CN201741006U - 一种农用多功能变量控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种农用多功能变量控制器，包括中央处理器及与中央处理器连接的串行数据接口电路、模拟量信号接口电路、数字量信号接口电路、液晶屏接口电路、触摸屏接口电路、报警电路、音频接口电路、看门狗电路和变量执行机构驱动电路；液晶屏接口电路与液晶显示屏连接，触摸屏接口电路与触摸屏连接，报警电路和音频接口电路均与扬声器连接，看门狗电路与数据存储器连接。本实用新型具有变量施肥、变量喷药、变量灌溉三种作业类型和GPS定位自动控制、推算定位自动控制和手动输入控制三种工作模式。本实用新型成本低廉，适用于多种耕作环节作业。

Description

一种农用多功能变量控制器

技术领域

本实用新型属于农业智能装备领域，涉及一种变量控制器，具体地说是一种配以相应的作业机具、传感器及变量执行机构可实现变量施肥、变量喷药或变量灌溉作业的农用多功能变量控制器。

背景技术

施肥、喷药和灌溉是农作物生长过程中必不可少的耕作环节，直接影响着农产品的产量和品质。耕作措施不当，不仅增加农产品生产成本，而且会破坏周围环境的生态平衡。随着科技进步，人类生活水平的提高，如何合理应用耕作地块的土壤特性和地块周围的生产资源，在减少生产投入的情况下增加或维持农产品产量、降低成本、减少环境污染、节约资源、保护生态平衡已成为近年来国际上农业科学研究的热点领域，精确农业也即因此应运而生。

精确农业的核心指导思想是对农业变量管理，因地制宜，优质高产。实质是最大限度地提高科技投入和科学运作对农业增产的贡献率。目的是实现农业现代化，改变农业的增产方式。随着一系列高新技术(如全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感系统(RS)、专家系统、传感器技术、自动控制技术和机电一体化技术等)在农业生产中的应用，使得精确农业在变量控制精度和作业效率方面均取得了前所未有的好成绩。但是纵观整个精确农业实施过程不难发现：作为精确农业实施关键技术支持之一的变量控制器相互之间不具有通用性。即在不同的农作物耕作环节中，采用该类控制器对农作物实施变量管理或投入，除需配以必要的作业机具外，还需配备专用的变量控制器，如凯斯公司ST820型空气输送式变量施肥播种机、约翰·迪尔公司的“绿色之星”喷药机以及杨青研究的变量灌溉机等，均是在施肥机、喷药机和灌溉机上安装专用的变量控制器实现变量作业。这样不但增加变量作业机的制造成本，也增加了精确农业实施和日后维护成本。不利于精确农业技术的推广应用。

发明内容

为了克服目前在不同农作物耕作环节中频繁更换变量控制器的不足，本实用新型的目的是提供一种农用多功能变量控制器，该多功能变量控制器成本低廉，具有多种类型输入输出接口、良好人机交互界面，可扩展性强，适用于多种耕作环节作业，改善了现有变量控制器通用性差的问题。能够实现“一机多用”，在保护环境资源的同时，降低变量作业机的生产成本，扩大精确农业推广应用范围。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种农用多功能变量控制器，其特征在于：该多功能变量控制器包括中央处理器及与中央处理器连接的串行数据接口电路、模拟量信号接口电路、数字量信号接口电路、液晶屏接口电路、触摸屏接口电路、报警电路、音频接口电路、看门狗电路和变量执行机构驱动电路；液晶屏接口电路与液晶显示屏连接，触摸屏接口电路与触摸屏连接，报警电路和音频接口电路均与扬声器连接，看门狗电路与数据存储器连接。

本实用新型中，所述的中央处理器采用ARM7系列的S3C44B0X微处理器；所述的数据存储器采用64M NAND flash存储器；所述的变量执行机构驱动电路为PWM脉冲隔离整形与放大电路、模拟量信号调整放大电路。

