摘 要：為了實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)大麻種植，滿足市場需求。該文探討了工業(yè)大麻播種機的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，介紹了工業(yè)大麻研究現(xiàn)狀，提出了工業(yè)大麻播種機控制系統(tǒng)自主設(shè)計方案，并對該控制系統(tǒng)進行了試驗驗證。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有自動化程度高、作業(yè)效果好等特點，同時還可根據(jù)不同種植要求進行調(diào)整，以滿足不同客戶需求。該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)大麻種植，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，可為工業(yè)大麻種植提供有效的技術(shù)支持與推廣。
關(guān)鍵詞：工業(yè)大麻；播種機；機構(gòu)設(shè)計；種植特點；自主設(shè)計
隨著全球?qū)I(yè)大麻的需求量越來越大,大部分國家和地區(qū)開始放寬對工業(yè)大麻種植和使用的限制，工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)也逐漸興起[1-3]。據(jù)市場研究機構(gòu)Grand View Research發(fā)布的報告顯示，全球工業(yè)大麻市場規(guī)模從2019年約4.4億美元增長到2020年的5.4億美元，預(yù)計到2027年增長至29.6億美元[4-5]。隨著市場規(guī)模的擴大，大麻種植量也隨之增加，如何提高種植效率和降低成本成為工業(yè)大麻種植過程中急需解決的問題[6-8]。
目前，傳統(tǒng)工業(yè)大麻種植方法大多采用人工播種的方式，由于大麻種子體積小、數(shù)量多，且種植密度對工業(yè)大麻的產(chǎn)量和質(zhì)量都有很大影響，存在效率低下、精度不高、勞動強度大等問題[9-11]。目前，市場上現(xiàn)存的工業(yè)大麻播種機，由于其設(shè)計不合理、機械結(jié)構(gòu)簡單、播種效率低等問題，無法滿足實際種植需求[12-15]。因此，設(shè)計一款高效、精準(zhǔn)、自動化程度高的工業(yè)大麻播種機變得尤為重要。
針對以上問題，本研究基于工業(yè)大麻的種植特點和傳統(tǒng)的種植方法，包括播種時間、播種深度、行距等，分析市場上已有的工業(yè)大麻播種機的優(yōu)缺點，并提出自主設(shè)計的播種機控制系統(tǒng)構(gòu)想和方案，該控制系統(tǒng)可根據(jù)不同的種植要求進行調(diào)整，以滿足不同客戶需求。最后，對該機器的設(shè)計和方案進行試驗驗證。研究結(jié)果旨在為工業(yè)大麻的種植提供有效技術(shù)支持和推廣，為工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力保障。
1工業(yè)大麻播種機研究進展分析
近年來，工業(yè)大麻作為一種具有廣泛用途的植物,受到了越來越多的關(guān)注。為了提高工業(yè)大麻的種植效率、降低成本，目前已有不少學(xué)者和企業(yè)針對工業(yè)大麻播種機進行研究和開發(fā)[16]。在國外,工業(yè)大麻在北美、歐洲等地受到廣泛關(guān)注，因此，這些地區(qū)研究和開發(fā)工業(yè)大麻播種機器的機構(gòu)也比較多，雖然國內(nèi)工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)起步較晚，但近年來發(fā)展也較為迅速[17-19]。
2工業(yè)大麻播種機控制系統(tǒng)的設(shè)計
工業(yè)大麻播種機控制系統(tǒng)是機器的核心部分，它負(fù)責(zé)整個機器的運行和調(diào)整,通過傳感器獲取土地和植物信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)進行控制和調(diào)整[20]。
2.1傳感器的選擇與布置
在設(shè)計控制系統(tǒng)時，應(yīng)選擇適合工業(yè)大麻種植環(huán)境的傳感器，如土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器等，這些傳感器可感知土壤和植物信息，為后續(xù)的控制和調(diào)整做準(zhǔn)備，各傳感器選型及技術(shù)參數(shù)如表1所示。土壤濕度傳感器DFRobotSEN0193通過模擬輸出和數(shù)字輸出兩種方式讀取土壤濕度信息，適用于多種土壤類型條件下的土壤濕度檢測；溫濕度傳感器DHT11采用單總線通信方式輸出數(shù)字信號，具有低功耗和高精度的特點；光照傳感器TSL2561通過I2C接口輸出數(shù)字信號，具有高靈敏度和低功耗等特點，適用于多種光照強度的檢測場景。同時，該傳感器還支持可編程增益放大器和定時器，以滿足不同應(yīng)用需求[14-17]。傳感器的布置也很關(guān)鍵，應(yīng)在合適的位置上安裝傳感器，以保證傳感器可以準(zhǔn)確地感知土地和植物信息，并傳輸給控制系統(tǒng)。本研究傳感器布置方式如表2所示[18]。
