间歇式三七土壤蒸汽消毒机远程控制系统设计与验证*

孙喆兴 ， 张向通 ， 夏凤淏 ， 王凤花

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650050）

0 引言

三七是我国名贵中药材之一，云南省三七产量达到全国总产量的96%[1-3]。与其他人参属植物相类似，三七连作障碍极其严重。受此问题影响，传统三七种植区宜种土地逐渐枯竭，连作障碍已成为制约三七产业健康发展的主要原因。土壤消毒技术能够快速、高效杀灭土壤中病虫害，解决作物多年连续种植中存在的连作问题。近年来，国内外学者对三七土壤物理消毒技术展开研究，发现田间高温蒸汽处理是克服三七连作障碍有效且生态环保的方法[4]。高温密集蒸汽在土壤中具有较强的穿透能力，能消除微生物，降解自毒物质。同时，蒸汽处理能够保持土壤疏松，使重土变成团粒，提高土壤的通透性和排水性，有效地改善多年种植造成的土壤板结问题。

土壤蒸汽消毒法最早由德国人提出，基于土壤蒸汽消毒技术开发的蒸汽消毒机近几年得到了较快发展[5-6]。Gay等开发的土壤蒸汽消毒机，作业时蒸汽罩边缘插入土壤中，起到预防蒸汽泄漏和保温的作用，同时配有蒸汽发生器和自动导航系统[7-8]；Nishimura等通过蒸汽控制杂草种子萌芽，对土壤表层杂草种子的处理效果达到90%以上[9]；德国MSD公司的全自动MSDZ-1机型相比于以往机器，蒸汽效率提高了近40%；云南农业大学张汝坤教授团队研制的移动式温室育苗基质蒸汽消毒机，主要适用于工厂化三七基质消毒[10]；南京农业大学汪小旵等研制的旋耕蒸汽消毒机，由液压杆伸缩调节消毒深度，能够满足蔬菜土壤消毒的要求[11]；南京林业大学潘四普等设计了基于脉动燃烧技术的蒸汽发生装置，并在该技术基础上对消毒机蒸汽输送部件进行了结构设计及土壤传热模型的CFD数值模拟[12]；西北农林科技大学许永福等研发了一款刺罩式土壤蒸汽处理机，通过调节牵引上的液压控制系统驱动刺针插入土壤，以萌发率作为土壤处理及作业效果的评价指标[13]。然而以上消毒设备无法适应云南丘陵地区，或者消毒效果难以满足三七土壤消毒的农艺要求。

因此，为解决三七土壤连作障碍问题，并且降低操作人员直接接触蒸汽消毒机存在的危险性，本文设计了一款间歇式三七土壤蒸汽消毒机，利用STM32控制单元对设备运行状态进行监控并利用手机APP对土壤温度进行实时监测，降低人工劳作强度及操作风险。最后进行样机试制及田间试验，对消毒机的工作性能进行验证，为解决三七连作障碍提供了一种安全高效的自动化装备。

1 装置结构与运行原理

根据三七种植的农业需求，进行整机的结构设计。消毒机的整体结构如图1所示，主要由蒸汽发生器、车架、提升装置、蒸汽输送系统、蒸汽罩壳等组成。控制系统包括STM32F407IGT6单片机、直流无刷电机、减速器、电机驱动器、联轴器、编码器和PT100温度传感器等。

图1 间歇式三七土壤蒸汽消毒机结构示意图

当三七土壤蒸汽消毒机进入轨道作业时，提升电机工作，通过螺旋齿轮与直齿轮转向器，将动力输送给丝杠与螺纹提升杆，螺纹提升杆将蒸汽罩壳部件向下斜放的同时，丝杠将蒸汽罩壳部件向下竖直压入土壤，待螺纹提升杆放平蒸汽罩壳部件及消毒针全部被压入土壤中，提升电机停止工作，车架上蒸汽消毒发生装置将蒸汽经过蒸汽软管并通过主副蒸汽管消毒针喷射进土壤之中。利用蓝牙模块，将STM32单片机中土壤温度的采样数据发送至手机APP，实现对土壤温度的实时监测。为满足三七土壤消毒的农艺需求，保持土壤温度大于90 ℃的情况下消毒作业10 min，提升电机反转，将蒸汽罩壳部件提升上来，随后驱动电机工作，将机器带动至下一个工作地点。控制系统采用24 V直流电源，为直流无刷电机及编码器、直流电机驱动器及STM32单片机供电。直流电机驱动器根据PWM（Pulse Width Modulation）信号实现直流电机的闭环调速，通过编码器实现对机具前进距离及提升装置高度的检测，并据此调节提升电机的正反转。间歇式三七土壤蒸汽消毒机主要技术参数如表1所示。

