全自动精量施肥控制系统及控制方法与流程

本发明涉及农业自动化控制领域，具体涉及一种全自动精量施肥控制系统及控制方法。

背景技术

传统上，在对农作物施肥料时通常采用手工散洒，即用盆、桶或篮子盛装肥料，农民一手提肥料盆等，一手抓肥料来进行施肥。这种施肥方式不但费力费时费工，而且施肥效果差、肥料施洒不均匀。后来，发展了一种手摇施肥器。对于该手摇施肥器，需要农民一手抱着化肥桶，一手不断摇动手柄来进行施肥。这种手摇施肥器虽然不用农民手抓化肥进行施肥，但是其仍然存在操作费力、人工劳动强度大并且施肥效率低的问题。

为了解决上述问题，公开号为cn203251614u的中国专利文件公开了一种自动施肥机。该自动施肥机包括料箱、电源、电机、驱动机构、播散盘和调节开关，在所述料箱的底部开设有肥料孔并且所述料箱的底部具有凹部，所述电源和所述电机相连接并位于所述料箱的凹部中，在所述料箱中在所述肥料孔和所述凹部的下方设有隔板，所述驱动机构与所述电机连接并且位于所述隔板与所述凹部之间，所述隔板与所述驱动机构连接，所述调节开关设置在所述料箱的外部并与所述电源连接用于控制所述电源的开启和关闭以及用于调节所述驱动机构的速度，所述撒播盘安装在所述隔板的下部并与所述驱动机构连接用以自动撒播肥料。

上述自动施肥机使用时需要背负在人体上，然后通过人工调节开关可以调节施肥速度，通过调节装置可以调节肥料的撒播量，但是，上述方案存在以下问题：

1、人工背负着自动施肥机进行施肥，人体不仅需要承担肥料的重量，还需要承担自动施肥机的重量。

2、人工判断哪些地方已经施肥，哪些待施肥，容易因为记忆偏差而导致重复施肥，使得施肥量不均匀。

技术实现要素：

本发明的解决的技术问题在于提供一种全自动精量施肥控制系统及控制方法，以解决现有自动施肥机施肥不均匀的问题。

本发明提供的基础方案为：一种全自动精量施肥控制系统，包括：定位模块、控制模块和用于施肥的施肥模块，控制模块分别与定位模块以及施肥模块信号连接；还包括用于行走和安装施肥模块的承载模块；

所述定位模块用于对承载模块的位置进行定位，然后将承载模块的定位信息发送给控制模块；

所述控制模块根据定位模块在固定时长内发送的所有定位信息判断承载模块的行走状态，并根据承载模块的行走状态合理调整施肥模块的施肥速度；所述控制模块还根据定位模块发送的定位信息在定位地图上对承载模块所经过的地方进行标注。

本发明的工作原理及优点在于：通过定位模块对承载模块的行走状态进行检测，然后控制模块根据定位模块发送的定位信息判断承载模块的行走状态，并根据承载模块的行走状态控制施肥模块的施肥速度，同时，控制模块根据定位模块发送的定位信息在地图上对承载模块所经过的地方进行标注，避免重复施肥。

与现有技术相比，本发明通过不同行走状态合理控制施肥模块的施肥或播种量，避免施肥量过多，比如，承载模块的行走状态是停止，那么施肥模块的施肥或播种速度便应该为零；承载模块的行走状态为加速前行，那么施肥模块的施肥或播种速度就应该增加，这样的控制可以使得施肥更加的均匀，同时，与现有技术中通过在车的车轮上安装霍尔传感器等检测车轮速度使得施肥速度和车轮转动速度同步相比，本发明避免了车轮空转等现象导致同一个地方施肥量过多；通过控制模块将承载模块行走后的位置进行标注，能够避免重复施肥；将施肥模块安装在承载模块上，通过承载模块行走，施肥模块在承载模块行走过程中施肥，与现有技术中人工背着自动施肥机相比，更加省时省力；另外，本发明不仅能用于施肥，还适用于播种。

