玉米精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

楊長江，孟志軍,，梅鶴波，羅長海，董建軍，付衛(wèi)強

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 電氣與信息學院，黑龍江 大慶 163319；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

0 引言

精播技術(shù)以其省種和增產(chǎn)的優(yōu)點在玉米種植過程中廣泛應(yīng)用。播種作業(yè)過程全封閉是玉米精播機的特點之一，但在農(nóng)田復雜的作業(yè)環(huán)境下，很容易出現(xiàn)導種管堵塞、地輪排種軸機械傳動系統(tǒng)故障及種箱排空造成的漏播現(xiàn)象，嚴重影響播種質(zhì)量[1]。為避免這些情況發(fā)生，需在機車后方專門分配人員對玉米精播機工作狀況和作業(yè)質(zhì)量進行監(jiān)測，以及時發(fā)現(xiàn)播種機作業(yè)故障。這樣不僅工作量大，工作效率低，且監(jiān)測結(jié)果缺乏實時性和準確性，加之傳統(tǒng)播種監(jiān)控系統(tǒng)只具有本地監(jiān)測功能，作業(yè)數(shù)據(jù)利用率低[2]。因此，在玉米精播機上配備性能可靠的作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)玉米精播機工作參數(shù)和作業(yè)質(zhì)量的本地實時監(jiān)測、故障報警及數(shù)據(jù)遠程評估，可有效減少由于漏播造成的糧食經(jīng)濟損失[3]，提高數(shù)據(jù)利用率。

目前，國內(nèi)外對于播種質(zhì)量的監(jiān)測方式主要有電容式[4-5]、壓電式[6-7]及光電式[8-11]等幾種方式。其中，光電式監(jiān)測方式因其在響應(yīng)速度、監(jiān)測準確度和性價比等方面的優(yōu)勢，一直在播種監(jiān)測方式中占有主要地位。光電式傳感器中，以對射式最為普遍，即在導種管管壁上開孔，將光電傳感器的發(fā)射與接收探頭分別安裝在導種管兩側(cè)形成對射，種子下落時對光 線產(chǎn)生遮擋，獲得種子下落信號[12]。這種方式監(jiān)測性能可靠，但同時破壞了導種管的固有結(jié)構(gòu)，可能造成改變種子正常下落軌跡和著床位置偏移等問題，影響播種效果，且對射傳感器需光路對齊，否則監(jiān)測效果不佳。

基于光電傳感器監(jiān)測的高可靠性，本文針對現(xiàn)有監(jiān)測方式存在的缺點，以反射式光電傳感器為播種質(zhì)量監(jiān)測手段，設(shè)計了玉米精量播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測播種質(zhì)量與漏播故障診斷。

1 系統(tǒng)整體方案

玉米精量播種監(jiān)測系統(tǒng)由單片機總控制模塊、機具狀態(tài)傳感器、衛(wèi)星定位模塊、播種單體監(jiān)測子模塊、排種管監(jiān)測傳感器、地輪與排種軸轉(zhuǎn)速傳感器、種箱料位傳感器、故障報警模塊、人機交互模塊、GPRS DTU模塊及遠程服務(wù)器等組成。

該系統(tǒng)主要對玉米精播機的播種量、播種速度、播種面積、地輪轉(zhuǎn)速、排種軸轉(zhuǎn)速、種箱料位、機具升降狀態(tài)及作業(yè)位置等指標實時監(jiān)測[13]，并根據(jù)監(jiān)測指標分析精播機漏播故障原因，協(xié)助駕駛員排除故障，且可實現(xiàn)作業(yè)玉米精播機遠程監(jiān)管，數(shù)據(jù)及時可靠。

排種管監(jiān)測傳感器采用反射式光電傳感器原理，種子下落信號以脈沖形式傳出；轉(zhuǎn)速傳感器選用霍爾傳感器，分別安裝在玉米精播機地輪和排種軸上，將轉(zhuǎn)速以脈沖形式傳出；種箱料位傳感器采用光電測距原理，置于種箱頂部，當料位低于臨界值時發(fā)出脈沖信號；機具狀態(tài)傳感器采用傾角傳感器，安裝在動力機械下拉桿上，通過下拉桿的升降姿態(tài)判斷玉米精播機是否處于作業(yè)狀態(tài)。各傳感器采集來的數(shù)據(jù)通過播種單體子監(jiān)測模塊處理后，上傳至總控制模塊進行故障識別與診斷，并通過人機交互模塊顯示，供駕駛員查看，同時連接遠程服務(wù)器，提供作業(yè)數(shù)據(jù)遠程查看管理。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 System design block diagram

