有重要的社會(huì)意義，而自動(dòng)變量施肥控制系統(tǒng)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，為自動(dòng)變量施肥的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。1.5本文技術(shù)路線及研究內(nèi)容 SHAPE  * MERGEFORMAT 自動(dòng)變量施肥技術(shù)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(shí)時(shí)得到田間土壤養(yǎng)分、水分、種子等方面的數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)自動(dòng)控制變量投入；在基于地圖的工作方式中，數(shù)據(jù)被收集和存儲(chǔ)后，經(jīng)過分析處理做出變量決策，然后進(jìn)行控制變量投入操作。目前大多數(shù)變量施肥是基于地圖的，但是隨著實(shí)時(shí)傳感器技術(shù)的日益成熟，基于傳感器的變量施肥控制系統(tǒng)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文自

23、動(dòng)變量施肥控制系統(tǒng)是基于地圖的，整個(gè)控制系統(tǒng)分為手動(dòng)和全自動(dòng)兩種工作模式?？刂葡到y(tǒng)技術(shù)路線如圖1.2所示。 SHAPE  * MERGEFORMAT  首先通過施肥機(jī)排肥標(biāo)定確定標(biāo)定參數(shù)，寫入控制程序中。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)通過RS232串口將DGPS信號(hào)讀入單片機(jī)，提取機(jī)具前進(jìn)速度v和經(jīng)、緯度位置數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)格識(shí)別程序計(jì)算出當(dāng)前機(jī)具所在的地塊網(wǎng)格名稱，然后查詢對(duì)應(yīng)于該地塊的決策施肥量Q，并顯示當(dāng)前位置和施肥量。手動(dòng)模式下，通過鍵盤輸入各個(gè)網(wǎng)格的施肥量，并讀取地輪接近開關(guān)傳感器的脈沖信號(hào)得到機(jī)具前進(jìn)的速度值。最后，通過施肥公式計(jì)算所需的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n，將該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為

24、變頻脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過變速控制排肥軸從而實(shí)現(xiàn)變量施肥。     基于控制系統(tǒng)的技術(shù)路線，需要研究的主要內(nèi)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(chǔ)上，確定變量施肥控制系統(tǒng)實(shí)施方案；(2)     分析控制系統(tǒng)的輸入和輸出條件，設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)作為自動(dòng)變量施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器；(3)     編寫單片機(jī)控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)DGPS位置和速度信息的提取及對(duì)地輪傳感器脈沖值的提取，并要求能夠正確識(shí)

25、別地塊網(wǎng)格和查詢對(duì)應(yīng)施肥量；(4)     確定施肥控制曲線和實(shí)際排肥量、排肥軸的轉(zhuǎn)速及施肥機(jī)具前進(jìn)速度三者的關(guān)系，建立自動(dòng)變量施肥的控制模型。第二章自動(dòng)變量施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)要求 自動(dòng)變量施肥機(jī)所要達(dá)到的目的是在不同地塊網(wǎng)格達(dá)到按需施肥，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)工作所需的控制脈沖，然后輸出。輸入信號(hào)有：DGPS經(jīng)緯度位置信號(hào)和速度信號(hào)、接近開關(guān)傳感器或角度數(shù)字編碼器得到的地輪轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)、鍵盤輸入施肥量、存儲(chǔ)施肥決策數(shù)據(jù)的IC卡接口。輸出信號(hào)有：控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻脈沖信號(hào)、顯示施肥網(wǎng)格編號(hào)和施肥量/速度值、顯示DGP

26、S信號(hào)正常接收的指示信號(hào)等。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)（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(dòng)性等，松散性好、不易架空、不易成塊、流動(dòng)性好的肥料，利于實(shí)現(xiàn)順利排肥。（2）排肥器類型和工作參數(shù)影響【3】 排肥器類型有圓盤式、攪龍式、槽輪式等，本文自動(dòng)變量施肥機(jī)采用普通的外槽輪式排肥器。此種排肥器每轉(zhuǎn)的排肥量為：                     （21）式中：

27、q1、q2排肥器每轉(zhuǎn)強(qiáng)制層和帶動(dòng)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(zhuǎn)速（rpm）；(n)肥料對(duì)凹槽的充滿系數(shù)，與轉(zhuǎn)速有關(guān)；f每個(gè)凹槽的端面積（cm2）；t槽的節(jié)距(cm)；cn(n)帶動(dòng)層的特性系數(shù)或計(jì)算厚度(cm)，與轉(zhuǎn)速有關(guān)。則排肥器每分鐘的排肥量為：              （22）對(duì)于固定的排肥器來說，影響排肥量的參數(shù)是排肥器的軸向長度L和排肥軸的轉(zhuǎn)速n，二者均與排肥量成正比。（3）機(jī)具前進(jìn)

28、速度的影響 計(jì)算出施肥機(jī)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(jī)行距（m）；v機(jī)具前進(jìn)速度（km/h）。可以看出，機(jī)具前進(jìn)速度v與施肥量成反比。（1）施肥

29、控制公式 當(dāng)排肥軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度增加，單位面積施肥量減少。如果考慮到機(jī)具前進(jìn)速度的影響，則不同地塊網(wǎng)格施肥量為：                                （24）其中q(n)表示排肥器排肥量，是排肥軸轉(zhuǎn)速n的函數(shù)。如果對(duì)排肥器排肥量和排肥軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定

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