所述的串行数据接口电路通过D型9针串口与PC机或GPS接收机连接；其中，PC机将控制器系统程序或处方图信息载入中央处理器；GPS接收机在GPS定位自动控制模式下接收GPS通讯信息，对作业机具实现定位和测速。

所述的模拟量信号接口电路与压力传感器连接，在进行变量喷药或变量灌溉作业时，实时检测药液管路或水流主管路压力；所述的数字量信号接口电路与速度传感器、流量传感器连接，在进行推算定位自动控制或手动输入控制变量施肥作业时，实时测量机具行进速度和排肥轴转速；并自动控制或手动输入控制变量喷药作业或变量灌溉作业时，实时检测机具的作业速度和喷头喷液量。

所述触摸屏为外接四线电阻式触摸屏；液晶显示屏为5寸液晶屏，触摸屏与触摸屏液晶显示屏配合使用完成控制器作业参数实时显示及控制面板操作。

扬声器在机具变量作业工作正常时，读出机具作业位置；在机具变量作业工作异常时，发出蜂鸣报警声。

所述的变量执行机构驱动电路输出0V～10V电压信号和幅值为12V的脉冲信号。变量执行机构驱动电路与施肥机、喷药机及灌溉机连接。

本实用新型具有变量施肥、变量喷药和变量灌溉三种作业类型和GPS定位自动控制、推算定位自动控制、手动输入控制三种工作模式。是以ARM7系列的S3C44B0X微处理器为平台，在UCOS-II操作系统基础上，使用C语言开发完成。

本实用新型中，串行数据接口电路通过D型9针串口与PC机或GPS接收机的串行接口连接，与PC机连接用于将控制器系统程序或处方图信息载入中央处理器，与GPS接收机连接用于GPS定位自动控制模式下接收GPS通讯信息对机具实现定位和测速。模拟量信号接口电路可外接压力传感器，当该控制器进行变量喷药或变量灌溉作业时，用于实时检测喷药管路压力或水流主管路压力，若喷药管路压力或水流主管路压力达不到设定值时启动报警系统。数字量信号接口电路与速度传感器、流量传感器连接，当该控制器进行推算定位自动控制或手动输入控制变量施肥作业时，用于实时测量机具行进速度和排肥轴转速；当该控制器进行推算定位自动控制或手动输入控制变量喷药作业(或变量灌溉)时，用于实时检测机具作业速度和喷头喷液量。触摸屏接口电路外接四线电阻式触摸屏，液晶屏接口电路连接5寸液晶屏，触摸屏与液晶屏配合使用完成控制器作业参数实时显示以及控制面板操作。报警电路和音频接口电路均外接扬声器，当机具变量作业工作正常时，扬声器读出机具作业位置；工作异常时，扬声器发出蜂鸣报警声。数据存储器与看门口电路连接，看门狗电路与中央微处理器连接，数据存储器用于存放系统控制程序、决策处方数据和作业参数“记录薄.txt”。变量执行机构驱动电路设计集成了PWM脉冲隔离整形与放大电路、模拟量信号调整放大电路，可输出0～10V电压信号和幅值为12V的脉冲信号。

本实用新型填补了农作物耕作机械变量控制系统作业状态单一的空白，是一种同时适用于变量施肥、变量喷药和变量灌溉作业的变量控制器，有效降低了传统耕作机械向智能化控制转变的成本，有助于精确农业技术推广与实施。

与现有技术相比，本实用新型成本低廉，具有多种类型输入输出接口、良好人机交互界面，可扩展性强，适用于多种耕作环节作业，改善了现有变量控制器通用性差的问题。能够实现“一机多用”，在保护环境资源的同时，降低变量作业机的生产成本，扩大精确农业推广应用范围。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的工作流程图。

