遠距離無線wifi模塊IoT技術(shù)的智能播種機功能控制，作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，隨著作物種植規(guī)模的逐步擴大，對播種作業(yè)的要求越來越高。播種機是作物栽培中基礎(chǔ)的工作，也是重要的一環(huán)，其質(zhì)量直接影響到作物種植的產(chǎn)量和質(zhì)量。由于高新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的以人工播種為主的播種作業(yè)已不能適應(yīng)生產(chǎn)需要，播種方式逐漸向機械化、智能化方向發(fā)展，越來越多的精耕機被用于作物種植。播種機的使用在一定程度上提高了作物播種效率，節(jié)約了人力、物力，降低了勞動生產(chǎn)成本；但由于缺少正確的控制，機械播種機在播種過程中存在著株距不均勻、漏播等現(xiàn)象，易對作物的產(chǎn)量和質(zhì)量造成影響。與此同時，由于缺少對播種過程的實時監(jiān)測，不能及時掌握播種機的工作狀態(tài)，致使播種機機械故障頻繁，難以排除故障，嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進程。采用遠距離無線wifi模塊IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以提高作物播種精度和產(chǎn)量，提高播種機的作業(yè)性能，加強播種機的環(huán)境適應(yīng)性，采用智能傳感器、無線通訊、自動控制等先進技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)播種機的控制系統(tǒng)，它能實現(xiàn)播種全自動化控制。經(jīng)過優(yōu)化的播種機可以完成作業(yè)條件監(jiān)測和作業(yè)故障預(yù)警，實現(xiàn)作物播種的智能化、可視化管理、自動控制、正確播種、智能化播種等功能。

IoT是物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)的縮寫，它通過射頻、紅外感應(yīng)技術(shù)，智能傳感器，如定位技術(shù)，將具有不同功能的對象通過因特網(wǎng)連接，利用因特網(wǎng)完成不同對象間的信息交換與無線通信，實現(xiàn)智能識別、定位、控制、監(jiān)控與管理；物質(zhì)和物質(zhì)相互聯(lián)系的綜合體系。根據(jù)B/S結(jié)構(gòu)，IoT物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

1)感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要用來完成信息數(shù)據(jù)的采集、短距離數(shù)據(jù)傳輸和傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及協(xié)同信息處理。該系統(tǒng)主要通過傳感器設(shè)備、二維條碼、RFID射頻及多媒體信息等采集設(shè)備采集各類對象的感知信息，并利用中低、中低速度段距離傳輸技術(shù)，對傳感網(wǎng)絡(luò)進行局部預(yù)處理。

2)網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的樞紐，用于感應(yīng)層和應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。網(wǎng)層是指通過各種移動通信網(wǎng)、因特網(wǎng)等通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，把感應(yīng)層采集的數(shù)據(jù)信息傳送到應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層采用通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對各種類型的信息數(shù)據(jù)進行處理，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持；其處理方法主要有：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、M2M無線接入、資源與存儲管理等，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3)應(yīng)用層是遠距離無線wifi模塊物聯(lián)網(wǎng)的核心，它為用戶提供各種專用或通用的應(yīng)用服務(wù)。在應(yīng)用層面上，通過網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支持子層，從而為各行各業(yè)提供相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，包括環(huán)境監(jiān)測、智能電網(wǎng)、智能交通、工業(yè)控制等。其主要內(nèi)容包括：公共中間件、信息公開平臺、云計算平臺和服務(wù)支持平臺。

以精密播種機為研究對象，通過在精密播種機上增加單片機、傳感裝置、傳動電動機和每一個執(zhí)行模塊，使之能對各個操作參數(shù)進行全面監(jiān)控，實現(xiàn)正確控制；通過觸摸屏等設(shè)備，實現(xiàn)智能播種機的遠程監(jiān)控。智能型播種機的步動輪是播種機前進的主動輪，在電機、變速裝置的作用下，通過齒輪傳動來完成動力驅(qū)動。該壓力輪安裝在播種機前部，以保證整個播種機的平衡。該傳感器包括速度測量模塊、壓力傳感器、播量儀以及視頻采集等部分，可實時采集各種播種機的運行參數(shù)。智能化播種機的控制系統(tǒng)以單片機為核心，用來完成采集數(shù)據(jù)的分析、計算、處理，并通過遠距離無線wifi模塊無線通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。智能型播種機的執(zhí)行器由覆土器、開溝器、排種器等組成，用以實現(xiàn)翻地、開溝、排種。

