小粒種子電動播種機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與試驗

邱兆美 張巍朋 趙 博 姬江濤 金 鑫 賀智濤

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽 471003； 2.機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 洛陽 471003；3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

小粒種子播種機是現(xiàn)代化蔬菜栽培常用的播種機械，播種機在田間作業(yè)時易出現(xiàn)“斷條”等漏播現(xiàn)象，從而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。漏播是影響播種機作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，開發(fā)高精度的漏播監(jiān)測系統(tǒng)是目前播種領(lǐng)域研究的熱點之一。播種機在播種作業(yè)時具有播種過程全封閉的特點，僅憑人的感觀無法直接監(jiān)測其作業(yè)質(zhì)量，因此，研發(fā)播種質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

國外的精量播種發(fā)展較早，精密播種檢測系統(tǒng)的研究比較成熟，技術(shù)相對較為完善，針對播種漏播檢測研究出了不同的檢測方式。一些學(xué)者通過在排種管內(nèi)安裝傳感器或?qū)艿纼?nèi)落種情況的檢測[1-4]實現(xiàn)播種質(zhì)量監(jiān)測。文獻[5-6]分別利用高速攝影技術(shù)和電容特性完成對精密播種均勻性和落種速度的檢測。約翰迪爾公司對精量播種機的研究較早，且對精量播種質(zhì)量檢測技術(shù)成熟，研制的用于播種質(zhì)量監(jiān)測的播種傳感器、Seed Star監(jiān)視儀[7]以及與其他農(nóng)機相互協(xié)調(diào)配套的監(jiān)控設(shè)備，通過光電傳感器與信號采集電路相互配合，能夠檢測漏播、斷條等現(xiàn)象，并在監(jiān)視儀上進行各種圖形化統(tǒng)計及分析，使作業(yè)人員清晰了解播種質(zhì)量，實時掌握播種質(zhì)量信息，為作業(yè)數(shù)據(jù)分析處理后的研究提供參考依據(jù)。國外對精量排種器的漏播狀態(tài)監(jiān)測及補種的相關(guān)研究成果顯著，但其成本較高，適用機具對象、作業(yè)環(huán)境與國內(nèi)相距較大。

國內(nèi)針對播種漏播檢測的研究相對較晚，但發(fā)展較快。如一些專家學(xué)者[8-12]采用光電傳感器和紅外發(fā)光二極管對漏播情況進行監(jiān)測，光電檢測成本較低，且系統(tǒng)簡單得到廣泛使用，但傳統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)對粒徑小于4 mm的種粒難以檢測。周利明等[13-14]采用電容法根據(jù)種子介電特性對相隔種子電容脈沖峰值的間隔，設(shè)計了基于電容信號的傳感器，實現(xiàn)對種子漏播與重播現(xiàn)象的檢測。金鑫等[15]采用紅外光電檢測技術(shù)實現(xiàn)了種子流量的實時監(jiān)測，并采用變介電常數(shù)電容式傳感器監(jiān)測排肥情況，能夠?qū)π←湶シN作業(yè)質(zhì)量進行有效監(jiān)測，降低了生產(chǎn)成本。張霖等[16]采用壓電原理利用陶瓷片對種粒計數(shù)與漏播進行檢測，通過對系統(tǒng)阻尼振動頻率與阻尼比分析，將種子短暫的沖擊作用變換為單個波峰電壓信號，完成對種粒的準(zhǔn)確計數(shù)。高速攝影與圖像處理技術(shù)等[17-23]也被廣泛應(yīng)用在播種監(jiān)測領(lǐng)域，但所采用設(shè)備和處理系統(tǒng)較為復(fù)雜，不便于在播種機身裝配及田間應(yīng)用。黃東巖等[24-25]基于PVDF壓電薄膜特性研究了壓電薄膜的工作機理，運用壓電薄膜檢測技術(shù)分析種子下落的運動碰撞，實現(xiàn)了對播種質(zhì)量的檢測。丁幼春等[26]利用光纖傳感器對油菜精量排種器的性能檢測、漏播檢測與補種進行了研究，由于光纖材料特殊傳感器成本高，傳感器在播種機上的裝配價格高于播種機自身價值，代價太高，不利于在實際應(yīng)用中推廣。

