虛擬儀器技術(shù)在水稻排種器播種質(zhì)量檢測(cè)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展

展 慧 宋朝霞 葉 佩

水稻機(jī)械精量穴直播技術(shù)，是指在灌水、泡田、整地、排水和沉實(shí)之后，利用水稻精量穴直播機(jī)按規(guī)定株行距及播種量，在大田直接精量成穴播種，按相應(yīng)管理要求進(jìn)行田間管理的水稻播種栽培技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的機(jī)械式插秧機(jī)相比，水稻精量直播要按照農(nóng)藝要求將數(shù)量確定的種子按照規(guī)定種植穴距和行距投放至田間，其播種質(zhì)量直接影響水稻的生長(zhǎng)、后期管理和最終產(chǎn)量[2]。

隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，水稻精量穴直播技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。排種器是水稻精量穴直播技術(shù)的關(guān)鍵部件，其技術(shù)研究對(duì)提高我國(guó)水稻直播機(jī)械化水平，確保糧食安全生產(chǎn)具有重要意義。水稻直播技術(shù)的難點(diǎn)在于按照農(nóng)藝要求將數(shù)量確定的種子按照規(guī)定種植穴距和行距投放至田間，這就要保證排種器排種精度。因此，能高效、快速檢測(cè)排種器播種質(zhì)量，對(duì)于研究設(shè)計(jì)高性能排種器可謂是意義重大。

1 水稻直播機(jī)排種器檢測(cè)的性能指標(biāo)

播種質(zhì)量直接影響水稻的生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境，進(jìn)而影響水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量。如果播種量太大，會(huì)導(dǎo)致出苗太密而浪費(fèi)種子，引起倒伏，以致減產(chǎn)；如果播種量太小，則因田間基本苗不足而引起減產(chǎn)[3]。隨著科技的進(jìn)步，發(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)已成為一大發(fā)展趨勢(shì)。水稻精量穴直播技術(shù)就是發(fā)展水稻精細(xì)產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)之一，而排種器又是水稻精量穴直播機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)其性能的檢測(cè)尤為重要。

排種器性能指標(biāo)有多個(gè)，主要有株距的大小及均勻性、每穴種子粒子數(shù)量、漏播、重播等[3]。排種器播種的株距大小及均勻性是衡量其性能好壞的硬性指標(biāo)，所以株距的大小及均勻性是否符合標(biāo)準(zhǔn)成了排種器性能檢測(cè)的主要內(nèi)容。在排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)中，每穴種子數(shù)量不同時(shí)，也會(huì)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響，一般按照合格、重播、漏播3個(gè)指標(biāo)，作為排種性能檢測(cè)的重要指標(biāo)。

2 水稻排種器性能的常規(guī)檢測(cè)方法

2.1 人工檢測(cè)法 人工檢測(cè)方法是在實(shí)驗(yàn)室模仿田間直播機(jī)排種器田間作業(yè)環(huán)境，在相對(duì)地面勻速運(yùn)動(dòng)涂有黃油的輸送帶上，通過人工測(cè)量統(tǒng)計(jì)穴粒數(shù)、穴徑、穴距等重要指標(biāo)來分析得到各項(xiàng)排種器性能指標(biāo)，從而獲知排種器的播種效果[4]。這種方法具有操作簡(jiǎn)單、直觀等優(yōu)點(diǎn)，但浪費(fèi)人力和時(shí)間，環(huán)境污染較大、效率低，還容易產(chǎn)生偶然誤差，結(jié)果受人為因素影響很大，檢測(cè)精度較低，故該檢測(cè)方法逐漸被淘汰。

2.2 傳感器與機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù) 傳感器檢測(cè)法是在輸種管的合適位置安裝傳感器，實(shí)時(shí)感應(yīng)經(jīng)過投種口的種子，將種子流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)過放大、整形、濾波等基本處理后經(jīng)單片機(jī)的定時(shí)、中斷、計(jì)數(shù)后獲知相鄰兩粒種子的排種間隔時(shí)間或者檢測(cè)時(shí)間段內(nèi)的排種頻率[5]，從而計(jì)算得到漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)等各項(xiàng)排種器性能指標(biāo)。

3 虛擬儀器概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)試儀器隨之得到了改進(jìn)。其中，虛擬儀器就是多門技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，代表了現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和儀器技術(shù)的發(fā)展方向。虛擬儀器技術(shù)正在成為當(dāng)今世界流行的儀器構(gòu)成方案，典型的虛擬儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 典型的虛擬儀器的結(jié)構(gòu)

3.1 虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn) 虛擬儀器有著傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破。其使得用戶可以根據(jù)自身需求在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，設(shè)計(jì)所需的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的開發(fā)工具有C/C++、Lab Windows/CVI、Lab VIEW等軟件，設(shè)計(jì)時(shí)盡量用軟件代替硬件。

與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：功能強(qiáng)、性價(jià)比高、開放性好，虛擬儀器豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能，儀器升級(jí)、復(fù)用方便，用戶可以自定義，便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)；突出“軟件就是儀器”的新概念；操作方便，通過圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板；硬件模塊化、系列化，具有開放性，使資源的利用率提高，系統(tǒng)組建時(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展[7]。

3.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 虛擬儀器由硬件與軟件兩部分組成。虛擬儀器硬件一般由計(jì)算機(jī)硬件和儀器硬件構(gòu)成。計(jì)算機(jī)硬件是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)，儀器硬件的任務(wù)是采集數(shù)據(jù)、提供信號(hào)源和控制信號(hào)，其可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等，管理著虛擬儀器的軟件資源。按照測(cè)控功能不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線5種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