從智能播種機的結(jié)構(gòu)及工作原理出發(fā)，提出了基于遠距離無線wifi模塊IoT技術(shù)的智能播種機控制功能要求：
1)控制系統(tǒng)能實時采集播種機的種箱數(shù)、出苗量、出苗率、壓輪壓力等情況，實現(xiàn)對播種機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。
2)通過無線通訊模塊實現(xiàn)對播種機電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對電機的遠程啟動與停止。
3)可實現(xiàn)株距的智能調(diào)節(jié)，通過實時檢測播種株距信息，根據(jù)生產(chǎn)要求實時調(diào)整排種器的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)株距的正確控制。
4)能查看、保存、輸出播種機的操作參數(shù)，方便播種機后期計算、分析、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
5)能在觸摸屏上設(shè)定播種機的電機轉(zhuǎn)速、目標(biāo)株距、排種深度等運行參數(shù)，并能對播種機運行管理進行權(quán)限設(shè)定，以確保播種機有誤。
6)自動報警及報警功能。該系統(tǒng)利用播種機控制器與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了對播種機故障信息的實時顯示與報警，并通過預(yù)警模塊提前通知故障點，以便操作人員及時維修。
7)能實現(xiàn)播種機控制器、感測裝置無線觸摸屏傳輸，通過遠距離無線wifi模塊、5G/以太網(wǎng)等通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和信息共享。

在無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，智能播種機控制系統(tǒng)主要是利用無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把播種機控制器與各種傳感設(shè)備、遙控器、觸摸屏等組成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸、共享和控制。以控制器為核心，接收各種采集模塊采集的播種機運行狀態(tài)參數(shù)，并由單片機進行分析，經(jīng)過加工計算，將優(yōu)化后的操作參數(shù)傳給各個執(zhí)行器，完成對播種機的智能控制；同時，通過遠距離無線wifi模塊模塊，可將數(shù)據(jù)參數(shù)傳送到觸摸屏上，實現(xiàn)播種機的遙控。播種機控制器與遙控器通過無線WiFi模塊聯(lián)接，可遙控播種機的起動、停車。各采集模塊包括速度測量模塊、播量檢測模塊、壓力采集模塊、視頻采集模塊，用來完成對播種機行進速度的監(jiān)控、播種量的監(jiān)控、壓力場的檢測以及播種機工作狀態(tài)的視頻監(jiān)控。在播種機控制器、各種采集模塊和遙控器上，均采用撥號開關(guān)技術(shù)，可以對無線通信網(wǎng)絡(luò)中的AP網(wǎng)絡(luò)ID、AP網(wǎng)絡(luò)密碼和AP網(wǎng)絡(luò)IP進行參數(shù)配置。在撥碼開關(guān)A模塊相同的狀態(tài)下，可組成無線WiFi局域網(wǎng)，實現(xiàn)了物物間的數(shù)據(jù)傳輸；撥碼開關(guān)不一致，就不能接入當(dāng)前的LAN。通過采用撥號切換技術(shù)，可以實現(xiàn)多臺播種機的聯(lián)網(wǎng)，方便了大規(guī)模農(nóng)田管理和狀態(tài)監(jiān)控。
四是控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

播種控制器主要由單片機、無線WiFi、各種類型的傳感器、模擬信號處理、撥碼開關(guān)、RS485模塊和各種類型的狀態(tài)指示燈等組成。MCU負責(zé)對數(shù)據(jù)進行分析、計算和處理，并通過RS485模塊將優(yōu)運行參數(shù)傳遞給觸摸屏和電機驅(qū)動。在控制器中的模擬信號處理電路，可對各種傳感器采集的模擬信號進行處理，再經(jīng)A/D通道轉(zhuǎn)換為A/D信號，傳送到單片機。另外，控制器中還設(shè)置了紅綠黃3色指示燈，能顯示智能播種機的工作狀態(tài)、故障及備用狀態(tài)。

