遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊IoT技術(shù)的智能播種機(jī)功能控制，作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，隨著作物種植規(guī)模的逐步擴(kuò)大，對(duì)播種作業(yè)的要求越來(lái)越高。播種機(jī)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(jī)械化、智能化方向發(fā)展，越來(lái)越多的精耕機(jī)被用于作物種植。播種機(jī)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(dòng)生產(chǎn)成本；但由于缺少正確的控制，機(jī)械播種機(jī)在播種過(guò)程中存在著株距不均勻、漏播等現(xiàn)象，易對(duì)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量造成影響。與此同時(shí)，由于缺少對(duì)播種過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能及時(shí)掌握播種機(jī)的工作狀態(tài)，致使播種機(jī)機(jī)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(jìn)程。采用遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)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(jī)的作業(yè)性能，加強(qiáng)播種機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，采用智能傳感器、無(wú)線(xiàn)通訊、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)播種機(jī)的控制系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)播種全自動(dòng)化控制。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的播種機(jī)可以完成作業(yè)條件監(jiān)測(cè)和作業(yè)故障預(yù)警，實(shí)現(xiàn)作物播種的智能化、可視化管理、自動(dòng)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(xiě)，它通過(guò)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(duì)象通過(guò)因特網(wǎng)連接，利用因特網(wǎng)完成不同對(duì)象間的信息交換與無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)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(gè)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(lái)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(guò)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(lèi)對(duì)象的感知信息，并利用中低、中低速度段距離傳輸技術(shù)，對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。網(wǎng)層是指通過(guò)各種移動(dòng)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(duì)各種類(lèi)型的信息數(shù)據(jù)進(jìn)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(wú)線(xiàn)接入、資源與存儲(chǔ)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(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊物聯(lián)網(wǎng)的核心，它為用戶(hù)提供各種專(zhuān)用或通用的應(yīng)用服務(wù)。在應(yīng)用層面上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)、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(kāi)平臺(tái)、云計(jì)算平臺(tái)和服務(wù)支持平臺(tái)。

以精密播種機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)在精密播種機(jī)上增加單片機(jī)、傳感裝置、傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)和每一個(gè)執(zhí)行模塊，使之能對(duì)各個(gè)操作參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)正確控制；通過(guò)觸摸屏等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能播種機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能型播種機(jī)的步動(dòng)輪是播種機(jī)前進(jìn)的主動(dòng)輪，在電機(jī)、變速裝置的作用下，通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)完成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。該壓力輪安裝在播種機(jī)前部，以保證整個(gè)播種機(jī)的平衡。該傳感器包括速度測(cè)量模塊、壓力傳感器、播量?jī)x以及視頻采集等部分，可實(shí)時(shí)采集各種播種機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。智能化播種機(jī)的控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，用來(lái)完成采集數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算、處理，并通過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊無(wú)線(xiàn)通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。智能型播種機(jī)的執(zhí)行器由覆土器、開(kāi)溝器、排種器等組成，用以實(shí)現(xiàn)翻地、開(kāi)溝、排種。

從智能播種機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理出發(fā)，提出了基于遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊IoT技術(shù)的智能播種機(jī)控制功能要求：
1)控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集播種機(jī)的種箱數(shù)、出苗量、出苗率、壓輪壓力等情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)與停止。
3)可實(shí)現(xiàn)株距的智能調(diào)節(jié)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)播種株距信息，根據(jù)生產(chǎn)要求實(shí)時(shí)調(diào)整排種器的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)株距的正確控制。
4)能查看、保存、輸出播種機(jī)的操作參數(shù)，方便播種機(jī)后期計(jì)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(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)株距、排種深度等運(yùn)行參數(shù)，并能對(duì)播種機(jī)運(yùn)行管理進(jìn)行權(quán)限設(shè)定，以確保播種機(jī)有誤。
6)自動(dòng)報(bào)警及報(bào)警功能。該系統(tǒng)利用播種機(jī)控制器與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)播種機(jī)故障信息的實(shí)時(shí)顯示與報(bào)警，并通過(guò)預(yù)警模塊提前通知故障點(diǎn)，以便操作人員及時(shí)維修。
7)能實(shí)現(xiàn)播種機(jī)控制器、感測(cè)裝置無(wú)線(xiàn)觸摸屏傳輸，通過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊、5G/以太網(wǎng)等通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和信息共享。