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計思路

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，以玉米排種單體為單位分設(shè)子模塊，用于采集該單體的傳感器數(shù)據(jù)。并進行簡單處理分析，故障報警與漏播故障診斷由單片機總控制模塊完成處理。其中，故障診斷所需的理論種距、地輪直徑、排種盤每周排種數(shù)等相關(guān)參數(shù)設(shè)置，可通過人機交互控制面板輸入實現(xiàn)。

系統(tǒng)總控制模塊處理核心選用的是STM32F407ZGT6芯片，芯片內(nèi)設(shè)總線矩陣，即使在多個高速外設(shè)同時運行期間，系統(tǒng)也可以實現(xiàn)并發(fā)訪問和高效運行，主頻高達168MHz，更有多達140個具有中斷功能的I/O端口，滿足系統(tǒng)的實時性需求。

依據(jù)系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能及相應(yīng)硬件原理，設(shè)計系統(tǒng)電路。系統(tǒng)電路由單片機、I/O接口、故障報警模塊、人機交互模塊、GPRS DTU模塊、排種管監(jiān)測模塊及相應(yīng)的調(diào)整電路等組成。采集4路相應(yīng)的精播機作業(yè)狀態(tài)信號與播種機位置信息，即衛(wèi)星定位信號、機具狀態(tài)信號、排種軸轉(zhuǎn)速信號、地輪轉(zhuǎn)速信號、種箱料位信號和排種管排種狀態(tài)信號，通過單片機數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對玉米精播機的作業(yè)速度、作業(yè)面積、播種量、漏播率及故障診斷信息等數(shù)據(jù)的計算和監(jiān)測功能。

2.2 排種管監(jiān)測傳感器設(shè)計

排種管監(jiān)測傳感器采用反射式光電傳感器原理設(shè)計。由于玉米種子顆粒較小，且在播種過程中屬于高速移動狀態(tài)，在排種管內(nèi)的運動軌跡也具有隨機性，因此所使用的傳感器必須實現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)測。為此，設(shè)計了如下排種管監(jiān)測傳感器電路與封裝方式。該傳感器采用3個廣角120°的草帽型紅外發(fā)射管作為發(fā)射端，紅外線經(jīng)排種管內(nèi)壁反復漫反射，可保證“紅外光場”完全覆蓋排種管內(nèi)部，同時在發(fā)射管下方并行設(shè)置3個接收管，以確保檢測的準確性。傳感器工作結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，監(jiān)測電路原理圖如圖3所示。

當種子下落時，改變排種管內(nèi)原有的“光場”環(huán)境，并聯(lián)的3個接收管電壓改變，信號經(jīng)運放處理后，輸出種子下落脈沖信號；有種子下落時輸出低電平，無種子下落時輸出高電平。

1.排種器 2.排種管 3.管箍 4.傳感器 5.玉米種子 6. 光電接收管 7光電發(fā)射管

圖3 光電傳感器監(jiān)測電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring circuit of photoelectric sensors

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能及對精播機工況基礎(chǔ)信息的采集要求，系統(tǒng)軟件需要為單片機內(nèi)嵌監(jiān)控及故障評估軟件，使用C語言編程，即完成作業(yè)速度、作業(yè)面積、播種量及漏播率等信息的采集計算和漏播故障原因的診斷評估。

3.1 排種漏播判定程序設(shè)計

系統(tǒng)漏播的判定標準是凡種子實際粒距大于1.5倍理論粒距即為漏播[14]。在計算時，理論粒距等于機車行進速度(Vt)與排種管傳感器檢測到兩粒種子下落信號理論間隔時間(t0)的乘積；實際粒距則等于機車行進速度(Vt)與實際種子間隔時間(t0)乘積，因此粒距關(guān)系可以等效為下落脈沖信號間隔時間的關(guān)系。

3.2 漏播故障診斷模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)漏播故障診斷評估條件由地輪轉(zhuǎn)速、衛(wèi)星定位速度、排種軸轉(zhuǎn)速、機具狀態(tài)和排種管排種狀態(tài)等多項狀態(tài)綜合判定，程序流程圖如圖5所示。設(shè)置機具狀態(tài)為傾角傳感器的作業(yè)“0”位置參考面，該參考面是指動力機車和精播機正常安裝連接并置于同一水平面時下拉桿與水平面之間的夾角平面。

機車行駛速度的判定方式是由衛(wèi)星定位速度與地輪速度綜合判定，有效減小了由于衛(wèi)星定位漂移或地輪打滑造成的速度誤判。

作業(yè)開始時，駕駛員根據(jù)當前土地軟硬程度和自身可容忍漏播程度或相對滑移率，預(yù)設(shè)排種軸、地輪與機車作業(yè)速度的相對值上下限，則相對滑移率為