控制器的核心是單片機，所以單片機的選型非常重要。通過對播種機的性能要求及穩(wěn)定性的分析，選擇了STM32F407VGT6型STM32F407VGT6，并從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運算速度、功耗、開發(fā)環(huán)境等方面進行了研究。針對智能播種機的控制功能要求，確定STM32F407VGT6單片機部分引腳的定義和功能，如表1所示。

選擇的遠距離無線wifi模塊支持802.11b、802.11g的EMW1088通信模塊；802.11n協(xié)議，以及IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)產(chǎn)品的安全性機制同時滿足WPA-PSK/WPA2-PSK和WPA/WPA2的要求。遠距離無線wifi模塊通過SDIO通訊串行口與單片機相連，可完成通訊模塊和無線WiFi網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，并能從無線WiFi網(wǎng)絡(luò)中接收通訊信息。

所選擇的模塊采用RS485總線，可同時進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并具有良好的抗干擾能力。RS485模塊的設(shè)計是通過SP3485芯片與單片機進行串口通信，再與I/O控制口相連。其工作電壓為+3.3V，通過電壓變換電路，將電源模塊的12V供電電壓轉(zhuǎn)換成+3.3V電壓。在通信模塊中引入偏置電阻和中間匹配電阻，保證了模塊的穩(wěn)定。

智能型播種機控制系統(tǒng)的軟件編程決定了控制系統(tǒng)運行是否合理，參數(shù)是否優(yōu)化，主要用來完成系統(tǒng)硬件模塊的初始化、各個子模塊的運算以及參數(shù)的傳遞，以確保各個模塊之間數(shù)據(jù)的暢通、準(zhǔn)確。智能型播種機啟動工作后，首先將單片機、各種傳感設(shè)備、觸摸屏和其它控制芯片等初始化，確保在運行前每個模塊都處于初始狀態(tài)。對相關(guān)指令進行觸摸屏輸入，可完成播種機參數(shù)的設(shè)定。MCU數(shù)據(jù)接收端口不斷接收采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，如果存在脈沖信號，則調(diào)用信號采集和處理操作程序；如果沒有收到脈沖信號，則繼續(xù)等待。信息采集與處理操作程序負責(zé)實時地采集播種機的進出率、電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、壓力信號、排種量、排種量、排種器間距，并通過無線WiFi模塊把有關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)傳送到觸摸屏上實時顯示。將采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳送給單片機進行分析，處理、計算后，通過無線WiFi模塊將優(yōu)化后的參數(shù)傳送給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，控制執(zhí)行機構(gòu)按照優(yōu)化的參數(shù)運行。如對排種株間距進行控制，將脈沖信號發(fā)送到驅(qū)動電機驅(qū)動器，以確保電機按佳速度運行。當(dāng)播種機發(fā)生漏播時，報警模塊能及時啟動，并能及時報警；當(dāng)播種機在運行過程中發(fā)生故障時，報警模塊將故障信息通過無線模塊傳送到觸摸屏上顯示，方便操作人員的檢查及故障排除。

針對傳統(tǒng)機械式播種機存在的株距不均、漏播和不可見等問題，深入研究了遠距離無線wifi模塊IoT物聯(lián)網(wǎng)體系框架，并將IoT技術(shù)應(yīng)用于播種機的控制系統(tǒng)中。通過對播種機的結(jié)構(gòu)和工作原理的研究，對其控制功能要求進行了分析，完成了智能播種機控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。研究了智能播種機控制器的硬件總體方案，對單片機、遠距離無線wifi模塊等進行了硬件選擇和電路原理圖設(shè)計，并完成了控制系統(tǒng)軟件流程的優(yōu)化設(shè)計。測試結(jié)果表明：基于IoT技術(shù)的智能播種機控制功能全面，控制精度高，可實時顯示播種機的運行狀態(tài)，在觸摸屏上實現(xiàn)對播種機的遠程監(jiān)控與智能控制。以IoT為基礎(chǔ)的智能播種機，大大提高了作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，減輕了操作者的勞動強度，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要指導(dǎo)意義。