基于LoRa通信的种子高压静电场发生器

摘要：

高压静电场技术是一种新型的种子处理方法，在农业增产增收中发挥着重要作用。然而，已有的种子处理装置设计简单，无法保障操作人员的使用安全。针对这一问题，设计一种安全性更高、远程智能的种子高压静电场发生器。采用单片机作为控制中枢，由键盘、计算机发送控制指令，在高压电路部分，设计高压激励级、输出驱动级和升压电路实现可调节的静电高压。针对高压静电场的放电现象，进行特殊的防护设计，提高操作安全性。针对高压静电场的电磁干扰，采用LoRa通信技术和一种新颖的New-ACP算法，实现安全稳定的远程控制。测试结果表明，装置运行稳定，实测温度低于标准温度，通信丢包率在10%以内，装置已在黑龙江省庆安县等地进行实地试验试用。

关键词：高压静电场；种子处理；LoRa通信；远程控制；New-ACP算法

中图分类号：S12； TN86

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2025） 01-0138-06

Seed high-voltage electrostatic field generator based on LoRa communication

Wang Junfu¹， Liu Xiaoping¹， Qu Le¹， Sun Chongye¹， Wang Xiaoyu¹， Guo Wenkui²

（1. Harbin Power Supply Company， State Grid Heilongjiang Eletric Power Co.， Ltd.， Harbin， 150090， China；

2. College of Food Science， Northeast Agricultural University， Harbin， 150030， China）

Abstract：

High voltage electrostatic field technology is a new seed treatment method that plays an important role in increasing agricultural production and income. However， the existing seed processing devices are designed simply and cannot guarantee the safety of operators. A seed high-voltage electrostatic field generator with higher safety and remote intelligence has been designed to address this issue. Using a microcontroller as the control center， control instructions are sent from the keyboard and remote computer. In the high-voltage circuit section， a high-voltage excitation stage， an output drive stage， and a boost circuit are designed to achieve adjustable electrostatic high voltage. Special protective designs have been made to address the discharge phenomenon in high-voltage electrostatic fields， further improving operational safety. In response to electromagnetic interference from high-voltage electrostatic fields， LoRa communication technology and a novel New-ACP algorithm were adopted to achieve safe and stable remote control. The test results show that the device operates stably， the measured temperature is lower than the standard temperature， and the communication packet loss rate is within 10%. The device has been tested in field experiments in Qing，an County， Heilongjiang Province and other places.

Keywords：

high voltage electrostatic field; seed processing; LoRa; remote control; New-ACP algorithm

0"引言

种子处理是农业增产增效的一种重要手段^［1］。种子处理通常采用物理、生物、化学方法^［2］，在播种前提高种子的生理活性，抑制病菌、虫害等对种子发芽的不利影响，提升作物品质。高压静电场技术是近年来兴起的一种新型的种子处理的物理方法，具有技术简单、设备使用便捷、可重复利用、清洁无污染等优点，在保障农产品丰收、提高蔬菜水果品质中发挥着越来越重要的作用。

如何使用高压静电场技术影响种子的生命活动，进而提高种子的活力，该项研究受到了科技工作者的高度重视，并对各个品种的农作物种子、蔬菜水果种子进行了广泛的试验。在高压静电场技术对农作物种子进行处理的研究中，陈立才等^［3］通过使用不同强度的匀强高压静电场对水稻种子进行不同的时间处理，试验得出，采用300 kV/m的高压静电场、处理时间为2 min，对水稻种子的发芽率、发芽势等生理指标具有最明显的促进作用。黄洪云等^［4］使用不同梯度的静电场处理强度和处理时间，对小麦干种子进行处理，试验得出，在4.5 kV/cm、10 min的高压静电场处理条件下，小麦幼苗的各项抗寒性指标为最佳。李宸等^［5］采用4.0 kV/cm、60 min的高压静电场处理条件，对高粱种子在脱水干燥前进行预处理，试验得出，经电场预处理的高粱种子，在发芽指数、活力指数中具有更好表现，高压静电场可有效缓解高温快速脱水对种子的危害。在高压静电场技术对蔬菜水果种子进行处理的研究中，郭龙芳等^［6］使用不同电压和处理时间，对干湿两种类型的沙葱种子进行处理，试验得出，高压静电场对干湿种子发芽率的影响效果是不一致的，并且，15 kV电压处理15 min为最佳处理条件。陈建中等^［7］使用均匀梯度的静电场强度和处理时间，对番茄陈种子进行处理，试验得出，适宜的处理条件可以提高番茄陈种子的萌发活力，静电场强度为365.0 kV/m，处理时间为31.9 min组合是促进番茄陈种子萌发的最适宜组合。虽然，合理使用高压静电场可以提高种子的生理指标，促进作物生长发育，但不同作物之间没有统一标准的最佳静电场处理条件，因此，亟需研发新型的种子高压静电场发生器，进而促进对种子高压静电场处理方法的研究。