式中δ—地輪相對滑移率(%)；

S—地輪行走過的實際距離(m)；

R—地輪半徑(m)；

n—傳動輪在行程S內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)置了排種軸、地輪與行走速度相對值的上限和下限，當實時數(shù)據(jù)超過限值時觸發(fā)報警；當種箱料位低于下限值時觸發(fā)報警；當機具狀態(tài)為空閑，排種軸存在轉(zhuǎn)速或排種管監(jiān)測到仍有種子落下時，觸發(fā)報警；播種狀態(tài)下排種管空管或堵塞時觸發(fā)報警。系統(tǒng)可在任意報警情況下進行故障分析，并通過屏幕顯示故障診斷結(jié)果；系統(tǒng)采集到的所有數(shù)據(jù)均可通過遠程實時查看，信息及時可靠。

3.3 人機交互控制面板設(shè)計

系統(tǒng)人機交互功能采用ALIENTEK的4.3寸TFTLCD模塊實現(xiàn)。該模塊顯示屏分辨率為800×480，且自帶驅(qū)動，最高刷屏速度可達78.9幀/s，支持多點觸摸，堅固耐用。系統(tǒng)在首次上電時進行固件掃描，確認傳感器是否正常連接完畢，已連接行顯示綠色，未連接行顯示紅色；當工作中某行出現(xiàn)故障，則該行背景紅綠閃爍。

系統(tǒng)采用基礎(chǔ)參數(shù)開放式設(shè)計，需人工進行參數(shù)錄入，主要參數(shù)包括滑移率、理論株距、行距、地輪直徑、排種器每周排種粒數(shù)及機具狀態(tài)“0”參考面設(shè)置，同時在主界面上需顯示作業(yè)基礎(chǔ)信息供作業(yè)人員實時查看。界面如圖6所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

圖5 漏播故障診斷模塊流程圖Fig.5 Flow chart of fault diagnosis module

4 試驗測試與結(jié)果分析

為驗證該玉米精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控效果及可靠性，搭建完成了以玉米精播機排種單元為核心、多個輔助單元協(xié)同工作的實驗臺。采用可控電機模擬地輪，通過鏈條連接排種器，為排種器提供排種動力；采用可控電機帶動傳送帶，模擬播種作業(yè)時地面與播種機間的相對位移；采用一端穿釘固定整體姿態(tài)可調(diào)的鋼條模擬動力機械下拉桿；采用市場上常見的5檔12勺的勺輪式排種器和先玉335玉米種子進行試驗。試驗包括排種監(jiān)測精度實驗和故障診斷試驗，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 排種量監(jiān)測精度實驗結(jié)果Table 1 Test results of flow ratem on itor

表2 重播監(jiān)測精度實驗結(jié)果Table 2 Test results of flow ratem on itor

4.1 排種監(jiān)測精度試驗

排種監(jiān)測精度試驗分兩部分進行：首先進行排種量準確性試驗，采用人工單粒投種，檢測該系統(tǒng)對種子的識別性能及排種量的計算準確性；其次進行重播監(jiān)測準確性試驗。設(shè)置系統(tǒng)的作業(yè)速度為0.9km/h，采用人工投種方式，控制種子投放時間，模擬重播現(xiàn)象，檢測系統(tǒng)的重播監(jiān)測精度。

重播可分為兩種形式的重播：一是單子落種間隔小于0.5倍理論時間間隔，二是“雙子同落式”重播，即兩粒種子同時下落。表2中，前3組為第1種重播方式下試驗結(jié)果，后3組為第2種重播方式下試驗結(jié)果。

4.2 故障診斷系統(tǒng)試驗

通過調(diào)節(jié)試驗臺上各故障診斷傳感器的狀態(tài)，或使用脈沖發(fā)生器人工制造模擬作業(yè)故障，查看系統(tǒng)的故障診斷精度，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 故障診斷系統(tǒng)實驗結(jié)果Table 3 Test results of fault diagnosis system

試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)對單粒玉米種子的監(jiān)測精度達98.8%，性能可靠。系統(tǒng)存在的不足主要是對于“雙子同落式”重播的判斷準確率較低，即在垂直方向無先后的兩粒種子，主要原因是光電傳感器不能區(qū)分同時經(jīng)過光區(qū)的兩粒種子，因此準確率不高。在實際作業(yè)中，種子由排種器排出后，會與排種管內(nèi)壁發(fā)生碰撞，出現(xiàn)兩粒種子同時經(jīng)過傳感器光區(qū)的情況較少，具有較高的實用性。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了玉米精量播種監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用反射式光電傳感器作為排種監(jiān)測手段，彌補了對射式光電傳感器的缺點，實現(xiàn)了對玉米精播機播種過程的實時監(jiān)控及漏播故障診斷報警功能。

2)試驗測試表明：系統(tǒng)對玉米種子識別度高，故障報警診斷準確率97.5%，性能可靠，具有較高的實用性。