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远距离无线wifi模块IoT技术的智能播种机功能控制

发布日期:2021-12-31  浏览次数:2785
远距离无线wifi模块IoT技术的智能播种机功能控制,作为传统的农业生产大国,随着作物种植规模的逐步扩大,对播种作业的要求越来越高。播种机是作物栽培中基础的工作,也是重要的一环,其质量直接影响到作物种植的产量和质量。由于高新技术的发展,传统的以人工播种为主的播种作业已不能适应生产需要,播种方式逐渐向机械化、智能化方向发展,越来越多的精耕机被用于作物种植。播种机的使用在一定程度上提高了作物播种效率,节约了人力、物力,降低了劳动生产成本;但由于缺少正确的控制,机械播种机在播种过程中存在着株距不均匀、漏播等现象,易对作物的产量和质量造成影响。与此同时,由于缺少对播种过程的实时监测,不能及时掌握播种机的工作状态,致使播种机机械故障频繁,难以排除故障,严重影响着农业生产的进程。采用远距离无线wifi模块IoT物联网技术,以提高作物播种精度和产量,提高播种机的作业性能,加强播种机的环境适应性,采用智能传感器、无线通讯、自动控制等先进技术优化传统播种机的控制系统,它能实现播种全自动化控制。经过优化的播种机可以完成作业条件监测和作业故障预警,实现作物播种的智能化、可视化管理、自动控制、正确播种、智能化播种等功能。

IoT是物联网(InternetofThings)的缩写,它通过射频、红外感应技术,智能传感器,如定位技术,将具有不同功能的对象通过因特网连接,利用因特网完成不同对象间的信息交换与无线通信,实现智能识别、定位、控制、监控与管理;物质和物质相互联系的综合体系。根据B/S结构,IoT物联网架构可分为三个层次:感知层、网络层和应用层。

1)感知层是物联网的基础,主要用来完成信息数据的采集、短距离数据传输和传感网络组网以及协同信息处理。该系统主要通过传感器设备、二维条码、RFID射频及多媒体信息等采集设备采集各类对象的感知信息,并利用中低、中低速度段距离传输技术,对传感网络进行局部预处理。

2)网络层是物联网的枢纽,用于感应层和应用层进行数据传输和信息共享。网层是指通过各种移动通信网、因特网等通信传输网络,把感应层采集的数据信息传送到应用层,网络层采用通讯网络技术对各种类型的信息数据进行处理,为应用层提供数据支持;其处理方法主要有:异构网络融合、M2M无线接入、资源与存储管理等,保证数据的准确性和可靠性。

3)应用层是远距离无线wifi模块物联网的核心,它为用户提供各种专用或通用的应用服务。在应用层面上,通过网络层对数据进行处理,将数据传送到物联网应用支持子层,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、工业控制等。其主要内容包括:公共中间件、信息公开平台、云计算平台和服务支持平台。

以精密播种机为研究对象,通过在精密播种机上增加单片机、传感装置、传动电动机和每一个执行模块,使之能对各个操作参数进行全面监控,实现正确控制;通过触摸屏等设备,实现智能播种机的远程监控。智能型播种机的步动轮是播种机前进的主动轮,在电机、变速装置的作用下,通过齿轮传动来完成动力驱动。该压力轮安装在播种机前部,以保证整个播种机的平衡。该传感器包括速度测量模块、压力传感器、播量仪以及视频采集等部分,可实时采集各种播种机的运行参数。智能化播种机的控制系统以单片机为核心,用来完成采集数据的分析、计算、处理,并通过远距离无线wifi模块无线通讯模块实现数据传输和信息共享。智能型播种机的执行器由覆土器、开沟器、排种器等组成,用以实现翻地、开沟、排种。

从智能播种机的结构及工作原理出发,提出了基于远距离无线wifi模块IoT技术的智能播种机控制功能要求:
1)控制系统能实时采集播种机的种箱数、出苗量、出苗率、压轮压力等情况,实现对播种机运行状态的实时监测。
2)通过无线通讯模块实现对播种机电机运行状态的实时监测,实现对电机的远程启动与停止。
3)可实现株距的智能调节,通过实时检测播种株距信息,根据生产要求实时调整排种器的转速,实现株距的正确控制。
4)能查看、保存、输出播种机的操作参数,方便播种机后期计算、分析、指导农业生产。
5)能在触摸屏上设定播种机的电机转速、目标株距、排种深度等运行参数,并能对播种机运行管理进行权限设定,以确保播种机有误。
6)自动报警及报警功能。该系统利用播种机控制器与触摸屏之间的数据传输,实现了对播种机故障信息的实时显示与报警,并通过预警模块提前通知故障点,以便操作人员及时维修。
7)能实现播种机控制器、感测装置无线触摸屏传输,通过远距离无线wifi模块、5G/以太网等通讯网络实现数据交互和信息共享。