在使用高压静电场技术对高粱种子^［5］、沙葱种子^［6］和杂粮种子^［8］进行处理时，科研人员均采用了自制的高压静电场发生器试验装置，由高压电源、金属金属板、塑料绝缘棒组成。然而，以上所设计的装置没有考虑到高压静电场所具有的放电现象，不能保障科研人员在进行试验操作时的安全性。在对高压静电电源的研究中，高振东^［9］设计了一种可连续输出0～60 kV的植物种子处理高压静电电源，满足播种前种子处理的静电场需求，但没有考虑到放电现象对操作人员的危害。付喜锦^［10］设计了一种农业种子充高压静电的数控电源，具有AT24L01无线收发模块，实现了远距离控制，操作人员在远处操作试验装置，在一定程度上保障了人员安全。然而，AT24LO1模块穿透性不强、抗电磁干扰能力差，该电源没有考虑到高压静电场中电磁干扰对无线通信的影响，也没有实地测试AT24LO1模块在高压静电场中通信的可靠性。

本文针对已有种子处理高压静电电源安全性不足的问题，设计一种新型的安全性更高、远程智能的便携式种子高压静电场发生器，为后续高压静电场在农业中的应用提供理论依据和技术支撑。

1"系统结构

种子高压静电场发生器总体方案的设计框架如图1所示。在控制部分，中央控制电路控制整个处理机的工作，读取键盘送来的控制信号及时间信息，然后把工作状态、设置的参数等信息传输至显示电路，供操作人员确认。确认启动后，根据控制信号发出相应操作，控制整个处理机的工作，包括高压的启动与停止，进行声光报警提示和异常情况监控。通信部分是指LoRa无线通信，通过LoRa网络，操作人员可以远程下行发送控制指令至发生器，发生器也可以上行发送状态信息至远端计算机，从而实现远程双向传输。在电路部分，振荡电路提供一个稳定的振荡源使高压部分起震，然后通过改变驱动电压来调节高压端的静电高压值，倍压整流电路不仅可以将交流电转换成直流电，且在一定的变压器副变电压之下，得到高出若干倍的直流电压。

2"硬件设计

2.1"关键电路设计

2.1.1"静电高压激励级电路

静电高压激励级电路的作用是将振荡电路送来的脉冲电压进行功率放大和波形整形，以足够的功率去推动开关管工作在开关状态。激励管截止瞬间，输出管并不能立刻导通，因而仍会产生高频振荡，但由于振荡短促，仅在激励管截止后和输出管导通前瞬间，振荡能量不很强，可用阻尼电路消除。阻尼吸收电路如图2所示。其中，C2、R2为阻尼吸收电路，BG1为激励管，out端接输出管基极，T1为激励变压器。由于电路中通过C2接入电阻R2使谐振回路处于阻尼状态，从而有效地消除振荡。R3越小，阻尼作用越强，如果不接电容C2而只将R2接入T1回路中，R3将消耗电源功率，C2的接入起隔直流作用，防止了这种消耗，且不影响高频振荡的阻尼电路。另外，R3有调节激励级功率的大小，也有阻尼激励级高频寄生振荡的作用，R3越大，阻尼作用越强，但会出现激励功率不足，使输出管饱和不深，压降大，损耗大；R3过小，又会使激励电流过强，输出管饱和过深，使截止时间过长，截止损耗过大。