為了對蔬菜播種機播種質(zhì)量進行監(jiān)測，實現(xiàn)小粒種子精量播種，本文采用具有面檢測特性的光電傳感器，對蔬菜小粒種子排種進行實時監(jiān)測，設(shè)計播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對粒徑0.5～1.5 mm小粒種子的檢測。

1 小粒種子電動播種機

針對小粒種子粒徑小、質(zhì)量輕、不易監(jiān)測的問題，設(shè)計了具有實時檢測功能的小粒種子電動播種機，主要由播種系統(tǒng)和智能監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。

圖1 播種機組成框圖Fig.1 Diagram of seeder block

播種系統(tǒng)包括前鎮(zhèn)壓輪、排種器、電源箱、后鎮(zhèn)壓輪、電機、調(diào)控器、覆土器、開溝器等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該電動播種機由電源箱提供電力，供電機和調(diào)控器運轉(zhuǎn)。電機安裝在后鎮(zhèn)壓輪內(nèi)部，后鎮(zhèn)壓輪經(jīng)鏈條連接帶動排種器軸轉(zhuǎn)動，排種器軸帶動排種輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)排種，種子通過排種管落入開溝器開出的種溝內(nèi)，經(jīng)覆土、鎮(zhèn)壓完成播種。調(diào)控器安裝在播種機扶手一側(cè)，通過對電機轉(zhuǎn)速的控制實現(xiàn)播種機前進速度的調(diào)整。前鎮(zhèn)壓輪位于開溝器前端，主要用于將土壤平整壓實以提高開溝穩(wěn)定性。

圖2 小粒種子電動播種機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of small seed electric seeder 1.前鎮(zhèn)壓輪 2.排種器 3.電源箱 4.后鎮(zhèn)壓輪 5.調(diào)控器 6.電機 7.覆土器 8.開溝器

智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括漏播監(jiān)測子系統(tǒng)、排種監(jiān)測子系統(tǒng)和可視化子系統(tǒng)。漏播監(jiān)測子系統(tǒng)主要采用具有面檢測特性的光電傳感器實現(xiàn)對播種量和漏播情況的實時監(jiān)測。排種監(jiān)測子系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器對種子運動過程進行視頻采集，實現(xiàn)對排種器排種、種子下落的實時監(jiān)測。可視化子系統(tǒng)包括STM32微控制器和車載計算機，可完成采集數(shù)據(jù)的實時處理、顯示和報警，實現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測過程和結(jié)果的可視化。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件由漏播監(jiān)測子系統(tǒng)、排種監(jiān)測子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)3部分組成， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.1.1漏播監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計

漏播監(jiān)測子系統(tǒng)包括傳感器檢測頭、屏蔽電纜線和放大器，如圖4a所示。傳感器檢測頭經(jīng)屏蔽電纜線與放大器相連，放大器配置有持續(xù)可變靈敏度調(diào)節(jié)器，可對檢測精度進行微調(diào)。

基于電動播種機排種器距地面較近，且排種管下端位于開溝器內(nèi)部，造成傳感器安裝位置和檢測方式等受到限制，傳感器檢測頭采用矩形紅外面檢測光電傳感器，如圖4b所示。傳感器檢測頭采用帶活門的矩形結(jié)構(gòu)，固定在排種管中段，置于開溝器上端，如圖5所示。基于PMMA透鏡紅外線LED投光可實現(xiàn)對21 mm×21 mm感應(yīng)區(qū)內(nèi)0.5 mm以上不透明物體的面檢測，且針對紅外線檢測時對感應(yīng)區(qū)域透光度的需求，排種管采用直徑20 mm的透明PVC軟管。