进一步，所述施肥模块包括施肥播种机，所述承载模块包括能够行走的动力机械，所述施肥播种机安装在动力机械上，所述施肥播种机包括用于肥料进入的进料机构，用于限制每次施肥量的限量机构以及用于进行播种或施肥的执行机构。

通过在施肥播种机上设置进料机构、限量机构以及执行机构，实现施肥播种机的定量施肥，避免一次性施肥过多。

进一步，还包括检测模块，所述检测模块和控制模块信号连接，所述检测模块用于检测限量机构和进料机构内部状况，然后将检测到的信息发送给控制模块；所述控制模块接收到检测模块发送的信息后判断限量机构是否堵塞以及堵塞位置，同时，控制模块判断进料机构内是否需要添加肥料。

通过检测模块自动检测限量机构是否堵塞以及进料机构内是否需要添加肥料，无需人工进行检测，节省了劳动力。

进一步，还包括显示模块，所述显示模块和控制模块信号连接，所述显示模块用于显示限量机构堵塞位置和进料机构内肥料量，所述显示模块还用于显示承载模块所经过的位置信息。

通过显示模块对显示限量机构堵塞位置和进料机构内肥料量，方便工作人员观看并根据显示模块显示结果进行肥料的添加以及限量机构的维护。

进一步，还包括报警模块，所述报警模块和控制模块信号连接，所述控制模块在限量机构堵塞或进料机构内肥料量少时控制报警模块发出警报信号。

通过报警模块发送报警信号提醒工作人员进行相应的操作，避免工作人员没有注意到限量机构的显示模块显示的信息。警报信号可以是声音，也可以是光。

进一步，所述进料机构包括安装架，所述安装架上设置有进料箱，所述进料箱底端设置有料斗，所述料斗和进料箱连通；所述执行机构包括安装架上水平设置的转轴，所述转轴和安装架转动连接，所述转轴位于料斗下方，所述转轴一端穿过安装架固定有电机，所述电机和控制模块信号连接，所述限量机构包括转轴上的转动柱，转动柱上开设有一个限量槽，转动柱外转动连接有安装箱，安装箱上开设有转动孔，转动柱位于转动孔内，安装箱顶端和料斗底端固定连接；安装箱内竖直向下依次开设有进料通道和出料通道，进料通道和出料通道在转动柱转动的过程中能够交替和限量槽连通。

使用施肥播种机时，将种子或肥料放入到进料箱内，在重力的作用下进料箱内的肥料和种子进入到料斗内，然后从料斗进入到进料通道，再由进料通道进入到限量槽内，需要进行施肥或播种时，控制模块控制电机转动，电机转动使得转轴转动，转轴上固定的转动柱转动，转动柱转动使得原本向上的限量槽向下翻转，限量槽内的种子或肥料进入到出料通道内，然后从出料通道出去实现播种或施肥。

另外，还公开了一种与全自动精量施肥控制系统配合使用的全自动精量施肥控制系统的控制方法，包括如下步骤：

s1、进料：将肥料添加到施肥模块中；

s2、定位：定位模块对承载模块的位置状态进行检测，并将检测到的承载模块定位信息发送给控制模块；

s3、行走状态判断：控制模块根据定位模块发送的定位信息后结合检测模块之前发送的定位信息判断承载模块的行走状态，然后根据承载模块的行走状态控制承载模块上的施肥模块施肥速度；

s4、生成重复施肥依据：控制模块根据定位模块发送的定位信息在地图上对承载模块所经过的地方进行标注。

通过步骤s1-4，能够使得施肥模块施肥更加均匀，同时，能够有效的避免重复施肥。

附图说明

图1为本发明实施例一全自动精量施肥控制系统的逻辑框图；

图2为本发明实施例一全自动精量施肥控制系统的控制方法实施流程图；

图3为本发明实施例一中施肥播种机的结构示意图；

图4为图3中a处的局部放大图；

图5为本发明实施例二中转轴和转动柱的连接结构示意图；

图6为本发明实施例四中施肥播种机的结构示意图；

图7为本发明实施例五中料斗和转轴的连接结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：进料箱1、料斗2、转轴3、电机4、进料通道5、出料通道6、限量槽7、安装箱8、转动柱9、行星齿轮10、链条11、螺旋杆12、气缸13、气囊14、复位弹簧15、转盘16、顶块17、出气管18、活塞杆19、第三活塞20。