2.1.2"输出驱动级电路

图3为输出驱动级电路原理图，其中BG为输出管，D为阻尼管，Ly为偏转线圈，Cy1、Cy2、Cy3为逆程电容（以下用Cy统称Cy1、Cy2、Cy3），利用图4，说明输出驱动级电路工作原理。

当输出管基极加入如图4所示的开关信号时，t1～t2期间，Ube电压为正，因此输出管基极电流很大，使其饱和导通，集电极与发射极间饱和压降很小，电源E_c加在偏转线圈上，在其中产生从零逐渐增大的偏转电流，其增长速度与供电电压作用的时间成正比，即从t1开始，经过的时间越长，电流越大。

t2～t3期间，激励脉冲变为负脉冲，输出管发射结被反向偏置，从饱和导通变为截止，由于偏转线圈中的电流不能突变，继续按原方向运动，对电容C_y充电，将偏转线圈中的磁能转变为电容C_y中的电能，偏转线圈中的电流越来越小，到t3时刻，偏转线圈中的电流为零；而电容C_y的充电电压达到最大值。此电压加到输出管集电极上，使输出管集电极与发射极之间出现很高的电压—电源电压加逆程高压。

t3～t4期间，t3以后电容C_y通过偏转线圈放电，偏转线圈中的电流反向，随着放电的进行，C_y上的电压越来越低，而偏转线圈中的反向电流越来越大，到t4瞬间，偏转线圈L_y中的电流达到反向最大值，电能全部转变为磁能。

t4～t5期间，输出管处于截止状态，但阻尼管D此时处于正向偏置，D导通，L_y中电流通过D继续流动，并逐渐减小，至t5时刻降为0，形成偏转电流锯齿波的前半部分。t5以后期间，此时输出管输入信号电压Ube又变为正值，输出管由截止变为饱和导通。电源E_c又使偏转线圈中的电流线性增长，形成偏转电流的锯齿波的后半部分。以后再重复上述过程。行逆程高压U_m可按式（1）计算。

Um = ［π（tH/tR- 1）/2 + 1］×Ec

（1）

式中：

tH——振荡周期约为333 μs；

tR——逆程时间约为16 μs。

行逆程最大电压也就是输出管截止时所承受的最高电压，为电源电压的32倍左右，如电压最大为12 V，则输出管的耐压值必须大于384 V。而一般的输出级采用自举升压电路，相当于电源电压E_c约为26 V，因此，输出管耐压必须大于832 V。振荡周期越长，行逆程时间越短，高压就越高。本装置选用耐压值大于1 kV的MC13007作为输出管。

2.1.3"自举升压电路

采用自举升压电路可把较低的电源电压提升到较高的数值专供输出级用，输出管集电极上的逆程脉冲电压峰值可提高一倍以上。在获得同样高压的情况下，输出变压器初、次级匝数比可减小。自举升压电路如图5所示，其中D1为自举升压二极管，C1为自举升压电容，L1、L2为输出变压器初级绕阻。当电源接通后，二极管D1正向导通，电流经二极管D1、初级绕阻L1形成一个闭合的回路；L2产生感生电动势，其方向为阻止电流流动的方向，L2的绕阻为L1的1.5倍，所以，去掉损耗，L2感生电动势约为24V，这样，加在输出管集电极上的电压为电源电压加感应电动势之和，约为48V，从而完成自举升压作用。

2.1.4"倍压整流电路

倍压整流电路的主要元件是二极管和电容器。采用的倍压电路如图6所示，当从IN端输入的交流电u为正半周（上负下正）时，电源电压通过D1将电容C1充电到1.414U，然后在负半周（上正下负）时，D2导通，由此可见，此时电容C1上的电压uC1与u的极性一致，它们共同将电容C2充电到2×1.414U。到另一个正半周时，通过D3向C3充电，uC3=u+uC2-uC1=2×1.414U，而在另一个负半周时，通过D4向C4充电，uC3=u+uC1+uC3-uC2=2×1.414U。依次类推，可以分析出电容C5、C6等也都充电到2×1.414U。

2.2"放电防护设计

高压变压器在工作中易产生放电现象，并将线圈和骨架击穿。产生这一现象的主要原因是：高压变压器为升压变压器，其次级输出电压大约为10kV，如此高的电压将原来绝缘体击穿为导体。设计中将骨架换成陶瓷骨架，变压器线圈的层与层之间用石英片进行隔离，变压器绕制完成后，在石蜡中浸煮30min左右，使石蜡浸注到线圈的线匝中，即在线匝中不存在空气。经过处理后，放电现象不再发生。