圖4 光電傳感器實物圖Fig.4 Diagrams of photoelectric sensor 1.傳感器檢測頭 2.屏蔽電纜線 3.放大器

圖5 傳感器安裝示意圖Fig.5 Installation schematic diagram of sensor 1.開溝器 2.光電傳感器

漏播監(jiān)測子系統(tǒng)主要監(jiān)測排種管內(nèi)通過的種子數(shù)量，反饋播種信息，并對漏播實時報警。排種管中下落的種粒通過傳感器檢測區(qū)域時，由于不透明種粒對光線的遮擋產(chǎn)生遮光量，當(dāng)遮光量小于設(shè)定的閾值時認(rèn)定為漏播，并輸出報警信號。

在實際應(yīng)用中，傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)微控制器進行相關(guān)處理并判斷是否出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象，再由報警單元實現(xiàn)對應(yīng)的漏播或重播報警。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[27]，具體判斷依據(jù)為0.5d≤vΔt≤1.5d(正常)；vΔt>1.5d(漏播)；vΔt<0.5d(重播)。其中d為理論株距，m；Δt為相鄰兩粒種子下落時間間隔，s；v為播種機前進速度，m/s，該速度可由播種機速度傳感器獲得，本設(shè)計使用霍爾傳感器作為播種機速度傳感器。

播種過程中漏播檢測精度易受透光率、振動等影響而降低。本系統(tǒng)采用微分檢測脈沖輸出模式，不影響因長時間積塵等透光率偏低時的檢測效果，能夠滿足播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的精度。

2.1.2排種監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計

排種監(jiān)測子系統(tǒng)包括SDK開發(fā)模組和CMOS圖像傳感器，如圖6所示。圖像傳感器通過數(shù)據(jù)線與SDK開發(fā)模組相連，主要用于監(jiān)測排種器排種情況。CMOS圖像傳感器采用可彎曲數(shù)據(jù)線內(nèi)置在排種器排種口處，不影響排種器正常排種軌跡，如圖7所示。SDK開發(fā)模組固定在排種座上，通過逆變器與車載電源轉(zhuǎn)換完成供電，配備專門的影像信號處理IPS硬核，控制指令A(yù)RM核，可根據(jù)實際進行二次開發(fā)。排種監(jiān)測子系統(tǒng)可實現(xiàn)實時影像采集，具備存儲、回放功能，性能穩(wěn)定，滿足監(jiān)測系統(tǒng)影像采集需要，解決了由于種粒過小和播種機配備部件安裝緊密導(dǎo)致的不便于觀察落種情況的問題。

圖6 CMOS圖像傳感器實物圖Fig.6 Image of CMOS image sensor

圖7 CMOS圖像傳感器安裝圖Fig.7 Installation diagram of CMOS image sensor 1.排種器 2.排種器軸 3.CMOS攝像頭

2.1.3可視化子系統(tǒng)設(shè)計

可視化子系統(tǒng)包括微控制器和上位機，微控制器選用單片機STM32，主要用于接收、處理各傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將處理后數(shù)據(jù)上傳至上位機，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果的可視化。

上位機采用多功能一體機，小粒種子電動播種機監(jiān)測系統(tǒng)平臺如圖8所示，可執(zhí)行播種機的啟、停操作，并實現(xiàn)作業(yè)情況、報警信息和影像監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)的實時顯示、聲光報警和存儲。

圖8 上位機軟件操作界面Fig.8 Interface of software operation on upper computer

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)程序由Visual Basic 6.0語言編寫，主要實現(xiàn)播種機啟動與停止、漏播管道顯示和報警、落種過程實時顯示，操作界面如圖8所示。