实施例一

如图1所示，全自动精量施肥控制系统，包括：

承载模块，承载模块包括动力机械，动力机械选用拖拉机，拖拉机内设置有电源。

如图3和图4所示，施肥播种机，施肥播种机设置在拖拉机后端，避免施肥播种机体积大而影响视觉等问题，同时，动力机械中的电源为施肥播种机提供电能。施肥播种机包括安装架，安装架上设置有进料箱1，进料箱1底端均匀设置有五个料斗2，五个料斗2均和进料箱1连通；料斗2下方的安装架上水平设置有转轴3，转轴3和安装架转动连接，转轴3的右端穿过安装架固定有电机4，电机4选用300w减速伺服电机4，转轴3和电机4的输出轴固定连接，转轴3上固定有五个转动柱9，转动柱9中心和转轴3固定连接，转动柱9上均匀开设有多个限量槽7，限量槽7的具体个数可根据转动柱9的直径大小和限量槽7的大小等因素综合考虑，本实施例中限量槽7的个数为3个；转动柱9外转动连接有安装箱8，安装箱8上开设有转动孔，转动柱9位于转动孔内，安装箱8顶端和料斗2底端固定连接；安装箱8内竖直向下依次开设有进料通道5和出料通道6，进料通道5和出料通道6在转动柱9转动的过程中能够交替和限量槽7连通；

检测模块，检测模块包括红外线传感器，红外线传感器包括用于发送红外线的红外线发送单元和用于接收红外线的红外线接收单元，料斗2、进料通道5和出料通道6相对的两侧侧壁上分别安装红外线发送单元和红外线接收单元，红外线发送单元和红外线接收单元一一对应设置。当料斗2、进料通道5和出料通道6内有种子或肥料时，红外线发送单元发送的红外线将被阻挡，红外线接收单元将无法接收到对应红外线发送单元发送的红外线。红外线传感器选用欧塞盾品牌rs系列红外线传感器。

控制模块，控制模块分别和检测模块以及电机4电连接。控制模块安装在动力机械内，控制模块包括微控制器，微控制器选用at89c51系列单片机。控制模块内存储有施肥播种机的三维视图。使用施肥播种机时，将种子或肥料放入到进料箱1内，在重力的作用下进料箱1内的肥料和种子进入到料斗2内，然后从料斗2进入到进料通道5，再由进料通道5进入到限量槽7内，需要进行施肥或播种时，控制模块控制电机4转动，电机4转动使得转轴3转动，转轴3上固定的转动柱9转动，转动柱9转动使得原本向上的限量槽7向下翻转，限量槽7内的种子或肥料进入到出料通道6内，然后从出料通道6出去实现播种或施肥。

显示模块，显示模块通过无线通信模块和控制模块信号连接，无线通信模块可选用risym的品牌wifi通信模块或云辉品牌的蓝牙通信模块，显示模块包括显示屏，显示屏上能够显示施肥播种机的三维视图；显示模块可选用具有显示功能的手机或平板电脑。当入料通道或出料通道6堵塞时，检测模块将检测出堵塞的位置，然后相应的信号发送给控制模块，控制模块接收到信号后将施肥播种机三维视图中对应堵塞位置标红，然后通过显示模块显示出来；在检测模块检测封堵位置时，封堵处以下的红外线接收单元都将能够接收到对应红外线发送单元发送的红外线，而封堵位置以上的红外线接收单元都无法接收到对应红外线发送单元发送的红外线。当红外线传感器检测到料斗2内的种子或肥料量在减少时(即进料箱1内的肥料或种子已经全部进入到料斗2内后)，料斗2上的红外线接收单元将从上而下依次能够接收到对应红外线发送单元发送的红外线，这时，红外线传感器将发送相应的信号给控制模块，控制模块将使得施肥播种机三维视图中的料斗2位置标红，然后通过显示模块显示出来。