表1 间歇式三七土壤蒸汽消毒机主要技术参数

2 系统设计

2.1 控制系统硬件设计

控制系统主要由STM32F407IGT6单片机（主频168 MHz，直流5 V电源供电，I/O引脚输入电压3.3 V）组成，该单片机共有14个通用定时器（TIM1～TIM14）及2个基本定时器（TIM15～TIM16），可以实现定时计数、PWM信号输出以及输入捕获与输出比较等功能。利用E6B2-CWZ3E欧姆龙增量式旋转编码器记录电机实时转速。三七土壤蒸汽消毒机的执行机构包括57BL115S21型直流无刷电机（额定功率210 W，额定电压24 V，额定转速3 000 r/min），减速器5GU-50K以及直流无刷电机驱动器AQMD6015BLS，利用PWM信号实现对无刷直流电机的闭环调速。系统通过24 V直流电源进行供电，并利用24 V转5 V的降压模块给STM32单片机及编码器上电，三七土壤蒸汽消毒机控制系统如图2所示。

图2 三七土壤蒸汽消毒机控制系统结构

2.2 控制系统软件设计

2.2.1 STM32控制单元软件设计

依据间歇式三七土壤蒸汽消毒机的运行原理对控制系统进行设计，STM32单片机对消毒机的运行状态进行检测，利用闭环调速方式调节直流电机转速，具体控制流程如图3所示。

图3 电机调速流程

下位机程序在Keil μVision5开发平台利用C语言开发，通过向控制器的I/O引脚输入不同的开关量信号，控制器循环扫描I/O引脚的电平状态，确定无刷电机的运行状态。控制器利用定时器TIM1、TIM3和TIM9记录并存储的各编码器的脉冲数，从而计算直流电机的理论转速和实时转速，并将其作为PI控制闭环调速算法的输入量进行数据处理，并利用录入的程序通过GPIO引脚输出PWM信号，实现对直流电机的调速。

2.2.2 手机APP监控系统设计

手机端程序在Android Studio上利用Kotlin语言进行编写，并内置了轻量型数据库SQLlite用于储存对应的用户信息，单片机、手机端APP以及数据库均使用脚本对象表示符号（JSON）数据格式互传数据。

用户登录成功之后，会显示用户的IP地址与连接状态，利用RequestData()线程调用ParseJSON()方法，对STM32传输的优化后的土壤温度数据进行解析，创建并初始化JsonData对象后调用GetString()方法，获取土壤温度具体数据并在窗口实时显示，在每次对电机进行启停或转速调节的操作后，装置都会通过蓝牙模块将消息发送至STM32单片机。

与此同时，用户可以通过手机APP的控制指令控件对电机的启停状态及转速进行调节，Button对象将绑定的预设数值发送至蓝牙模块，STM32收到指令并解析后调用编写好的程序，从而实现远程控制的功能。手机APP的工作流程如图4所示。

图4 手机APP的工作流程

3 系统功能测试

3.1 蓝牙通信功能测试

土壤蒸汽消毒机远程控制系统具有远程监控功能，温度检测模块采集到的温度数据和上位机发送的控制指令都是通过蓝牙通信模块进行传输的，所以必须对蓝牙通信模块进行功能测试。将硬件系统搭建完成，给系统上电后，通过测试上位机Android端APP与蓝牙模块能否建立连接，检测蓝牙通信功能是否正常，如图5所示。系统上电后，蓝牙模块LED灯闪烁，若成功建立连接，蓝牙模块LED灯由闪烁变为常亮状态并且APP界面中“蓝牙配置”按钮显示为“连接成功！”。

图5 APP温度数据显示

3.2 电机驱动功能测试

硬件系统搭建完毕，上电并与上位机Android端建立蓝牙连接后，进行系统电机驱动功能测试。按下APP界面的电机控制按钮，观察电机是否完成相应动作。如果系统电机驱动功能正常，按下“正转”按钮，电机开始正转；按下“停止”按钮，电机停止转动；按下“反转”按钮，电机开始反转，电机功能测试现场如图6所示。

图6 电机功能测试

4 结语

课题组结合物联网技术、自动控制技术设计了以STM32F407IGT6单片机为核心的间歇式三七土壤蒸汽消毒机及控制系统。通过手机APP实现对消毒机运动状态及土壤温度的实时监控，提高了系统工作效率，降低了设备工作能耗，提高了设备的安全性。对数据采集的准确性和电机功能进行测验，仿真结果表明，该远程控制系统能够平稳运作，满足土壤蒸汽消毒的农艺要求。