在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，智能播種機(jī)控制系統(tǒng)主要是利用無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把播種機(jī)控制器與各種傳感設(shè)備、遙控器、觸摸屏等組成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并由單片機(jī)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)加工計(jì)算，將優(yōu)化后的操作參數(shù)傳給各個(gè)執(zhí)行器，完成對(duì)播種機(jī)的智能控制；同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊模塊，可將數(shù)據(jù)參數(shù)傳送到觸摸屏上，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的遙控。播種機(jī)控制器與遙控器通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi模塊聯(lián)接，可遙控播種機(jī)的起動(dòng)、停車(chē)。各采集模塊包括速度測(cè)量模塊、播量檢測(cè)模塊、壓力采集模塊、視頻采集模塊，用來(lái)完成對(duì)播種機(jī)行進(jìn)速度的監(jiān)控、播種量的監(jiān)控、壓力場(chǎng)的檢測(cè)以及播種機(jī)工作狀態(tài)的視頻監(jiān)控。在播種機(jī)控制器、各種采集模塊和遙控器上，均采用撥號(hào)開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以對(duì)無(wú)線(xiàn)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(jìn)行參數(shù)配置。在撥碼開(kāi)關(guān)A模塊相同的狀態(tài)下，可組成無(wú)線(xiàn)WiFi局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了物物間的數(shù)據(jù)傳輸；撥碼開(kāi)關(guān)不一致，就不能接入當(dāng)前的LAN。通過(guò)采用撥號(hào)切換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)播種機(jī)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(jì)。

播種控制器主要由單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)WiFi、各種類(lèi)型的傳感器、模擬信號(hào)處理、撥碼開(kāi)關(guān)、RS485模塊和各種類(lèi)型的狀態(tài)指示燈等組成。MCU負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和處理，并通過(guò)RS485模塊將優(yōu)運(yùn)行參數(shù)傳遞給觸摸屏和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在控制器中的模擬信號(hào)處理電路，可對(duì)各種傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，再經(jīng)A/D通道轉(zhuǎn)換為A/D信號(hào)，傳送到單片機(jī)。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(jī)的工作狀態(tài)、故障及備用狀態(tài)。

控制器的核心是單片機(jī)，所以單片機(jī)的選型非常重要。通過(guò)對(duì)播種機(jī)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(yùn)算速度、功耗、開(kāi)發(fā)環(huán)境等方面進(jìn)行了研究。針對(duì)智能播種機(jī)的控制功能要求，確定STM32F407VGT6單片機(jī)部分引腳的定義和功能，如表1所示。

選擇的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)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(jī)制同時(shí)滿(mǎn)足WPA-PSK/WPA2-PSK和WPA/WPA2的要求。遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊通過(guò)SDIO通訊串行口與單片機(jī)相連，可完成通訊模塊和無(wú)線(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，并能從無(wú)線(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)中接收通訊信息。

所選擇的模塊采用RS485總線(xiàn)，可同時(shí)進(jìn)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(jì)是通過(guò)SP3485芯片與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，再與I/O控制口相連。其工作電壓為+3.3V，通過(guò)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(jī)控制系統(tǒng)的軟件編程決定了控制系統(tǒng)運(yùn)行是否合理，參數(shù)是否優(yōu)化，主要用來(lái)完成系統(tǒng)硬件模塊的初始化、各個(gè)子模塊的運(yùn)算以及參數(shù)的傳遞，以確保各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)的暢通、準(zhǔn)確。智能型播種機(jī)啟動(dòng)工作后，首先將單片機(jī)、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(yùn)行前每個(gè)模塊都處于初始狀態(tài)。對(duì)相關(guān)指令進(jìn)行觸摸屏輸入，可完成播種機(jī)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(hào)，則調(diào)用信號(hào)采集和處理操作程序；如果沒(méi)有收到脈沖信號(hào)，則繼續(xù)等待。信息采集與處理操作程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)地采集播種機(jī)的進(jìn)出率、電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、壓力信號(hào)、排種量、排種量、排種器間距，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi模塊把有關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)傳送到觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。將采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行分析，處理、計(jì)算后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi模塊將優(yōu)化后的參數(shù)傳送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照優(yōu)化的參數(shù)運(yùn)行。如對(duì)排種株間距進(jìn)行控制，將脈沖信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以確保電機(jī)按佳速度運(yùn)行。當(dāng)播種機(jī)發(fā)生漏播時(shí)，報(bào)警模塊能及時(shí)啟動(dòng)，并能及時(shí)報(bào)警；當(dāng)播種機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警模塊將故障信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式播種機(jī)存在的株距不均、漏播和不可見(jiàn)等問(wèn)題，深入研究了遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)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(jī)的控制系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)播種機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的研究，對(duì)其控制功能要求進(jìn)行了分析，完成了智能播種機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。研究了智能播種機(jī)控制器的硬件總體方案，對(duì)單片機(jī)、遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)wifi模塊等進(jìn)行了硬件選擇和電路原理圖設(shè)計(jì)，并完成了控制系統(tǒng)軟件流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明：基于IoT技術(shù)的智能播種機(jī)控制功能全面，控制精度高，可實(shí)時(shí)顯示播種機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能控制。以IoT為基礎(chǔ)的智能播種機(jī)，大大提高了作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要指導(dǎo)意義。