倍压电路工作电压为10～30kV，易产生放电现象。为此，设计中将倍压电路使用的二极管、电容封装在石蜡中，引线采用耐压30kV的高压线形成高压倍压模块。这一问题得到解决。

倍压电路的电容具有存电作用，电容放电会对操作人员产生危险。设计时在输出级加一个放电电阻。由于输出高压级是由倍压电路完成的，所以，其输出功率很小，电流在毫安级以下，要求放电电阻的阻值相当大。放电电流在微安级，经过计算，电阻取值应在10GΩ左右，而市面上最大只能购到460MΩ的电阻，所以，串联20只，即总阻值达到9.2GΩ，基本上满足要求，保证操作人员的安全性。同样，放电电阻工作在高压端，也需对其进行石蜡封装处理。

2.3"通信模块

在无线通信中，采用LoRa通信技术^［11］，得益于扩频调制技术在频谱中占用较宽的带宽，其抗电磁干扰能力更强^［12］，使用2个AS32-TTL-100扩频无线串口模块，如图7所示，一个模块与计算机连接，另一个连接与高压静电场发生器连接，两个模块的带宽、扩频因子等通信参数保持一致，通过点对点网络拓扑结构实现半双工通信^［13］。通过LoRa无线通信，操作人员可通过计算机远程实现种子高压静电场发生器的开关控制和电压调节。

3"软件设计

3.1"主程序设计

上电后，单片机延时一小段时间，等待电源稳定之后，开始对系统进行初始化。初始化包括设置标志位和变量赋初值，中断初始化，设置各接口芯片初始化等。接着进入主程序，先从存储器中读取状态，以确认上次是自然关机还是故障关机，如果是故障关机，则恢复关机前的状态，继续运行；如果是自然关机，则循环读取键盘和显示，以把拨码盘设置的时间值，显示出来，共操作者确认，并扫描启动端引脚，当无启动信号时，继续循环读取键盘和显示，当接到启动信号时，并不是马上启动高压，而是将设置的时间值写入存储器，然后判断设置的时间值是否为“00”，如果为“00”，则设置时间为正计时，且无上限；如果设置的时间值为非“00”，则设置时间为倒计时，且计时开始值为设置的时间值；然后启动报警电路报警10s，随后启动高压，并把此时的状态记入存储器，以提供程序被干扰而跑飞时及时恢复运行时的状态数据。主程序流程如图8所示。

如果启动时设置时间为“00”，则进行无上限计时，此时，停止高压只能由启动按钮人为给出停止命令；如果启动时设置时间为非“00”，则以设置的时间值进行倒计时，计时为“00”时，则停止高压，也可由人为给出命令停止高压。停止高压后，报警5s，提示操作人员。在计时期间，定时器每1s中断1次，每产生1次中断，单片机将计时数值减1，同时将此时状态写入存储器，然后判断计时数值是否为“00”，如果是，则停止高压；如果否，则继续扫描键盘。在高压工作期间，时刻扫描高压启动按钮及比较器送来的信号，当比较器送来的信号有效时，表明高压有放电现象（即可能有人误操作）。为防止危险，单片机立即停止高压，并发出报警。

3.2"New-ACP算法设计

由于高压静电场的电磁波会对LoRa通信频段产生干扰，因此，在标准ADR算法的基础上^［14］，设计New-ACP算法，通过设置不同发射功率TP^［15］和扩频因子SF^［16］的参数组合，以抵抗高压静电场的屏蔽和干扰，从而降低丢包率，提高LoRa通信的可靠性和鲁棒性。