报警模块，报警模块和控制模块电连接，报警模块包括蜂鸣器和显示灯，当进料通道5和出料通道6内种子或肥料堵塞时，控制模块控制蜂鸣器将开始鸣叫，控制显示灯闪烁，当料斗2内的种子或肥料量逐渐减少时，控制模块控制蜂鸣器鸣叫，同时控制显示灯一直亮。通过显示灯不同的工作状态提醒工作人员报警原因。定位模块，定位模块和控制模块电连接，定位模块包括telesky品牌的gps定位单元或hwayeh品牌的北斗导航定位模块，通过gps定位单元或北斗导航定位模块实现施肥播种机的定位。定位模块将实时对施肥播种机进行定位，并将定位信息发送给控制模块，然后控制模块在地图上标注施肥播种机经过的位置，然后将标注后的地图在显示模块上显示，避免重复施肥。当施肥播种机停留到一个位置时，定位模块对施肥播种机的位置进行定位，然后发送相应的定位信息给控制模块，当控制模块持续0.3s接收到相同的定位信息时，控制模块控制电机4停止转动，即停止施肥。另外，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后，控制模块将接收到的定位信息和定位模块上次发送的定位信息进行对比，判断两次定位之间的间距，然后根据两次定位信息发送的时间差和两次定位位置之间的间距计算施肥播种机移动的速度，再根据计算得出的施肥播种机移动速度对应控制电机4转动速率，比如，定位模块每间隔0.15s发送一个施肥播种机的定位信息给控制模块，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后将该定位信息和上一次接收到的定位信息进行对比，然后得出施肥播种机两次定位的间距为0.15m，即施肥播种机行走的速度为1m/s，之后根据施肥播种机行走的速度对应控制电机4的转速，施肥播种机的行走速度和电机4的转速成正比。若施肥播种机在转弯或掉头时，定位模块检测施肥播种机的定位信息后发送给控制模块，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后，将该定位信息和之前定位模块发送的定位信息进行对比，判断施肥播种机是否在调头，若施肥播种机在调头，控制模块控制电机4停止，比如定位模块每隔0.15s发送一个信号给控制模块，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后将该定位信息中的定位位置和之前几个定位信息的定位位置按照接收时间先后进行连线，然后根据连线形状判断该施肥播种机是否在进行掉头。

如图2所示，全自动精量施肥控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1、进料

使用施肥播种机时，将种子或肥料放入到进料箱1内，在重力的作用下进料箱1内的肥料和种子进入到料斗2内，然后从料斗2进入到进料通道5，再由进料通道5进入到限量槽7内，然后进入到步骤2。在进行进料时可根据需施肥土地面积对与每亩地的施肥量控制添加到进料箱1内的肥料量。

2、播种或施肥

需要进行施肥或播种时，控制模块控制电机4转动，电机4转动使得转轴3转动，转轴3上固定的转动柱9转动，转动柱9转动使得原本向上的限量槽7向下翻转，限量槽7内的种子或肥料进入到出料通道6内，然后从出料通道6出去，进而实现播种或施肥，之后同时进行步骤3、步骤4和步骤5。

3、故障检测

3-1、判断是否存在故障

通过检测模块判断入料通道或出料通道6是否出现堵塞等故障，若出现故障，则进入步骤3-2，若没有故障，则继续进行步骤2。

3-2、故障报警和故障位置显示

当入料通道或出料通道6堵塞时，检测模块将检测出堵塞的位置，然后相应的信号发送给控制模块，控制模块接收到信号后将施肥播种机三维视图中对应堵塞位置标红，然后通过显示模块显示故障位置，同时，控制模块控制蜂鸣器鸣叫，控制显示灯闪烁；在检测模块检测封堵位置时，封堵处以下的红外线接收单元都将能够接收到对应红外线发送单元发送的红外线，而封堵位置以上的红外线接收单元都无法接收到对应红外线发送单元发送的红外线。

