基于IoT技术的智能播种机控制功能设计

　　随着精细农业的发展，精密播种对农作物生产质量和产量的影响也越来越大。传统机械式播种机在播种过程中存在漏播、播种株距不均匀及作业工况不可视等诸多问题，严重影响了播种作业的质量和农作物产量。为解决这一难题，引入IoT物联网技术，通过智能传感、无线通信和自动控制等先进技术，对智能播种机的控制功能进行优化设计。在深入研究分析IoT物联网体系结构的基础上，完成了智能播种机控制功能需求分析，对智能播种机控制系统的总体方案进行研究，完成了播种机控制系统的硬件及软件运行流程优化设计。最后，对智能播种机的控制功能进行试验，结果表明:基于IoT技术的智能播种机具有稳定全面的自动控制功能，能够对播种机的运行参数进行精确控制，且可对播种机的运行工况进行远程监控，具有较大的推广价值。

　　关键词精细农业;IoT技术;智能播种机;控制功能

　　我国是传统的农业生产大国，随着农作物种植规模的逐渐扩大，播种作业的需求也越来越大。播种作业是农作物种植最基础的工作，也是最关键的一个环节，播种质量的好坏直接影响作物种植的产量和质量。随着高新科技的发展，传统以人工播种为主要手段的播种作业不能满足工作需求，播种方式逐渐向机械化、智能化方向发展，越来越多的精准播种机应用在农作物种植上。

　　智能技术论文： 黑松播种育苗关键技术探讨

　　播种机的应用在一定程度上提高了农作物播种效率，节省了人力和物力，降低了劳动生产成本;但由于缺乏精确的控制，机械式播种机在播种过程中存在播种株距不均匀、漏播等现象，容易对农作物的产量和质量产生影响。同时，由于缺乏对播种过程的实时监控，对播种机的工作工况无法及时掌握，导致播种机机械故障频发，故障排除困难，对农业生产的进度产生了不利影响。

　　为了提高农作物播种精度和产量，提升播种机工作性能，强化播种机环境适应性，引入了IoT物联网技术，通过智能传感、无线通信和自动控制等先进技术，对传统播种机的控制系统进行优化，实现播种机的全自动智能控制。优化后的播种机能够完成工作工况监控及对运行故障预警，实现农作物播种的智能播种、可视化管理、自动控制，达到精确播种、智能播种的目的。

　　1IoT物联网体系结构

　　IoT是物联网(InternetofThings)的简称，通过射频技术、红外感应技术、定位技术等智能传感设备，将不同功能的物体与互联网连接，通过互联网完成不同物体之间的信息交换和无线通讯，从而达到智能识别、定位、控制、监控和管理的目的，是物与物相互连接的综合系统。IoT物联网的体系结构按B/S结构可以分为感知层、网络层和应用层3个层级。

　　1)感知层为物联网的基础，主要用于完成对信息数据的采集、短距离数据传输和传感网络组网及协同信息处理。数据采集主要通过传感器设备、二维条码、RFID射频和多媒体信息等采集设备对各类物体的感知信息进行采集，再通过低速和中高速段距离传输技术进行传感网络组网，进行感知信息的局部预处理。

　　2)网络层是物联网的枢纽，用于感应层和应用层的数据传输和信息共享。网络层是通过各类移动通信网络、互联网及其他专网等通信传输网络，将感应层采集的数据信息传输至应用层，为应用层提供数据支撑，网络层利用通信网络技术，对各类信息数据进行处理，保证传输至应用层的数据准确可靠，处理方法主要包括异构网融合、M2M无线接入及资源和存储管理等。

　　3)应用层是物联网的关键，为用户提供各类专用或通用的应用服务。应用层中的数据来源于感知层，经过网络层的数据处理后传输至物联网应用支撑子层，从而为各行各业提供相应的应用服务，包括环境监测、智能电网、智能交通，以及工业控制等。物联网应用支撑子层包括公共中间件、信息开放平台、云计算平台和服务支撑平台。