具体实施方式

结合附图及实施方式进一步说明本实用新型。

如图1所示，农用多功能变量控制器由中央处理器1以及外围的接口电路、驱动电路组成。其中，串行数据接口电路2一端接中央处理器1，另一端接9针D型串口用来与PC机21或GPS接收机22连接。模拟量信号接口电路3一端与中央处理器1连接，另一端接5针军用航空插头用来与压力传感器31连接。数字量信号接口电路4一端接中央处理器1，另一端接7针军用航空插头用来与速度传感器41、流量传感器42连接。触摸屏接口电路6一端接中央处理器1，另一端与四线电阻式触摸屏61连接。液晶屏接口电路5一端接中央处理器1，另一端与5寸LCD液晶显示屏51连接。变量执行机构驱动电路10一端接中央处理器1，另一端与6针军用航空插头连接。将以上硬件封装，制成农用多功能变量控制器。采用该控制器进行变量控制作业时，操作人员只需通过触摸屏面板操作，即可选择该控制器作业类型和工作模式。

如图2所示，使用农用多功能变量控制器作业，开机后选择作业类型，本实用新型提供变量施肥、变量喷药和变量灌溉三种作业类型供操作人员选择。当该控制器作业类型选定后，即进入工作模式选择界面，同样有GPS定位自动控制、推算定位自动控制和手动输入控制三种工作模式供选择。下面对该控制器不同作业类型、不同工作模式下的工作过程做进一步说明。

1、变量施肥作业

本实用新型设计的农用多功能变量控制器可驱动由拖拉机液压系统、电液比例阀、液压马达、滤油器和排肥轴组成的液压无级调速系统完成变量施肥作业。液压无级调速系统连接方式为：拖拉机液压系统与滤油器连接，滤油器与电液比例阀连接，电液比例阀与液压马达连接，液压马达与排肥轴连接。农用多功能变量控制器与变量施肥机连接方式为：控制器外接的9针串口与GPS接收机连接，6针军用航空插头与电液比例阀连接，7针军用航空插头与排肥轴上安装的测量排肥轴转速的速度传感器和施肥机驱动轮上安装的测量机具行进速度的测速传感器连接。

当农用多功能变量控制器选择GPS定位自动控制工作模式实施变量施肥作业时，该控制器定时采集GPS通讯信号，经中央处理器处理后，识别出变量施肥机作业位置网格标号，获取机具行进速度，结合NAND flash存储器中存放的施肥处方数据，计算并输出0V～10V电压信号控制电液比例阀阀门开度。由于电液比例阀阀门开度与液压马达转速间存在特定的函数关系，且液压马达与排肥轴之间通过齿轮连接，所以通过控制电液比例阀阀门开度，即可控制液压马达转速，进而控制排肥轴转速完成变量施肥作业。当排肥轴经齿轮带动旋转时，该控制器采集排肥轴上安装的速度传感器信号，采用欠松弛法对电液比例阀控制信号进行修正。变量施肥机作业参数实时记录于NAND flash存储器内的“记录薄.txt”文件中。

当农用多功能变量控制器选择推算定位自动控制工作模式进行变量施肥作业时，该控制器采集安装于拖拉机驱动轮上的测速传感器信号，测量该施肥机行进速度，计算施肥机作业距离，推算出施肥机所处的网格位置，获得作业位置网格标号，中央处理器依据此标号读取NAND flash存储器中存放的施肥处方数据，并根据施肥量、机具速度、排肥轴转速和电液比例阀控制信号间函数关系，计算输出电压信号控制电液比例阀阀门开度，完成变量施肥作业。同时，该控制器接收排肥轴转速反馈信息对电液比例阀的控制信号进行修正，机具作业参数实时记录于NAND flash存储器内的“记录薄.txt”文件中。

当农用多功能变量控制器选择手动输入控制工作模式进行变量施肥作业时，操作人员根据耕作地块土壤特性，手动输入施肥量信息，该控制器采集地轮速度传感器和排肥轴转速测量传感器信号，测得的机具行进速度和排肥轴转速，根据施肥量、机具速度、排肥轴转速和电液比例阀控制信号间函数关系，计算并输出控制电液比例阀的电压信号，实现变量施肥作业。

