基于SI4432之精播机种肥作业无线监测体系综述

1 无线监测系统构成

精播机种肥作业工况无线监测系统由主、从系统构成，如图 1 所示。主系统功能是人机通信、数据存储、报警显示及与从系统通信; 从系统功能是监视种管和肥管中流通状态、检测种肥箱是否排空及与主系统无线通信等。种箱和肥箱排空监视传感器采用薄膜压力传感器感知剩余种量和肥量，通过单片机转换成数字量; 在输种管和输肥管上安装光敏元件阵列，检测种子和肥料流动信号; 微处理器根据光敏元件输出信号，确定种、肥流动情况，一旦发生异常情况，通过无线模块将对应故障信息传给主系统，报警并显示对应信息。从系统通过无线模块将采集数据发送给主系统，运算处理后显示剩余种量和肥量，通过无线模块对从系统发送指令和接收信息。


2 SI4432 无线模块
SI4432 是 SiliconLab 公司生产的无线收发 IC，是高性能 433M 无线收发模块，具有多种调制方式，工作在 433．92M 的国际通用 ISM 频段，最高调制速率可达256kbps，具有关闭、省电等多种工作模式; 采用 SPI接口方式，很方便与各种 MCU 连接; 收发视距可达1km; 价格低廉，性能优越，适用于精播机上大量安装。
但是，SI4432 不具有地址过滤功能，在一主多从系统中，会造成通信广播影响不参与通信的系统频繁停止工作; 而在精播机作业中，实时监视是非常重要，短暂的工作停止可能会造成断条等情况发生。因此，设计了一个地址过滤电路，以保证通信一对一，而不影响那些不参与通信的系统进行正常监视。无线模块结构如图2 所示。采用 1 片 STC15W204S 单片机，与 SI4432 完成 SPI 通信，单片机能存储本机模块地址和通信波特率，并且能够通过串口或者无线通信修改其地址和波特率，地址比对由单片机完成。该单片机的串口输出与采集系统的单片机相连接，可以实现UAＲT 接口或者 ＲS232 接口输出，便于连接单片机或者微型计算机。为了延长电池寿命，SI4432 和单片机在不工作时，SI4432 处于待机模式，单片机进入掉电模式; 当 SI4432 侦测到无线信号时，无线模块被激活并接收无线数据，同时向单片机发出中断请求，单片机受中断触发，从掉电模式进入正常工作模式，处理无线模块收到的数据，从而使整机功耗大大降低，延长电池工作时间。


3 主、从系统工作原理及电路

3． 1 主系统设计
主系统采用工业嵌入式电脑处理从系统信息，存储故障信息，并通过串口与无线模块连接，向从系统发送指令及接收从系统信息。主系统软件采用 C#语言编写，并通过 USB 口连接一个 GPS 模块 GS －216，能够实时监测作业机车位置、速度及作业面积等信息，便于管理单位及时掌握作业机车的当前状况。

3． 2 从系统工作原理
从系统以单片机 STC15W404AS 为核心，光电传感器和薄膜压阻传感器为敏感元件。为减少布线，每个种箱单独设置1 个采集节点，只负责 1 个种箱的排空监视及种管堵塞、排空监视。每个肥箱设置 1 个采集节点，每个肥箱采集节点负责采集该肥箱下所有肥管的堵塞和排空监视和该肥箱的排空监视; 每个采集节点都采用1 个5V 10AH 的锂电池作为电源，这样就可以完全摒弃电源线和信号线。
整个系统采用低功耗设计。硬件设计上，采用低功耗元件作为主要器件，在系统不工作时，将无线模块转为待机状态，电流只有 300μA 以下，单片机进入掉电状态，传感器电源完全切断，这样整机功耗只有1mA 以下; 当无线模块收到信息时，从待机状态进入接收模式，同时唤醒单片机，单片机接通传感器电源，系统进入工作状态，增加了锂电池续航能力。

3． 3 种、肥防堵及排空监测电路设计
监测电路以嵌入式微处理器为核心，以光电元件为敏感元件，自动监测种肥流通状态。为了防止漏检而误报警，经过大量光敏元件的筛选，选择了 EL －1KL5 作为光源、ST － 1KL3A 为光敏接收元件，其内部自带透镜，发射和接收半值角均比同类元件小。因此，可以在导种管和排肥管上安装多个光敏元件。根据种子粒径和光斑直径，可以在种管和肥管上安装 3对光电元件，以减少种肥漏检情况，避免误报警影响作业效率。
光源发出的持续光被流体调制成脉冲光，光敏元件接收到脉冲光，产生电脉冲信号，根据脉冲信号的有无即可判断出种肥管中流通状态。当输种管堵塞或排空时，光敏元件持续输出低电平或者高电平; 而有种子通过时，输出电脉冲信号。施肥监测和播种监测原理基本相同，但输出信号所代表的意义不同: 正常施肥时，光敏元件输出大的电压信号; 堵塞或排空时，输出小的电压信号。因此，可以根据光敏元件输出电信号的变化，判断种肥流通情况。光电监测阵列电路如图3 所示。每个种或肥管上安装的 3 个光敏元件 的 输 出 信 号，经 过 与 运 算，输 入 单 片 机STC15W404AS。从系统分别检测各个导种管和施肥管中的流动状态，一旦发生工作异常情况，从系统立即将故障信息通过无线模块 SI4432 发送给主系统。


3． 4 种肥箱排空监视
为了防止种肥箱在作业过程中出现排空现象，在种肥箱底部安装一个薄膜压力传感器，将种肥质量转换为电阻值，通过电阻分压电路将电阻值转换为电压值，送给单片机 STC15W404AS 转换为数字量，在单片机内部进行比较运算，将采集数据通过串口一起发送给主系统。

3． 5 从系统软件设计
从系统软件流程如图4 所示。

从系统上电初始化，并循环检测各个光电元件、压力传感器和电池容量等信息。如果出现损坏的传感器或者电池欠压，系统会记录损坏号，连同其它数据一起发送给主系统。自检通过后，等待主系统发送测量命令，从系统收到接到命令后，各个从系统分别检测光电元件的输出信号，在一定时间内持续检测低电平或高电平，判断为输种管堵塞或排空。在肥流通检测上，一定时间内持续检测到高电平，判断输肥管堵塞或排空。单片机 P1． 7 口接一个薄膜压阻传感器，该传感器将种肥质量转换为电阻值输出，压力越大，电阻值越小，并通过电阻分压调整电路转换为电压; 单片机 P1 口内部有10 位 AD 转换器，将电压转换为数字量，与其他信息一起发送给主系统。一旦发现工作异常，单片机立即向主系统发送报警信息，以声光报警形式显示该行号。

4 系统试验

系统性能试验于2014 年12 月在黑龙江八一农垦大学土槽实验室进行。试验作物为玉米，进行了种肥箱排空监视、排种管和施肥管排空和堵塞监视，以及无线通信可靠性等性能试验。采用人为设置种肥箱空、排种管堵塞或排空、排肥管堵塞或排空故障，检查响应时间和误报警情况。结果表明: 故障报警显示的堵塞和排空行号均与实际情况相一致，报警最大响应时间为0．3s;1 主机和8 个从机间的数据无线通信，数据传输可靠、准确。

5 结语

精播机种、肥作业无线监测系统采用薄膜压力传感器监测种箱和肥箱排空情况、光电阵列监测种肥流通情况; 采用无线数据传输，减少了系统间的布线，降低了成本，提高了系统工作的可靠性。
参考文献（略）