軟件是虛擬儀器中最重要的組成部分，虛擬儀器的應(yīng)用軟件主要包括I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用于完成外部?jī)x器硬件的驅(qū)動(dòng)、擴(kuò)展、通信與控制功能。用戶可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，編制不同的測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。虛擬儀器的應(yīng)用程序包含兩方面功能的程序：實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序與定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。虛擬儀器目前的開發(fā)工具有VB、Delphi、LabVIEW等。

4 虛擬儀器技術(shù)在排種器性能檢測(cè)方面的應(yīng)用

虛擬儀器是近年來信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。在某些檢測(cè)方面，其既可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器，又具有傳統(tǒng)儀器不可替代的功能，特別是對(duì)于一些非標(biāo)準(zhǔn)的或超常規(guī)的檢測(cè)要求，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)可以起到非常顯著的效果。因此，虛擬儀器技術(shù)在電子測(cè)量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、教學(xué)及科研等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。目前已在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品等級(jí)分選，自動(dòng)化農(nóng)場(chǎng)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，種子、秧苗或細(xì)胞生物特性的研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

4.1 虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用 早在1997年，美國(guó)Goldsmith種子公司利用虛擬儀器開發(fā)工具和計(jì)算機(jī)視覺軟件開發(fā)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)化秧苗分析系統(tǒng)（CASA），用于監(jiān)視秧苗質(zhì)量以及預(yù)測(cè)在最后發(fā)芽期限發(fā)芽良好的秧苗數(shù)量。該系統(tǒng)通過GUI操作界面來設(shè)置應(yīng)用參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)視頻捕捉、圖像顯示、圖像處理及分析等操作。

我國(guó)虛擬儀器技術(shù)同樣發(fā)展迅速。早在1998年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院利用面向?qū)ο蟮奶摂M儀器開發(fā)工具lab win．dows/CVI，開發(fā)了蘋果自動(dòng)分選系統(tǒng)，通過IMAQ Vision的圖像分析處理函數(shù)，進(jìn)行蘋果品質(zhì)分析，最后得出蘋果等級(jí)的鑒定結(jié)果。周兵等[8]利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了大棚溫室環(huán)境因子測(cè)試與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Labview軟件平臺(tái)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄、分析、處理和存儲(chǔ)。整個(gè)測(cè)試與控制系統(tǒng)具有靈活的、可視的、可操作的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)大棚溫室環(huán)境因子最佳參數(shù)的測(cè)試和控制。白士寶等[9]利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用LabVIEW該系統(tǒng)，輸出實(shí)時(shí)的環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果。該系統(tǒng)采用層次分析法得到冬季雞舍溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度和氨氣濃度的權(quán)重集，能較全面地反映出舍內(nèi)的舒適程度，為蛋雞舍內(nèi)綜合環(huán)境評(píng)價(jià)提供了一種新的方法。

4.2 虛擬儀器技術(shù)在排種器性能檢測(cè)方面的應(yīng)用 近年來，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)播種質(zhì)量的檢測(cè)逐漸向自動(dòng)化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展，對(duì)排種器檢測(cè)系統(tǒng)的研究有了較大的發(fā)展。目前，傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、信息采集和處理技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)在排種器播種性能檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2005年，陳海燕等[10]研究了一套基于虛擬儀器的排種器播種檢測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能根據(jù)所測(cè)粒距樣本得出合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播率等評(píng)價(jià)指標(biāo)。而且解決了光電法檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)過程中易受灰塵影響和不易識(shí)別多粒種子同時(shí)下落的問題。2009年，夏俊芳等[11]采用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)精密排種器漏播性能進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了基于虛擬儀器檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。2012年，周海波等[12]為進(jìn)一步提高超級(jí)稻缽體秧盤精準(zhǔn)育秧的成秧率，研究設(shè)計(jì)了基于LabVIEW圖形化編程軟件平臺(tái)，對(duì)水稻缽體秧盤的圖像處理算法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)播種質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了播種質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用自動(dòng)閾值分割和Roberts邊緣檢測(cè)算子相結(jié)合的方法對(duì)圖像進(jìn)行分割，檢測(cè)精度得到了提高，為今后的排種器性能檢測(cè)和補(bǔ)種技術(shù)提供了參考依據(jù)。2015年1月，丁時(shí)峰等[13]以AT89C52單片機(jī)作為控制核心，利用光電檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測(cè)水稻直播機(jī)工作過程中漏播情況的檢測(cè)裝置，該漏播檢測(cè)裝置在實(shí)際使用中漏播檢測(cè)效果好、工作可靠。

綜上所述，對(duì)于排種器的播種質(zhì)量性能檢測(cè)，大多數(shù)播種質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能較為單一，只是針對(duì)排種器的漏播、重播、排鐘均勻度等單一方面的檢測(cè)性能較好，而對(duì)綜合的檢測(cè)效果一般；排種器播鐘質(zhì)量性能檢測(cè)方法主要采用單片機(jī)、光電傳感器、高速攝影、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)等；所檢測(cè)的排種器多為單粒落種或秧苗育種。采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)全新的綜合性精密播種機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)測(cè)試技術(shù)的自動(dòng)化、智能化及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確化，大大提高試驗(yàn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念、特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)虛擬儀器在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化測(cè)量控制及仿真等方面的應(yīng)用實(shí)例介紹，說明了虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)檢測(cè)中大有作為，必將得到更為廣泛的應(yīng)用，對(duì)提高農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化水平也將起到更大的作用，未來在水稻精量穴直播機(jī)檢測(cè)方面也將有更大的發(fā)揮空間。

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