通過操作界面上設(shè)置的啟動和停止按鈕控制電動播種機電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)播種機的啟停。通過對監(jiān)測系統(tǒng)播種作物和株距的選擇，可改變微控制器內(nèi)部對播種監(jiān)測閾值的設(shè)定，實現(xiàn)傳感器對0.5～1.5 mm不同粒徑種子的監(jiān)測，且保證監(jiān)測精度滿足監(jiān)測要求。

主系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示，首先微控制器上電系統(tǒng)進行初始化，然后設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，參數(shù)輸入完畢，按啟動鍵啟動電機，同時啟動智能監(jiān)測系統(tǒng)。微控制器進行傳感器檢測信號的接收、處理，并計算實時播種間距；通過實時株距與閾值對比判斷是否發(fā)生漏播，實現(xiàn)漏播實時報警。可視化子系統(tǒng)接收并顯示來自微控制器處理后數(shù)據(jù)，實現(xiàn)落種過程、實際播種量、播種速度、報警信息等的可視化監(jiān)測。

圖9 主系統(tǒng)軟件流程圖Fig.9 Flow chart of main system software

漏播監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測流程如圖10所示，系統(tǒng)上電初始化后，當(dāng)接收到上位機發(fā)出的智能檢測系統(tǒng)啟動信號，啟動子系統(tǒng)所有傳感器，并循環(huán)檢查各傳感器工作情況。依據(jù)傳感器實時檢測信息計算相鄰兩粒落種的時間間隔Δt和播種機前進速度v，獲得實時播種間距，并結(jié)合理論播種株距判斷是否發(fā)生漏播現(xiàn)象。若發(fā)生漏播現(xiàn)象，則上傳可視化子系統(tǒng)，實現(xiàn)相關(guān)的作業(yè)情況和漏播信息顯示和報警。

圖10 漏播監(jiān)測工作流程圖Fig.10 Flow chart of operation of leak detection

圖11 室內(nèi)試驗Fig.11 Indoor test

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)試驗

如圖11所示，室內(nèi)試驗主要檢測小粒種子電動播種機監(jiān)測系統(tǒng)檢測精度，通過選用不同孔徑的排種輪，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)對不同粒徑種子檢測適應(yīng)性的測試，驗證該播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果。各檢測傳感器與播種機合理配置安裝，不存在擋種、影響播種機作業(yè)等問題，保證了播種機監(jiān)測系統(tǒng)安裝前的作業(yè)性能。試驗過程中分別針對播種計數(shù)、漏播精度檢測、落種影像實時顯示等系統(tǒng)性能進行測試，并將系統(tǒng)檢測結(jié)果與人工檢測結(jié)果進行對比分析。

3.2 播種計數(shù)監(jiān)測試驗

為獲取實際的落種數(shù)量，將光電傳感器安裝在排種器出種口處，并在排種管下方安裝接料袋。為測試監(jiān)測系統(tǒng)對不同粒徑、形狀、顏色種子的播種檢測精度和系統(tǒng)本身的適應(yīng)性，選用粒徑0.5～0.9 mm的胡蘿卜、辣椒種子和1.0～1.5 mm的番茄、菠菜種子。為保證播種量計數(shù)的準(zhǔn)確性，播種監(jiān)測系統(tǒng)每次啟動時，播種量自動清零。每次試驗結(jié)束時監(jiān)測系統(tǒng)平臺顯示的播種量為測量值，接料袋中人工統(tǒng)計的種數(shù)為實際值。重復(fù)5次試驗，各次試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 播種計數(shù)試驗結(jié)果Tab.1 Test results of seeding counting

從表1中試驗數(shù)據(jù)可以得出，監(jiān)測系統(tǒng)對粒徑0.5～0.9 mm的胡蘿卜/辣椒種子的播種量檢測精度相對誤差不大于4%；對粒徑1.0～1.5 mm的菠菜/番茄種子的播種量檢測精度相對誤差不大于3.6%。因此可得出，物種和粒徑變化對播種質(zhì)量檢測系統(tǒng)的檢測精度影響不顯著，系統(tǒng)適應(yīng)性好；本播種質(zhì)量檢測系統(tǒng)適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的播種量檢測，且播種量檢測準(zhǔn)確率達(dá)96%，檢測精度相對誤差不大于4%。

