基于LabVIEW的蔬菜精密播種監(jiān)測系統(tǒng)設計*

胡 飛， 劉 遠， 陳彩蓉， 尹文慶， 李 驊， 浦 浩

(南京農(nóng)業(yè)大學 工學院 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031)

0 引 言

播種是蔬菜生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)之一，播種的效率和質(zhì)量是提升蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的關鍵因素。目前國內(nèi)常用的排種檢測方法有光電檢測、圖像檢測、聲波檢測、重力監(jiān)測等[1～3]。光電檢測法設備安裝簡便、成本低廉，檢測可靠，穩(wěn)定性好，采用高強度光后受灰塵影響小，對環(huán)境要求低；圖像分析法分析準確，準確率高，但成本較高，田間作業(yè)易受雜物干擾，難以保證正常工作；聲波檢測法檢測范圍大，不受作業(yè)時間影響，成本較低，但是田間作業(yè)噪音較大，影響接收器工作；重力檢測法是根據(jù)重力原理進行工作的，常用于檢測質(zhì)量較大的物體。

光電檢測法已成為非常廣泛的播種監(jiān)測手段[4]。傳統(tǒng)光電檢測法多采用普通光敏三極管、光敏二極管或光敏電阻作為檢測元件[5,6]。光敏三極管靈敏度高、光電流大，但其頻率特性易受負載影響，響應速度慢；紅外光敏二極管線性好、響應速度快，但易受外界光照影響[7]；光敏電阻靈敏度高，體積小、壽命長，但響應時間長。由于蔬菜種子大多數(shù)粒徑較小，且形態(tài)多種多樣，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法通常難以滿足蔬菜種子精密播種的實際需求，本文提出基于光纖傳感器和LabVIEW的播種監(jiān)測系統(tǒng)具有靈敏度高、響應速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點，有利于蔬菜播種過程的高效高質(zhì)完成。

1 系統(tǒng)總體設計

蔬菜精密播種試驗臺主要采用無刷直流電機帶動傳送帶轉(zhuǎn)動模擬播種機在大田行走，在傳送帶上方安裝排種器作為播種裝置。播種作業(yè)時，蔬菜種子由排種器分離為單顆粒通過導種管落到傳送帶上。精密播種監(jiān)測的參數(shù)主要有播種速度、播種間距、排種量等。監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示，其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要用于檢測種子落下的光電信號和傳送帶行進、排種盤轉(zhuǎn)動的速度信號;電機驅(qū)動模塊主要包括電機驅(qū)動器和無刷直流電機，驅(qū)動器根據(jù)采集卡發(fā)送的脈沖信號來驅(qū)動傳感帶和排種盤電機轉(zhuǎn)動;上位機系統(tǒng)主要包括計算機和LabVIEW上位機程序，通過人機交互界面將穴距、播速、每穴粒數(shù)等播種試驗參數(shù)預置值發(fā)送到采集卡，并接收采集卡的數(shù)據(jù)進行處理、顯示，實現(xiàn)蔬菜精密播種監(jiān)測。

圖1 蔬菜精密播種監(jiān)測系統(tǒng)總體結構

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件總體結構

硬件總體結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構

2.2 排種監(jiān)測模塊

排種監(jiān)測模塊主要用于檢測排種器是否排出種子以及排出種子粒數(shù)，以供判斷是否漏播、重播或機器故障。采用光強調(diào)制型光纖傳感器，通過光束位移、遮擋、耦合以及其他物理方法使進入接收光纖的光強隨外界信號變化而變化。本文使用遮光型調(diào)制，光強調(diào)制原理如圖3所示。

圖3 遮光型光纖傳感器調(diào)制原理

設兩根光纖均為階躍折射率光纖，數(shù)值孔徑為NA，入射光通過入射光纖進入后被透鏡準直成半徑為r的平行光束，無外界干擾時光路暢通，出射光纖接收到的光強值保持穩(wěn)定；當有外界物體進入時，遮擋住光路，在線性近似條件下[8]，可得到交疊面積與光纖纖芯面積之比α如式(1)所示，出射光纖光強值發(fā)生改變

(1)

式中α為交疊面積與光纖纖芯面積之比；δ為遮擋距離，mm；r為平行光束半徑，mm。

光纖傳感器工作時通過光纖頭采集種子下落的光量變化值，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。由于監(jiān)測對象是蔬菜種子，每次下落引起的光信號變化極小，電信號變化也極其微弱，這樣的信號不僅難以檢測，而且易受干擾，因此，采用歐姆龍E3X-HD11放大器將信號放大來滿足實際檢測需求。

播種作業(yè)時，蔬菜種子由排種器分離為單顆粒后落入導種管，導種管通道采用ABS材料制作，高400 mm，橫截面內(nèi)表面長20 mm，寬11 mm，中間鏤空，壁厚2 mm，在高度300 mm處安裝光纖傳感器，排種監(jiān)測裝置如圖4所示。

圖4 排種監(jiān)測裝置

2.3 播速監(jiān)測與控制模塊

根據(jù)播種試驗要求采用增量型光電編碼器作為測速傳感器，具有分辨高、工作可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點。采用愛得利AM系列無刷直流電機和BL—104無刷直流電機驅(qū)動器作為動力源，該驅(qū)動器具有電機正反轉(zhuǎn)控制、快速制動、轉(zhuǎn)速顯示等功能，提供過熱保護、短路保護、過壓保護等，具有操作簡單、控制精確、安全性高、調(diào)速范圍大等優(yōu)點。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