在初始化时，将扩频因子设置为最大值12，此时LoRa模块对信号的解调能力最好^［15］，抗电磁干扰能力最强，但异常报警时的延迟最高，实时性最差。将发射功率设置为最小值2，发射功率过高，不仅增加运行功耗，还会对其他通信模块造成干扰。当计算机端的LoRa模块接收到高压静电场发生器发送的数据包个数达到20个时，首先，通过分析数据包的序号，计算链路的数据包获取率，在高实时性的应用场景中，高质量通信中数据包获取率的安全阈值^［17］为95%，当数据包获取率大于95%时，表示该数据链路相对可靠，此时适当降低扩频因子，提高数据速率，适当降低发射功率，以节约能耗，减少干扰。当数据包获取率小于95%时，表示此时通信链路并不可靠，计算机对高压静电场发生器的远程控制具有延迟、失控的风险，此时需要快速调整发射功率，提高LoRa信号的信号强度。根据该链路的信道环境，发射功率的调整步长采用自适应步长，将步长设置为数据包获取率与安全阈值的差值。该算法流程如图9所示。

4"结果与分析

4.1"通信测试

在实验室环境中，将一个LoRa模块与计算机连接，另一个LoRa模块与高压静电场发生器连接。在LoRa模块中，分别部署标准ADR算法和New-ACP算法。设置高压静电场发生器的电压范围为0～200kV，每间隔20kV为一组，共11组，高压静电场发生器每1 ms发送1次0/1数据，当比较器有信号时，发送“1”数据，否则发送“0”数据。试验结果如图10所示。

由图10可知，在不同组的电压范围中，标准ADR算法的数据包获取率在65%左右，而New-ACP算法的数据包获取率保持在90%以上，LoRa通信的通信质量保持在较高的水平。由此得出，采用LoRa模块和设计的New-ACP算法可以使无线通信更好地抵抗高压静电场的电磁干扰，满足通过计算机远程控制高压静电场发生器的应用需要。

4.2"实地测试

所设计的种子高压静电场发生器在黑龙江庆安县水稻示范园区进行水稻种子处理试验，每天连续工作8h左右，连续工作4天，未出现异常。在机器连续工作8h后，在环境温度为25℃，自然通风的条件下，利用温度传感器，测量了参考点的温度（3次取平均值）如表1所示。可知，便携式种子高压静电场发生器工作较可靠、安全，工作参数均在标准参考值内。

5"结论

1） 设计一个便携式种子高压静电场发生器，采用单片机作为中央控制主体，用高压变压器作为升压主体，继以倍压装置将电压调节范围增至0～200 kV，且连续可调。

2） 针对计算机远程控制发生器的功能需求，设计一个新颖的New-ACP算法，根据通信链路状态，灵活快速地调节扩频因子和发射功率，通信丢包率在10%以内，提高LoRa通信抵抗高压静电场电磁干扰的能力，保障计算机对种子高压静电场发生器的远程可靠控制。

3） 针对操作人员的安全保障，所设计的种子高压静电场发生器具有良好的绝缘性能，有效地把高压和低压隔离、工频电和高压静电隔离，考虑到高压静电场的干扰和放电现象，增加放电电阻和必要的石蜡封装处理。

参"考"文"献

［1］

赵吉柱， 滑雪， 陶波， 等. 不同处理方法对假苍耳种子萌发的影响［J］.东北农业大学学报， 2010， 41（8）：15-18.

Zhao Jizhu， Hua Xue， Tao Bo， et al.Study on Iva xanthifolia seed germination with different treatments ［J］.Journal of Northeast Agricultural University， 2010， 41（8）：15-18.

［2］

贺泽霖， 贾也纯， 薛林， 等. 作物种子处理技术的研究现状与展望［J］. 黑龙江农业科学， 2021（9）： 116-122.

He Zelin， Jia Yechun， Xue Lin， et al. Research progress and prospectsin treatment of technology of crop seeds ［J］. Heilongjiang Agricultural Science， 2021（9）： 116-122.

［3］

陈立才， 黄芳， 周明， 等. 匀强高压静电场处理水稻种子的生物场效应试验研究［J］. 江西农业学报， 2016， 28（5）： 28-30，39.

Chen Licai， Huang Fang， Zhou Ming， et al. Study on biological field effect of uniform high-voltage electrostatic field on rice seeds ［J］. Jiangxi Agricultural Journal， 2016， 28 （5）： 28-30，39.

［4］

黄洪云， 杜宁， 韩哲， 等. 高压静电场处理种子对小麦幼苗抗寒性的影响［J］. 种子， 2016， 35（8）： 24-26，31.