3.3 漏播率監(jiān)測精度試驗

通過人為制造漏播故障的方式進行漏播精度檢測試驗。試驗種床帶采用無縫精密橡膠帶，其防靜電和耐壓特點確保了落種的穩(wěn)定性。為了測試種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監(jiān)測精度的影響，選粒徑范圍在0.5～0.9 mm和1.0～1.5 mm的4種小粒種子，并采用與種子粒徑相應(yīng)的不同孔徑的排種輪進行漏播測試。監(jiān)測系統(tǒng)檢測、記錄、顯示漏播信息，將系統(tǒng)顯示的漏播報警次數(shù)與人工查看種床帶的漏播統(tǒng)計次數(shù)相對比，實現(xiàn)系統(tǒng)漏播率測試。同類種子重復(fù)試驗5次，各次試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監(jiān)測精度的影響不顯著，系統(tǒng)適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的漏播監(jiān)測。漏播監(jiān)測子系統(tǒng)準(zhǔn)確率達(dá)92.3%，漏播率相對誤差均不大于7.7%，滿足監(jiān)測精度要求。通過試驗過程和結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，漏播未報警是由于報警持續(xù)時間小于設(shè)置的報警延遲時間，可通過調(diào)節(jié)傳感器響應(yīng)靈敏度，多次檢測調(diào)節(jié)確定合適延時設(shè)置。

表2 種子漏播率試驗結(jié)果Tab.2 Test results of seed missing sowing rate

3.4 影像監(jiān)測落種過程精度試驗

當(dāng)種子下落時，通過影像監(jiān)測子系統(tǒng)實時獲取種子下落信息并傳到可視化子系統(tǒng)，在檢測系統(tǒng)平臺中實時顯示、記錄落種過程。通過實時播放和回放觀察不同管道排種、落種情況，將實際播種粒數(shù)與影像傳輸顯示的種粒數(shù)進行比較，實現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的精度標(biāo)定和影像顯示精度的試驗，其試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3中可以看出，在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下，該播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)影像顯示的落種粒數(shù)與人工檢測實際播種數(shù)量相比，相對誤差不大于5%，監(jiān)測精度達(dá)95%。其誤差產(chǎn)生原因主要是在種子下落過程中，由于CMOS圖像傳感器焦距標(biāo)定不合理，對較小粒徑的種子拍攝不清晰而沒有計入落種數(shù)量中，造成誤差，使檢測精度降低。可以通過精度微調(diào)和攝像頭焦距多次標(biāo)定，提升圖像傳感器實時監(jiān)測精度。

表3 落種圖像顯示試驗結(jié)果Tab.3 Test results of seeding image display

4 結(jié)論

(1)采用具有面檢測特性的光電傳感器和CMOS圖像傳感器，設(shè)計了播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對粒徑0.5～1.5 mm蔬菜小粒種子的播種效果監(jiān)測，該系統(tǒng)能實時準(zhǔn)確地檢測播種機的播種質(zhì)量，受種子粒徑、形狀、株距等影響小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

(2)軟件系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0語言編寫，開發(fā)的監(jiān)測平臺可實現(xiàn)對播種量、漏播情況和落種過程的實時監(jiān)測、顯示和漏播報警等功能。

(3)試驗表明：播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對播種量監(jiān)測精度達(dá)96%，漏播監(jiān)測精度達(dá)92.3%，能夠有效地監(jiān)測小粒種子播種情況，在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下，落種監(jiān)測精度達(dá)95%。本監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對小粒種子電動播種機作業(yè)質(zhì)量的實時監(jiān)測、顯示和報警，提高了監(jiān)測效率。