4、物料量检测

4-1、判断是否需要添加肥料

通过检测模块检测是否需要添加肥料，若检测为需要添加肥料，则重新进入步骤1，若检测为不需要添加肥料，则进入步骤4-2。

4-2、报警

当红外线传感器检测到料斗2内的种子或肥料量在减少时(即进料箱1内的肥料或种子已经全部进入到料斗2内后)，料斗2上的红外线接收单元将从上而下依次能够接收到对应红外线发送单元发送的红外线，这时，红外线传感器将发送相应的信号给控制模块，控制模块将使得施肥播种机三维视图中的料斗2位置标红，然后通过显示模块显示出来。同时，控制模块控制蜂鸣器鸣叫，控制显示灯一直亮。

5、施肥状态控制

定位模块将实时对施肥播种机进行定位，并将定位信息发送给控制模块，然后控制模块在地图上标注施肥播种机经过的位置，然后将标注后的地图在显示模块上显示，避免重复施肥。当施肥播种机停留到一个位置时，定位模块对施肥播种机的位置进行定位，然后发送相应的定位信息给控制模块，当控制模块持续0.3s接收到相同的定位信息时，控制模块控制电机4停止转动，即停止施肥。另外，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后，控制模块将接收到的定位信息和定位模块上次发送的定位信息进行对比，判断两次定位之间的间距，然后根据两次定位信息发送的时间差和两次定位之间的间距计算施肥播种机移动的速度，再根据计算得出的施肥播种机移动速度对应控制电机4转动速率，比如，定位模块每间隔0.15s发送一个施肥播种机的定位信息给控制模块，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后将该定位信息和上一次接收到的定位信息进行对比，然后得出施肥播种机两次定位位置的间距为0.15m，即施肥播种机行走的速度为1m/s，之后根据施肥播种机行走的速度对应控制电机4的转速，施肥播种机的行走速度和电机4的转速成正比。若施肥播种机在转弯或掉头时，定位模块检测施肥播种机的定位信息后发送给控制模块，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后，将该定位信息和之前定位模块发送的定位信息进行对比，判断施肥播种机是否在调头，若施肥播种机在调头，控制模块控制电机4停止，比如定位模块每隔0.15s发送一个信号给控制模块，控制模块接收到定位模块发送的定位信息后将该定位信息中的定位位置和之前几个定位信息的定位位置按照接收时间先后进行连线，然后根据连线形状判断该施肥播种机是否在进行掉头。

实施例二

如图5所示，实施例二与实施例一的区别在于，实施例二中增加了行星齿轮10，行星齿轮10包括太阳齿轮、行星小齿轮和内齿轮，太阳齿轮和转轴3同轴固定，太阳齿轮上啮合有三个行星小齿轮，行星小齿轮外啮合有内齿轮，转动柱9固定在内齿轮外，转动柱9上的限量槽7底部为开口，转轴3和限量槽7底部接触。

具体实施时，电机4转动时转轴3转动，转轴3转动时太阳齿轮转动，太阳齿轮转动使得行星小齿轮转动，行星小齿轮转动使得内齿轮转动，使得内齿轮和太阳齿轮不同的速度往相同的方向转动，由于转动柱9固定在内齿轮外，转动柱9将和转轴3之间将存在速度差，这样粘肥料便不会粘在限量槽7底部，避免限量槽7堵塞。