采用NI公司生產(chǎn)的USB—6009數(shù)據(jù)采集卡，USB—6009采集卡提供了模擬I/O、數(shù)字I/O和一個32位計數(shù)器，該卡具有8路AI(14位，48 kS/s)，2路AO(150 Hz)，13路DIO。根據(jù)采集卡提供的端口，將模擬輸入端口AI0，AI1，AI2分別連接光纖傳感器、傳送帶編碼器、排種盤編碼器，模擬輸出AO0，AO1連接電機驅(qū)動器，控制傳送帶和排種盤轉(zhuǎn)動速度，數(shù)字輸出DO0連接報警裝置。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計是整個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的重要組成部分。軟件系統(tǒng)主要由主程序、播種信息采集與處理、電機驅(qū)動與控制、人機交互、播種性能分析等模塊組成[9]。

3.1 系統(tǒng)主程序設計

多線程是LabVIEW編程的一大特色，多線程允許多個并行的數(shù)據(jù)連線、程序代碼、循環(huán)、VI子程序等同時運行，互不干擾，此模式為編程帶來很大方便[10]。本文利用LabVIEW多線程的特點，主程序設計了三個并行的線程，分別用來監(jiān)測光纖傳感器、傳送帶測速編碼器和排種盤測速編碼器接入采集卡的端口電壓值，依據(jù)電壓值變化情況來啟動各個子模塊程序[11]。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

系統(tǒng)啟動后，首先創(chuàng)建3個虛擬通道AI0，AI1和AI2，設置虛擬通道電壓范圍為-5～5 V，用來檢測3只傳感器接入端口電壓，然后設置采樣時鐘頻率為10 kHz，每通道采樣數(shù)為1 000，默認時鐘源為內(nèi)部板載時鐘。參數(shù)設置完畢后，采樣任務即創(chuàng)建成功，電壓信號采樣方式為連續(xù)采樣，結束按鈕未啟動時，采樣任務持續(xù)進行，結束按鈕啟動時，采樣任務終止，所有任務全部清除。

3.2 播種信息采集與處理模塊

3.2.1 粒數(shù)檢測子程序

粒數(shù)采集子程序是根據(jù)光纖傳感器采集到的電壓信號經(jīng)過信號放大器來進行識別和判斷種子下落情況。主程序?qū)崟r讀取AI0端口電壓，當下降沿到來時，程序啟動。子程序主要分析電壓變化情況，根據(jù)電壓變化判斷種子下落情況，對下落進行統(tǒng)計，得到每穴種子粒數(shù)。采用觸發(fā)與門限函數(shù)分析電壓變化趨勢，粒數(shù)檢測子程序如圖6所示。

圖6 粒數(shù)檢測子程序

3.2.2 播速檢測子程序

檢測傳送帶轉(zhuǎn)速時，將一橡膠輪與傳送帶表面相接觸，橡膠輪的軸與編碼器連接，傳動帶運動時帶動橡膠輪轉(zhuǎn)動，進而帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器通過計量脈沖信號得到軸的轉(zhuǎn)速。傳送帶速度為

(2)

式中v為傳送帶線速度，m/s；R為傳送帶測速橡膠輪半徑，m。本文設定測速檢測時間Tc為1 s，編碼器分辨率P為400，傳送帶測速橡膠輪半徑為0.03 m，則程序得到1 s內(nèi)編碼器脈沖計數(shù)值m2后即可算得橡膠輪轉(zhuǎn)速v。播速檢測子程序如圖7所示。

圖7 播速檢測子程序

3.3 電機驅(qū)動與控制模塊

電機驅(qū)動子程序主要有2個功能，一個是控制傳送帶驅(qū)動電機模擬播種機械田間作業(yè)，另一個是通過控制排種器的電機轉(zhuǎn)動來控制排種盤的轉(zhuǎn)動，從而保證排種速度與傳送帶轉(zhuǎn)速匹配，使得穴距滿足要求。

3.4 人機交互模塊

人機交互界面如圖8所示，主要分為蔬菜信息和監(jiān)測系統(tǒng)兩部分，蔬菜信息部分主要根據(jù)不同蔬菜品種顯示種子的物理參數(shù)和蔬菜實物圖，監(jiān)測系統(tǒng)主要是根據(jù)蔬菜種類設置播種試驗參數(shù)并實時獲取各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖8 人機交互界面

4 系統(tǒng)試驗與分析

采用不同粒徑大小的3種蔬菜種子，南京矮腳黃、四季蘿卜、紅莧菜種子各300粒，采用單粒播種方式，在距傳感器300 mm高度處進行排種，60 s內(nèi)播完。重復10次，記錄檢測到種子數(shù)量，計算檢測準確率。試驗結果如表1所示。

表1 不同粒徑種子排種監(jiān)測試驗結果

由表1計算得到不同粒徑大小播種檢測正確率平均值。不同粒徑大小的種子監(jiān)測效果有所不同，粒徑在1 mm以上的南京矮腳黃和四季蘿卜種子監(jiān)測效果較好，分別達到97.37 %和98.93 %，粒徑在1 mm以下的紅莧菜種子監(jiān)測效果略差，達到86.63 %，該系統(tǒng)能夠滿足蔬菜精密播種監(jiān)測的需求。

5 結束語

本系統(tǒng)充分利用了光纖傳感器靈敏度高、響應速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點和LabVIEW強大的功能，設計了一種蔬菜精密播種監(jiān)測系統(tǒng)，通過光纖傳感器檢測種子下落的脈沖信號，對播種過程播種速度、播種間距、排種量等參數(shù)進行監(jiān)測。試驗結果表明：系統(tǒng)對粒徑1 mm以上的單粒種子排種監(jiān)測準確率達97.37 %以上，系統(tǒng)監(jiān)測效果良好，能夠滿足蔬菜精密播種監(jiān)測的實際需求。