表1傳感器選型及技術(shù)參數(shù)
表2傳感器布置方式
2.2控制參數(shù)設(shè)計
在控制系統(tǒng)中，應(yīng)設(shè)置合適的控制參數(shù)，包括種植密度、排種間距、播種速度等，這些參數(shù)通常根據(jù)工業(yè)大麻的種植要求和土地情況進行設(shè)置，以保證工業(yè)大麻的良好生長和產(chǎn)量。在設(shè)置控制參數(shù)時，要綜合考慮工業(yè)大麻的種植需求和機器的性能要求，從而達到最優(yōu)種植效果，保障機器高效穩(wěn)定運行。
2.2.1種植密度和排種間距
工業(yè)大麻的種植密度和排種間距是影響其產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素。種植密度是指在單位面積內(nèi)種植工業(yè)大麻的植株數(shù)量，排種間距是指相鄰兩株工業(yè)大麻植株之間的距離。這兩個參數(shù)的取值需要根據(jù)具體的工業(yè)大麻品種和種植要求進行合理設(shè)計和調(diào)整。一般來說，種植密度越大，產(chǎn)量就越高，但是過高的密度也會影響植株的生長和健康。排種間距也需要根據(jù)土地情況和植株生長情況進行設(shè)置，以保證植株之間有足夠的空間和養(yǎng)分。
本研究工業(yè)大麻的種植密度為3~6株/m，排種間距設(shè)置為20~30cm，到了成熟期可適當(dāng)增加至30~50cm，充分利用土地資源，保證工業(yè)大麻的正常生長和發(fā)育。
2.2.2播種速度
播種速度和排除雜草速度也是影響工業(yè)大麻生長和產(chǎn)量的重要素。播種速度需要根據(jù)種植密度、排種間距和播種深度等因素進行調(diào)整[19-21]。一般來說，播種速度應(yīng)適中，以保證種子的均勻分布和生長環(huán)境的穩(wěn)定性。本研究工業(yè)大麻的播種速度為30~50顆/min。
2.2.3機器的運行速度
機器運行速度需要根據(jù)土地面積、種植密度和排種間距等因素進行調(diào)整，功耗則需要控制在合理范圍內(nèi)，以保證機器的能源消耗和使用成本。保證機器在作業(yè)過程中能夠穩(wěn)定運行，可減少故障和維護成本。在本研究中，機器的運行速度根據(jù)土地情況和種植密度等因素調(diào)整為2~3km/h。
2.3控制算法設(shè)計
控制算法是工業(yè)大麻播種機控制系統(tǒng)的核心，直接影響著機器的性能和效果。在設(shè)計控制算法時，應(yīng)綜合考慮機器的硬件特性和種植環(huán)境變化，選擇合適的算法實現(xiàn)自動化控制。常用的控制算法包括PID算法、模糊PID控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等。其中,PID算法是最常用的控制算法之一，可根據(jù)誤差、偏差和積分時間來計算輸出的控制信號，具有簡單、穩(wěn)定的特點。模糊PID控制算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法也逐漸應(yīng)用于工業(yè)大麻播種機控制系統(tǒng)中，這些算法可根據(jù)多個變量和模糊邏輯推理來計算輸出信號，精確地控制機器的運行。在工業(yè)大麻播種機控制系統(tǒng)中，可以通過收集土壤濕度、溫度、光照等傳感器的數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的模糊規(guī)則庫，設(shè)計模糊控制算法，以實現(xiàn)對播種速度等控制量的計算和輸出。
本研究使用三角形隸屬函數(shù)對輸入量和輸出量進行模糊化處理，通過模糊推理得到控制量，最終實現(xiàn)工業(yè)大麻播種機的自動控制。模糊PID控制器主要包括以下5部分[22]。1)將傳感器采集數(shù)據(jù)進行模糊化處理，轉(zhuǎn)化為隸屬度函數(shù)；2)根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計控制規(guī)則庫；3)根據(jù)規(guī)則庫將模糊化后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制量；4)將控制量進行解模糊化處理，得到具體的控制信號；5)解模糊化后的控制信號輸入到PID控制器中，實現(xiàn)對工業(yè)大麻播種機的自動控制。