Huang Hongyun， Du Ning， Han Zhe， et al. Effects of wheat seedlings cold resistance through pretreatment of seeds with high voltage electrostatic field ［J］. Seed， 2016， 35（8）： 24-26，31.

［5］

李宸， 杨小环， 吴冬梅， 等. 高压静电场处理缓解高粱种子快速脱水伤害的生理机制［J］. 山西农业科学， 2020， 48（3）： 339-344.

Li Chen， Yang Xiaohuan， Wu Dongmei， et al.Physiological mechanism of high-pressure electrostatic field treatment for reducing rapid dehydration injury of sorghum seeds ［J］. Journal of Shanxi Agricultural Sciences， 2020， 48 （3）： 339-344.

［6］

郭龙芳， 薛福东， 郭九峰， 等. 高压电场对沙葱种子发芽率的影响［A］.中国物理学会静电专业委员会. 中国物理学会第十九届全国静电学术会议论文集［C］. 2014：5.

［7］

陈建中， 胡建芳， 杜慧玲， 等. 高压静电场处理对番茄陈种子萌发活力的影响［J］. 河南农业科学， 2015， 44（7）： 111-114.

Chen Jianzhong， Hu Jianfang， Du Huiling， et al.Effect of high-voltage electrostatic field treatment on germination vigor of old tomato seeds ［J］. Journal of Henan Agricultural Sciences， 2015， 44 （7）： 111-114.

［8］

武翠卿， 孙静鑫， 武新慧， 等. 高压电场预处理杂粮种子对生长势及产量的影响［J］. 中国农机化学报， 2022， 43（8）： 75-81.

Wu Cuiqing， Sun Jingxin， Wu Xinhui， et al. Effects of high voltage electric field pretreatment on growth potential and yield of miscellaneous grain seeds ［J］. Journal of Chinese Agricultural Machanization， 2022， 43 （8）： 75-81.

［9］

高振东.物理农业植物种子处理的高压静电电源设计与制作［J］. 陇东学院学报， 2015，26（3）： 18-21.

Gao Zhendong. Based on physical agricultural seed processing of high voltage electrostatic power supply design and production ［J］. Journal of Longdong University， 2015， 26 （3）： 18-21.

［10］

付喜锦. 物理农业种子高压充电电源设计与实现［J］. 陇东学院学报， 2016， 27（5）： 40-43.

Fu Xijin.Design and implementation of power plant seeds in high voltage charging ［J］. Journal of Longdong University， 2016，27 （5）： 40-43.

［11］

李嘉豪， 刘飞飞， 伍昕宇， 等. 面向猪舍环境的感知机器人系统和改进综合评价模型设计［J］. 东北农业大学学报， 2021， 52（11）：67-79.

Li Jiahao， Liu Feifei， Wu Xinyu， et al.Design of aware robot system and improved comprehensive evaluation model for piggery environment ［J］. Journal of Northeast Agricultural University， 2021， 52（11）：67-79.

［12］

Slabicki M， Premsankar G， et al. Adaptive configuration of LoRa networks for dense IoT deployments ［Ｃ］. 2018 IEEE/IFIP Network Operations and Management Symposium， 2018： 1-9.

［13］

赵书祥. 基于LoRa的大气环境监测系统的设计［D］. 哈尔滨： 哈尔滨理工大学， 2020.

Zhao Shuxiang. Design of atmospheric environment monitoring system based on LoRa ［D］. Harbin：Harbin University of Science and Technology， 2020.

［14］

Finnegan J， Farrell R， Brown S. Analysis and enhancement of the LoRaWAN adaptive data rate scheme ［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2020， 7（8）：7171-7180.

［15］

Garlisi D， Tinnirello I， Bianchi G， et al. Capture aware sequential waterfilling for LoRaWAN adaptive data rate ［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2020， 20（3）： 2019-2033.

［16］

Reynders B， Meert W， Pollin S. Power and spreading factor control in low power wide area networks ［C］. IEEE International Conference on Communications. IEEE， 2017.

［17］

肖国宝. 基于LoRa的物联网无线通信网络研究与实现［D］. 广州： 暨南大学， 2019.

Xiao Guobao. Research and implementation of IoT wireless communication network based on LoRa ［D］. Guangzhou：Jinan University， 2019.