　　2播种机结构及工作原理

　　所研究的智能播种机以精密播种机为研究对象，通过在精密播种机中加装单片机、传感设备、驱动电机及各执行模块，使其能够全面监测各运行参数，并达到精确控制的目的，并可通过触摸屏等设备实现智能播种机的远程监控。智能播种机的行走轮是播种机行进的主动轮，在电动机和变速装置的作用下，通过齿轮传动，完成动力驱动。

　　镇压轮位于播种机前侧，用于机体配重，保证整个播种机的整体平衡。传感设备包括测速模块、压力传感器、播量监测器和视频采集等，用于对播种机的各类运行参数进行实时采集。智能播种机的控制器以单片机为核心，用于完成对采集数据的分析、计算和处理，并通过无线通信模块进行数据传输和信息共享。智能播种机的执行机构包括覆土器、开沟装置和排种器等，用于实现播种机的翻土、开沟和排种等。

　　3控制系统总体方案设计

　　3.1功能需求分析

　　结合智能播种机的结构和工作原理，基于IoT技术的智能播种机控制功能需满足以下条件:1)控制系统能够实时采集播种机的运行状态信息，包括种箱数量、播种机行进速度、镇压轮压力等，实现播种机运行状态的实时监控。2)能够实时检测播种机电动机的运行状态，通过无线通信模块实现对电动机的远程启动和停机。3)能够实现播种株距的智能调节，通过实时检测播种株距信息，根据生产要求实时调节排种器上的电机转速，实现播种株距的准确调控。

　　4)能够对播种机的运行参数进行数据查看、存储和导出，便于后期的计算、分析和指导农业生产。5)能够在触摸屏上对播种机的电机转速、目标株距、排种深度等运行参数进行设置，并对播种机的运行管理进行权限设置，确保产生误操作。6)具有自动报警和预警功能。通过播种机控制器和触摸屏的数据传输，可以通过触摸屏对播种机的故障信息进行实时显示和报警，通过预警模块提前告知故障点，便于作业人员及时维护。7)能够实现播种机控制器、传感设备与触摸屏的无线传输，通过RS485模块、4G/以太网等通信网络实现数据互传和信息共享。

　　3.2总体方案设计

　　智能播种机控制系统是基于无线网络进行组建，主要是通过无线通信网络技术将播种机控制器与各类传感设备、遥控器及触摸屏连接成一个大型网络系统，实现数据信息的传输、共享和控制。控制器是整个控制系统的核心，用于接收各类采集模块采集的播种机运行状态参数，通过单片机的分析、处理和计算后，将优化后的运行参数下传至各执行机构，完成对播种机的智能控制。

　　同时，通过RS485模块，可以将数据参数传输至触摸屏，实现播种机的远程控制。通过无线WiFi模块将播种机控制器和遥控器进行连接，可以远程控制播种机的启动和停止。各类采集模块包括测速模块、播量检测模块、压力采集模块和视频采集模块，用于完成对播种机行进速度的监测、播种量的监测、镇压轮压力的检测和播种机工作工况的视频监控。

　　播种机控制器、各类采集模块及遥控器中都采用了拨码开关技术，能够对无线通信网络中的AP网络ID、AP网络密码及AP网络IP进行参数配置。当拨码开关A模块处于同一状态时，各模块之间将组建无线WiFi局域网，可以进行物与物之间的数据传输;若拨码开关不一致，则无法访问当前的局域网。拨码开关技术的应用，可以将多个播种机进行互联，从而便于对大型农田的管理和状态监测。

　　4控制系统硬件设计

　　4.1控制器硬件设计

　　播种机控制器主要包括单片机模块、无线WiFi模块、各类传感器、模拟信号处理模块、拨码开关、RS485模块，以及各类状态指示灯等。单片机负责完成数据的分析、计算和处理，并将优化的运行参数通过RS485模块传输给触摸屏和电机驱动器。控制器中的模拟信号处理电路可以将各类传感器采集的模拟信号进行处理，再通过A/D通道进行A/D信号转换，最后传输至单片机中。控制器还设置有红绿黄3色指示灯，可以指示智能播种机的运行、故障和待机状态。

　　4.2单片机模块设计

　　单片机是整个控制器的核心，因此单片机的选型十分重要。在对播种机功能需求和稳定性分析后，综合考虑单片机稳定性、运算速度、功耗、开发环境等多方面，选取了STM32系列单片机，单片机型号为STM32F407VGT6。