2.4軟件控制程序
工業(yè)大麻播種機軟件控制程序通過傳感器采集的數(shù)據(jù)和控制算法的計算，實現(xiàn)機器的自動化調(diào)整和控制。本研究中，軟件控制程序主要包括以下功能：
1）數(shù)據(jù)采集和處理。軟件控制程序通過傳感器采集土壤濕度、環(huán)境溫濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，并進行處理和分析，生成相應(yīng)的控制信號。
2）控制算法的實現(xiàn)。軟件控制程序?qū)崿F(xiàn)了模糊ＰＩＤ控制算法，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)參數(shù)計算出相應(yīng)的控制信號。
3）用戶界面的設(shè)計。軟件控制程序設(shè)計了對用戶友好的界面，實時顯示土壤濕度、溫濕度、光強度等數(shù)據(jù)，并提供相應(yīng)的控制參數(shù)設(shè)置界面，方便用戶進行操作和調(diào)整。
4）數(shù)據(jù)存儲和分析。將采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并提供數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計功能，為后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘提供支持。
5）故障檢測和處理。實時監(jiān)測機器運行狀態(tài)和傳感器工作情況，一旦出現(xiàn)故障，程序會自動報警并提供相應(yīng)的故障處理方案。故障檢測和處理。實時監(jiān)測機器運行狀態(tài)和傳感器工作情況，一旦出現(xiàn)故障，程序會自動報警并提供相應(yīng)的故障處理方案。
3田間試驗
3.1試驗設(shè)計與方法
選擇適合工業(yè)大麻機播的種子和肥料，并按照一定比例進行混合，以滿足工業(yè)大麻的生長需求。本研究選擇纖維大麻作為試驗對象，并在試驗田內(nèi)調(diào)試好工業(yè)大麻播種機。
試驗地隨機分為試驗組和對照組，每組選取相同數(shù)量的試驗區(qū)域。對照組為傳統(tǒng)機械播種，記錄播種效率和精度；試驗組使用預(yù)先設(shè)定好的工業(yè)大麻播種機進行播種，記錄播種機上傳感器顯示的參數(shù)數(shù)據(jù)和控制參數(shù)數(shù)據(jù)。兩組的播種密度、排種間距和播種速度保持一致。試驗地隨機分為試驗組和對照組，每組選取相同數(shù)量的試驗區(qū)域。對照組為傳統(tǒng)機械播種，記錄播種效率和精度；試驗組使用預(yù)先設(shè)定好的工業(yè)大麻播種機進行播種，記錄播種機上傳感器顯示的參數(shù)數(shù)據(jù)和控制參數(shù)數(shù)據(jù)。兩組的播種密度、排種間距和播種速度保持一致。
3.2測定指標(biāo)
測定指標(biāo)主要包括播種效率、播種精度和機器性能。播種效率計算公式如式(1)，播種精度計算公式如式(2)
式中 E—播種效率，%；
A—播種面積，m2/h；
T—播種時間，h。
式中 P—播種精度，%；
S—實際播種數(shù)量，個；
S0—設(shè)定播種數(shù)量，個。
3.3結(jié)果與分析
根據(jù)以上設(shè)計方案進行試驗后，得到如下結(jié)果：
1）對照組的平均播種效率為20顆/min，平均播種精度在深度偏差±2mm以內(nèi)，種子分布均勻性較好。
2）試驗組的平均播種效率為60顆/min，平均播種精度在深度偏差±2mm以內(nèi)，種子分布均勻性較好。
3）機器性能方面，試驗組的機器穩(wěn)定性和功耗表現(xiàn)良好，速度相對于對照組有所提升。
田間試驗結(jié)果表明，使用工業(yè)大麻播種機進行播種，提高了播種效率和播種精度，操作性能也有明顯提升，機器的穩(wěn)定性和功耗表現(xiàn)良好。
4結(jié)論
本文設(shè)計了一款帶有傳感器技術(shù)和控制算法的工業(yè)大麻播種機，該機器能夠?qū)崿F(xiàn)自動化播種，保證了播種的準(zhǔn)確性，提高了作業(yè)效率，滿足工業(yè)大麻種植的要求。試驗結(jié)果表明，模糊PID控制算法能夠?qū)ν寥罎穸葌鞲衅鳌貪穸葌鞲衅骱凸庹諅鞲衅魉杉臄?shù)據(jù)進行智能分析，并依據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)工業(yè)大麻播種機進行自動化作業(yè)，從而有效提高工業(yè)大麻播種機的播種效率和播種精度，實現(xiàn)播種性能的提高。
綜上，本文提出的工業(yè)大麻播種機控制系統(tǒng)方案，能夠滿足工業(yè)大麻種植的需求，具有一定的實用價值。
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