2、变量喷药作业

本实用新型设计的农用多功能变量控制器可驱动由电动调节阀、药箱、药泵、喷头和喷药管路等组成的旁路控制变量喷药机完成变量喷药作业。旁路控制变量喷药机各器件连接方式为：药箱通过高压油管与药泵入口连接，药泵出口处分为两路，一路串接一个安全阀后与药箱连接；另一路串接溢流阀、过滤器和蓄能器形成主喷药管路。主喷药管路在喷杆入口处分支成出水管和旁路回流管，出水管依次连接有流量传感器、压力传感器和喷杆喷头，旁路回流管连通药箱，电动调节阀安装于旁路回流管上。农用多功能变量控制器与旁路控制变量喷药机连接方式为：控制器外接的9针串口与GPS接收机连接，6针军用航空插头与电动调节阀连接，7针军用航空插头与变量喷药机驱动轮上安装的速度传感器、喷药管路上安装的流量传感器连接，5针军用航空插头与喷药管路上连接的压力传感器连接。

当农用多功能变量控制器选择GPS定位自动控制工作模式进行变量喷药作业时，该控制器接受GPS信号识别机具作业位置网格标号，获取NAND flash中存放的喷药处方数据，结合GPS接收机测得的机具行进速度，计算输出电压信号控制电动调节阀开口大小，通过控制旁路回流管对主喷药管路中药液的回流量控制喷头喷药量。同时，中央处理器实时监测喷头喷药量信息，比较喷头喷药量设定值与检测值间的偏差，修正电动调节阀的控制信号，作业参数自动记录于NAND flash存储器中的“记录薄.txt”文件中。此外，喷药系统中安装的压力传感器用于检测喷药管路压力信息，该信息作为报警器启动条件，当喷药管路因药箱缺药或药泵工作异常致使喷药管路压力检测值与设定值不否时，启动蜂鸣报警器。

当农用多功能变量控制器选择推算定位自动控制工作模式进行变量喷药作业时，该控制器采集安装于拖拉机驱动轮上的速度传感器信号，测量喷药机行进速度及作业距离，推算喷药机所处的网格标号，获取NAND flash存储器中存放的喷药处方数据。中央处理器根据喷药处方数据、机具速度和电动调节阀控制信号间函数关系，计算输出控制电动调节阀开口大小的电压信号，完成变量喷药作业。并在喷头喷液量反馈信号修正电动调节阀控制信号的基础上，采用压力传感器实时监测喷药管路压力变化，监测数据实时记录于NAND flash存储器中的“记录薄.txt”文件中。

当农用多功能变量控制器选择手动输入控制工作模式进行变量喷药作业时，该控制器采集速度传感器信号测量机具速度，结合手动输入的喷药量信息，计算、输出电压控制电动调节阀开口。同理，采用流量传感器检测值修正电动调节阀的控制信号，压力传感器实时检测喷药管路压力，其检测数据记录于NANDflash存储器内。

3、变量灌溉作业

本实用新型设计的农用多功能变量控制器可驱动由水箱、溢流阀、电磁阀、流量传感器、压力传感器、喷头和水流管路等组成的变量灌溉机完成变量灌溉作业。变量灌溉机各元件连接方式为：水箱出口与水流主管路入口连接，水流主管路出口分为两路，即出水管路和回水管路。出水管路串接流量传感器、电磁阀和喷头，回水管路串接溢流阀后与水箱连接，压力传感器安装于水流主管路上。农用多功能变量控制器与变量灌溉机连接方式为：控制器外接的9针串口与GPS接收机连接，6针军用航空插头与电磁阀连接，7针军用航空插头与灌溉机驱动轮上安装的速度传感器和出水管路上安装的流量传感器连接，5针军用航空插头与压力传感器连接。

