一施肥装置监测

报警系统化肥是农业高产和增产的主要投入要素，化肥成本在农业总成本中占了较大的比重。传统的施肥方式是在同一块地中施加同量肥料;但同一地块内，土壤养分含量及土质结构存在着较大差异，若采用传统的平均施肥法，会造成施肥不足或肥量过渡，导致成本提高和环境污染等问题。本文所设计的机型采用变量施肥法及报警系统来实施智能监控施肥，不但效率高，而且可以降低施肥成本。

1控制系统原理

首先将已标定施肥机参数写入控制程序中，作业时操作者有两种模式可选:①自动模式。DGPS信号通过RS232串口读入单片机，提取出中耕机前进速度v和位置坐标数据，网格识别程序可计算出当前机具所在的地块位置;然后查询与该地块对应的决策施肥量Q，并在屏幕上显示当前位置和施肥量。②手动模式。在驾驶室中的触摸屏上手动输入各个网格的施肥量，通过读取地轮触碰开关对应传感器的脉冲信号，可得到机具前进速度v，将地轮的步进电机转动转为由变频脉冲驱动，控制排肥轴转速，从而实现变量施肥。

2无线视频施肥监控

在肥料箱的底端装配超声波肥量监控器，施肥装置的卸肥管口处安装一个无线摄像头，驾驶室配有超声波报警蜂鸣器，当肥料箱肥量过少、肥料装储平面低于超声波收发平面时，通过蜂鸣器报警给驾驶室工作人员进行补充肥料。无线摄像头可将下肥、培土等作业效果以视频的方式呈现在驾驶室显示屏上，便于操作人员对作业效果的进一步监控。考虑到经济成本及操作人员的操作能力，针对南方甘蔗生产具体情况，设计手动和自动控制两种方案，以便蔗农根据情况选用。手动控制方式操作比较简单，在无GPS设备的情况下，可以根据甘蔗地和蔗农的种植经验进行手动变量控制自行决策施肥。此外，在自动模式无法发挥效用(如作业环境恶劣或无法接受到DGPS信号、电子系统故障)等情况下，可以通过手动控制方式完成作业。

3施肥控制系统的设计及实现

施肥参数由施肥控制决策系统软件生成，是实现变量施肥的必要参数。其中，理论施肥量与编程施肥网格是一一对应的。甘蔗施肥过程中，控制系统接收DGPS信号，对应单片机中存储的地块和施肥参数，进行不同蔗地网格的识别，并查询对应的决策施肥量。同时，以单路脉冲的形式输出速度v和施肥量Q，从而实时控制排肥轴转动:当施肥装置的施肥量小于设置的阈值时，重量传感器将信号肥量通过蜂鸣器报警系统传递给工作人员，以方便人工或自动添加肥料。

4控制系统的软件和硬件系统设计

在设计甘蔗中耕管理机的单片机控制应用系统时，通常采用汇编语言。该软件具有易操作、指令执行迅速等优点;缺点是编写与调试难度大，可移植性差。本文所设计的机型其电控系统采用单片机，引入C语言。C语言作为高级编程语言可以提供十分完备的规范化流程控制体系，其库函数丰富、运算速度快、可移植性强、编译效率高，能产生较紧凑的代码，应用系统易于调试。在施肥过程中，考虑到成本及操作人员的操作技能要求，硬件系统采用简易蜂鸣器发声或发光二极管发光产生示警信号自动报警器系统。HA为声响指示器，采用低电压(3V)蜂鸣器，其工作电流仅需十几个毫安;VT选用9013，hfe≈200，偏置电阻器R为15kΩ，VT的基极电流IB约0．1mA，集电极电流IC约为10mA，此时VT已经饱和导通，其集电极—发射极之间电压VCE仅为0．05V。随着施肥装置不断地给甘蔗施肥，储肥装置的肥量会不断减少，当肥量减少的设定的阈值时，贴在施肥装置底端侧边的重量传感器会将肥量的质量信号转化成电信号传递给控制电路中心，经过转化迫使蜂鸣器发生报警，从而提醒操作人员完成肥量的人工或自动上料。

二控制监控系统的组态设计

1组态软件的概述

甘蔗中耕管理机机在施肥及培土过程中考虑到系统的自动化及达到实时监测的效果，对软件及操作系统的设计要求成本低廉、美观且容易操作。本文基于MCGS组态软件系统所开发的平台，为蔗农提供了解决自动施肥、自动监控等实际问题的完整方案，能够完成施肥培土及数据采集实时采集等作业任务，具有定时和历史数据处理、报警和安全监控机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出、企业监控网络等功能。

2组态软件的功能模块及体系结构

MCGSE是基于Microsoft各种32位Windows平台的一种用于快速构造和生成嵌入式计算机监控系统的组态软件。其功能模块主要有以下方面:1)MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，操作系统简单方便、操作灵活，适合蔗农等阶层人员使用。2)该软件基于WindowsCE操作平台，系统按照多任务按优先等级分时操作的方式进行处理监控，实时性强，有良好的并行处理性能。3)MCGS嵌入版提供了良好的安全机制，可以根据不同级别用户设定不同的操作方式及权限，设置安全等级，能有效地保护系统及施肥培土机的安全性。4)报警类型多样化。蔗农选择设置自己喜欢的报警方式，系统能够实时显示报警信息，方便、及时地为用户提供施肥等报警提醒。5)组态系统维护方便，系统由模块化组态块组成，从而使得组态软件系统维护方便。其系统由组态环境、模拟运行环境和运行环境3部分组成。其中，前两部分相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行;运行环境作为一个独立的运行系统，按照组态工程中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能

3施肥自动监控组态软件的设计

施肥培土机在工作中设置手动及自动两种方式。手动模式工作过程中，施肥机不需要通过GPS系统采集处理数据，直接在驾驶室触摸屏控制面板中进行相应的手动操作。在手动工作模式下，根据甘蔗农的实际经验进行施肥量的设置。施肥机在自动控制模式下，根据GPS定位系统接受其发射的信号，自动完成甘蔗机的定位及工作状况。同时，当施肥装置中的肥量达到一定的状态时，会通过蜂鸣器将信息反馈给驾驶室操作人员，完成甘蔗施肥机的自动上肥工作。在工作模式中，控制面板的触摸屏会实时显示当前施肥机所在位置，并根据田间系统及水土的营养不同，完成自动控制施肥。该系统方便、快捷、自动化程度高，可以大大提升甘蔗田间作业的效率，减轻人工的劳动强度，避开热带的严寒酷暑，为甘蔗产业的自动化发展提供技术参考及理论依据。

三结论

本文设计的3ZSP－2型中型多功能甘蔗中耕管理机施肥控制系统适应不同地区、多种作物、不同土壤环境，兼容性强，可以及时、准确地监测肥量的变化;超声波报警装置性能可靠，无线摄像头视频成像使操作人员便于直观地对作业效果实时监控。该机型既可用于宿根甘蔗除草、破垄、施肥和培土，又可用于新种植甘蔗苗期各项中耕管理作业，比畜力作业犁深约深4cm，作业效率提高约3倍，作业成本降低50%。其旋耕质量稳定，施肥位置较合理，培土质量好，作业效率高，具有明显的经济和环境效益，为机械化中耕施肥管理技术的推广和应用奠定了基础。

作者：洪青梅董学虎李明黄敞刘海滨王迎周国胜张婷覃双眉单位：中国热带农业科学院热带生物品种资源研究所农业机械研究所山东滨州市锻压机械厂