实施例三

实施例三与实施例二的区别在于，实施例三中料斗2底端固定有液压缸，液压缸内从上而下依次滑动连接有第一第三活塞20和第二第三活塞20，第一第三活塞20和第二第三活塞20将液压缸从上而下分为第一腔室、第二腔室和第三腔室，第二腔室内装有液体，第一腔室和料斗2连通；第二第三活塞20向下固定连接有活塞杆19，转动柱9上固定有凸轮，凸轮和转动柱9抵接。具体实施时，转动柱9转动的过程中凸轮转动，凸轮转动使得活塞杆19向上运动，活塞杆19向上运动将使得第二第三活塞20向上运动，第二第三活塞20向上运动使得第二腔室内的液压推动第一第三活塞20向上运动，由于第一腔室和料斗2连通，所以第一第三活塞20向上运动将推动料斗2内的肥料动作，这样做的好处如下：

1.避免肥料粘成块而无法进入进料通道5，避免了肥料粘在料斗2的侧壁上；

2.对肥料进行抖动使得粘在一起的肥料松开，使得进入进料通道5内的肥料量更加均匀。

实施例四

如图6所示，实施例四与实施例三的区别在于，实施例四中进料箱1左右侧壁上转动连接有螺旋杆12，螺旋杆12右端穿出进料箱1侧壁固定有从传动轮，转轴3上固定有主传动轮，主传动轮和从传动轮之间设置有链条11，通过主传动轮、从传动轮和链条11实现电机4控制螺旋杆12转动。

具体实施时，当肥料或种子倒入进料箱1后，电机4转动时主传动轮转动，主传动轮转动将带动从传动轮转动，从传动轮转动使得从传动轮上固定的螺旋杆12转动，螺旋杆12转动不仅能够对进料箱1内的肥料或种子(也可以是肥料和种子的混合物)进行搅拌，避免肥料或种子粘接成块导致肥料或种子无法进入到进料通道5和出料通道6；同时，螺旋杆12还可以将进料箱1内的肥料或种子进行传送，比如从左侧开始倒入肥料，然后螺旋杆12将肥料箱右侧传送，这样只需在进料箱1一侧倒入肥料便可，无需倒入肥料时将肥料均匀的分布在进料箱1内，通过螺旋杆12对肥料的传送自动实现肥料在进料箱1内的均匀分布。另外，本方案中施肥和播种可同时进行，将肥料和种子均倒入到进料箱1内，当螺旋杆12转动时会自动将肥料和种子进行混合，这样可以减少作业次数，提高劳动效率，降低生产成本。

实施例五

如图7所示，实施例五与实施例三的区别在于，实施例三中的料斗2上固定有气缸13，气缸13设置在水平方向上，气缸13的内滑动连接有第三活塞20，第三活塞20上固定有活塞杆19，活塞杆19左端穿过料斗2侧壁且和料斗2侧壁滑动连接；第三活塞20左侧和气缸13左端之间连接有复位弹簧15，气缸13左端连通有条状的气囊14，气囊14采用弹性材质；气囊14上设置有用于进气的单向阀，气缸13靠近料斗2一端侧壁上设置有用于出气的出气管18，出气管18底端位于出料通道6底端；转轴3上固定有转盘16，转盘16上均匀固定有多块扇叶状的顶块17，顶块17数量和转轴3上的限量槽7数量一致，气囊14底端粘接在料斗2底端，转轴3转动过程中顶块17能够挤压气囊14。具体实施时，当转轴3转动将带动转盘16转动，转盘16转动将带动顶块17动作，顶块17动作使得料斗2和顶块17之间的气囊14受到挤压，气囊14受到挤压后使得气囊14内的气体进入到气缸13内，使得气缸13内的第三活塞20和活塞杆19向右运动，活塞杆19向右运动将料斗2内粘结成块的肥料弄散；而第三活塞20向右运动的过程中将推动气缸13右端的气体从出气管18中出去，对出料通道6底端进行吹气，避免肥料粘在出料通道6上；当挡块没有挤压气囊14时，第三活塞20和活塞杆19在复位弹簧15的拉动下向左运动，气囊14膨胀，出气管18吸气。由于出气管18具有出气和吸气的作用，将对出料通道6上粘附的肥料起到抖动的作用，加快出料通道6上的肥料掉落。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。