在无线网络的基础上,智能播种机控制系统主要是利用无线通讯网络技术,把播种机控制器与各种传感设备、遥控器、触摸屏等组成一个庞大的网络系统,实现数据信息的传输、共享和控制。以控制器为核心,接收各种采集模块采集的播种机运行状态参数,并由单片机进行分析,经过加工计算,将优化后的操作参数传给各个执行器,完成对播种机的智能控制;同时,通过远距离无线wifi模块模块,可将数据参数传送到触摸屏上,实现播种机的遥控。播种机控制器与遥控器通过无线WiFi模块联接,可遥控播种机的起动、停车。各采集模块包括速度测量模块、播量检测模块、压力采集模块、视频采集模块,用来完成对播种机行进速度的监控、播种量的监控、压力场的检测以及播种机工作状态的视频监控。在播种机控制器、各种采集模块和遥控器上,均采用拨号开关技术,可以对无线通信网络中的AP网络ID、AP网络密码和AP网络IP进行参数配置。在拨码开关A模块相同的状态下,可组成无线WiFi局域网,实现了物物间的数据传输;拨码开关不一致,就不能接入当前的LAN。通过采用拨号切换技术,可以实现多台播种机的联网,方便了大规模农田管理和状态监控。
四是控制系统的硬件设计。

播种控制器主要由单片机、无线WiFi、各种类型的传感器、模拟信号处理、拨码开关、RS485模块和各种类型的状态指示灯等组成。MCU负责对数据进行分析、计算和处理,并通过RS485模块将优运行参数传递给触摸屏和电机驱动。在控制器中的模拟信号处理电路,可对各种传感器采集的模拟信号进行处理,再经A/D通道转换为A/D信号,传送到单片机。另外,控制器中还设置了红绿黄3色指示灯,能显示智能播种机的工作状态、故障及备用状态。

控制器的核心是单片机,所以单片机的选型非常重要。通过对播种机的性能要求及稳定性的分析,选择了STM32F407VGT6型STM32F407VGT6,并从控制系统的稳定性、运算速度、功耗、开发环境等方面进行了研究。针对智能播种机的控制功能要求,确定STM32F407VGT6单片机部分引脚的定义和功能,如表1所示。

选择的远距离无线wifi模块支持802.11b、802.11g的EMW1088通信模块;802.11n协议,以及IEEE802.11e标准服务产品的安全性机制同时满足WPA-PSK/WPA2-PSK和WPA/WPA2的要求。远距离无线wifi模块通过SDIO通讯串行口与单片机相连,可完成通讯模块和无线WiFi网络参数设定,并能从无线WiFi网络中接收通讯信息。

所选择的模块采用RS485总线,可同时进行数据收发,并具有良好的抗干扰能力。RS485模块的设计是通过SP3485芯片与单片机进行串口通信,再与I/O控制口相连。其工作电压为+3.3V,通过电压变换电路,将电源模块的12V供电电压转换成+3.3V电压。在通信模块中引入偏置电阻和中间匹配电阻,保证了模块的稳定。

智能型播种机控制系统的软件编程决定了控制系统运行是否合理,参数是否优化,主要用来完成系统硬件模块的初始化、各个子模块的运算以及参数的传递,以确保各个模块之间数据的畅通、准确。智能型播种机启动工作后,首先将单片机、各种传感设备、触摸屏和其它控制芯片等初始化,确保在运行前每个模块都处于初始状态。对相关指令进行触摸屏输入,可完成播种机参数的设定。MCU数据接收端口不断接收采集设备的数据,如果存在脉冲信号,则调用信号采集和处理操作程序;如果没有收到脉冲信号,则继续等待。信息采集与处理操作程序负责实时地采集播种机的进出率、电机转速转矩、压力信号、排种量、排种量、排种器间距,并通过无线WiFi模块把有关的数据参数传送到触摸屏上实时显示。将采集模块采集的数据传送给单片机进行分析,处理、计算后,通过无线WiFi模块将优化后的参数传送给相应的执行机构,控制执行机构按照优化的参数运行。如对排种株间距进行控制,将脉冲信号发送到驱动电机驱动器,以确保电机按佳速度运行。当播种机发生漏播时,报警模块能及时启动,并能及时报警;当播种机在运行过程中发生故障时,报警模块将故障信息通过无线模块传送到触摸屏上显示,方便操作人员的检查及故障排除。

针对传统机械式播种机存在的株距不均、漏播和不可见等问题,深入研究了远距离无线wifi模块IoT物联网体系框架,并将IoT技术应用于播种机的控制系统中。通过对播种机的结构和工作原理的研究,对其控制功能要求进行了分析,完成了智能播种机控制系统的总体方案设计。研究了智能播种机控制器的硬件总体方案,对单片机、远距离无线wifi模块等进行了硬件选择和电路原理图设计,并完成了控制系统软件流程的优化设计。测试结果表明:基于IoT技术的智能播种机控制功能全面,控制精度高,可实时显示播种机的运行状态,在触摸屏上实现对播种机的远程监控与智能控制。以IoT为基础的智能播种机,大大提高了作物的产量和质量,减轻了操作者的劳动强度,对提高农业生产效益具有重要指导意义。
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