　　4.3无线WiFi模块设计

　　本文选用的无线WiFi通信模块是EMW1088通信模块，支持802.11b、802.11g、802.11n协议，以及IEEE802.11e标准服务，质量安全机制同时满足WPA-PSK/WPA2-PSK和WPA/WPA2。EMW1088通信模块与单片机通过SDIO通信串口连接，单片机可以完成EMW1088通信模块的初始化及无线WiFi网络的参数设置，同时可以接收来自无线WiFi网络的通信信息。

　　4.4RS485模块设计

　　选用的RS485模块采用的是RS485总线，可以同时进行数据发送和接收，具有较好的抗干扰性。RS485模块采用非隔离电路设计，通过SP3485芯片与单片机进行串口通讯，另外与I/O控制口连接。该模块工作电压为+3.3V，是通过电压转换电路，将电源模块的12V供电电压转换为+3.3V电压。同时，为保证RS485通信模块的稳定性，采用了偏置电阻和中间匹配电阻。

　　5控制系统软件设计

　　智能播种机控制系统的软件程序决定了控制系统运行是否合理、参数是否优化，主要用于完成系统各硬件模块的初始化、各子模块的运算及参数的传递，从而保证各子模块之间数据传输的通畅和准确。智能播种机开始工作后，首先对单片机、各类传感设备、触摸屏及其他控制芯片等进行初始化，保证各模块运行前处于初始状态。在触摸屏上进行相关指令的输入，可以完成智能播种机的参数设置。单片机数据接收端口不断接收采集设备的采集数据，若有脉冲信号则调用信号采集和处理运算程序;若无接收到脉冲信号，则继续等待。信号采集和处理运算程序负责对播种机的运行状态进行实时采集，包括播种机前进速度、电机转速转矩、压力信号、播种量及播种株距，并通过无线WiFi模块将相关数据参数传输至触摸屏中进行实时显示。

　　采集模块采集到的数据传输至单片机进行分析、处理和计算后，将优化后的参数通过无线WiFi模块传输至相关执行机构，控制执行机构按优化后的参数运行。例如，控制播种株距，是通过向电机驱动器发送脉冲信号，从而保证电机按优化后的转速运行。播种机出现漏播情况时，报警模块会及时启动，并及时进行漏播报警;当播种机在运行过程中出现故障时，报警模块会将故障信息通过无线模块传输至触 摸屏进行显示，方便作业人员检查和故障排除。

　　6结论

　　为解决传统机械式播种机播种株距不均匀、漏播及工况不可视等问题，深入研究了IoT物联网体系框架，并将IoT技术应用在播种机的控制系统中。在研究播种机组成结构和工作原理的基础上，分析了其控制功能需求，完成了智能播种机控制系统的总体方案设计。对智能播种机控制器的硬件总体方案进行研究，分别对单片机模块、无线WiFi模块和RS485模块进行硬件选型和电路原理图设计，最后完成控制系统软件流程的优化设计。试验结果表明:基于IoT技术的智能播种机控制功能全面，控制精度高，能够实时显示智能播种机的运行状态，通过触摸屏可以完成对智能播种机的远程监控和智能控制。基于IoT的智能播种机极大提高了农作物的质量和产量，降低了作业人员的劳动强度，对提升农业生产效益有着重要的指导意义。

　　参考文献

　　[1]司强.基于物联网的集尘器智能控制系统研究[D].南京:东南大学，2018.

　　[2]金逸超.基于物联网环境的智能家居安防系统的研究与实现[D].南京:南京邮电大学，2011.

　　[3]AMARDEOC，SARMAJG.Identitiesinthefutureinternetofthings[J].Wirelessperscommun，2009，49:353-363.

　　[4]杨小琪.基于物联网智慧农业平台建设大数据的研究[D].曲阜:曲阜师范大学，2017.

　　[5]陈绍斌.精量播种机监控系统的研究与开发[D].杨凌:西北农林科技大学，2007.

　　[6]王金艳.霍尔传感器转速检测系统的设计与研究[D].哈尔滨:黑龙江大学，2010.

　　作者：李娜，王丽杰

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/dzlw/27955.html