当农用多功能变量控制器选择GPS定位自动控制工作模式进行变量灌溉作业时，该控制器定时采集GPS信号对灌溉机进行定位和测速，通过网格识别算法获得变量灌溉机作业位置网格标号，读取NAND flash存储器中存放的灌溉用水处方数据，计算并输出相应占空比脉冲信号控制电磁阀开合频率，完成变量灌溉作业，作业参数实时记录于NAND flash存储器内中的“记录薄.txt”文件中。当农用多功能变量控制器选择变量灌溉作业类型时，该控制器的反馈信号为流量传感器检测信号，蜂鸣报警器启动信号为压力传感器检测信号。

当农用多功能变量控制器选择推算定位自动控制工作模式进行变量灌溉作业时，该控制器采集安装于拖拉机驱动轮上的测速传感器信号对灌溉机进行测速，中央处理器以此为据自动推算出灌溉机作业位置网格标号，读取NANDflash存储器中存放的灌溉用水处方数据，并根据灌溉用水量、机具速度、电磁阀控制信号以及流量反馈信号间函数关系，计算输出相应的脉冲信号控制电磁阀开合频率，完成变量灌溉作业。

当农用多功能变量控制器选择手动输入控制工作模式进行变量灌溉作业时，操作人员根据灌溉地块含水量特性，手动输入灌溉用水量信息，该控制器结合速度传感器测得的机具速度信息以及流量传感器检测的反馈信息，计算并输出控制电磁阀开合频率的脉冲信号，实现变量灌溉作业。

本实用新型能同时适用于变量施肥、变量喷药和变量灌溉作业，有效降低了传统耕作机械向智能化控制转变的成本，成本低廉；而且本实用新型具有多种类型输入输出接口、良好人机交互界面，可扩展性强，适用于多种耕作环节作业，改善了现有变量控制器通用性差的问题，能够实现“一机多用”，在保护环境资源的同时，降低变量作业机的生产成本，扩大精确农业推广应用范围。

Claims (7)

1.一种农用多功能变量控制器，其特征在于：该多功能变量控制器包括中央处理器(1)及与中央处理器(1)连接的串行数据接口电路(2)、模拟量信号接口电路(3)、数字量信号接口电路(4)、液晶屏接口电路(5)、触摸屏接口电路(6)、报警电路(7)、音频接口电路(8)、看门狗电路(9)和变量执行机构驱动电路(10)；液晶屏接口电路(5)与液晶显示屏(51)连接，触摸屏接口电路(6)与触摸屏(61)连接，报警电路(7)和音频接口电路(8)均与扬声器(71)连接，看门狗电路(9)与数据存储器(91)连接。

2.根据权利要求1所述的农用多功能变量控制器，其特征在于：所述的中央处理器(1)采用ARM7系列的S3C44B0X微处理器；所述的数据存储器(91)采用64M NAND flash存储器；所述的变量执行机构驱动电路(10)为PWM脉冲隔离整形与放大电路、模拟量信号调整放大电路。

3.根据权利要求1所述的农用多功能变量控制器，其特征在于：所述的串行数据接口电路(2)通过D型9针串口与PC机(21)或GPS接收机(22)连接。

4.根据权利要求1所述的农用多功能变量控制器，其特征在于：所述的模拟量信号接口电路(3)与压力传感器(31)连接；所述的数字量信号接口电路(4)与速度传感器(41)、流量传感器(42)连接。

5.根据权利要求1所述的农用多功能变量控制器，其特征在于：所述触摸屏(61)为外接四线电阻式触摸屏；液晶显示屏(51)为5寸液晶屏。

6.根据权利要求1所述的农用多功能变量控制器，其特征在于：所述的变量执行机构驱动电路(10)输出0V～10V电压信号和幅值为12V的脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的农用多功能变量控制器，其特征在于：变量执行机构驱动电路(10)与施肥机、喷药机及灌溉机连接。 

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