基于CAN總線的播種深度監測評價系統研究

高原源 王 秀 楊 碩 翟長遠 趙學觀 趙春江

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.北京農業智能裝備技術研究中心， 北京 100097；3.國家農業信息化工程技術研究中心， 北京 100097)

0 引言

播種粒距、播種深度和播種下壓力是評價機械化播種質量的重要指標，其中，適宜一致的播種深度可以提高種子出苗整齊度，發揮群體增產優勢[1-3]。為提高播種質量，有必要對播種深度進行實時監測評價，以實現作業過程中的動態控制和后續播種質量評估。

播種深度是開溝器開溝、土壤回流和覆土輪鎮壓共同作用的結果，人工不易測量，現有測量方法是在忽略種子落土彈跳的條件下，將播種單體開溝深度作為種子播種深度，測量方式主要分為接觸式和非接觸式。其中，非接觸式主要采用超聲波傳感器或激光測距傳感器來測量機具作業地面高度，進而算出開溝深度[4- 5]，由于受田間殘茬等復雜環境影響，少免耕作地塊測量誤差遠大于傳統耕整地塊[6]。考慮到播種深度測量的精度需求，為減小殘茬、光照等因素的影響，現有研究多采用接觸式測量方法，其主要通過測量機具上仿形部件偏轉位移得到開溝深度。趙金輝等[7]利用位移傳感器檢測開溝器和后置仿形輪位置，計算出理論開溝深度；任守華等[8]通過編碼器檢測機架上仿形托板擺動幅度，判斷開溝深淺；文獻[9]采用超聲波結合角度傳感器測量小麥播種深度。分析發現，仿形部件相對開溝器的安裝位置會導致播種機仿形提前或滯后現象[10]，影響測量精度。同位仿形方式因較優的仿形控制效果而獲得更多應用，針對同位限深輪的測量可減小地形對播種深度測量精度的影響。文獻[11-13]在設定限深輪擺臂上限位情況下，通過測量限位軸銷受力或限深輪形變量反映播種深度的變化，但當地形或土壤變化而下壓力控制響應不及時時，易出現限深輪擺臂脫離限位銷軸、限深輪接觸但未壓實土壤的情況，此時這種間接方式無法得到實時開溝深度。相比之下，測量開溝器與限深輪相對位置高度差(即開溝深度)的方式更直接，且適用范圍更廣。此外，已有研究多側重于實時監測，而使用監測數據、并依據行業標準進一步對播種深度進行現場評價具有更大的實際應用價值。

在監測通信方式上，點對點的單一通信方式信號利用率低，多路通信時布線繁雜且不易擴展[14]。為滿足多源信息遠程監控的需求，解決電子控制單元(Electronic control unit, ECU)之間信息傳輸和處理問題，基于ISO 11783協議標準的控制局域網(Controller area network, CAN)現場總線技術被提出，并在收獲、施肥、植保、產量監控和播種等方面得到應用[15-21]。在播種方面，主要側重于面向特定功能的總線研究，如田輝輝等[22]設計了針對大豆排種的故障報警總線監測系統，楊碩等[23]則對排種器驅動總線控制進行了研究。隨著播種機功能的擴展，有必要加強對播種機總線控制技術的研究。

本文以6行同位仿形播種機為研究對象，設計一種基于CAN總線的播種深度監測評價系統，設計基于限深輪角度的接觸式播種深度測量裝置，并基于ISO 11783標準，制訂易于擴展的通信協議，開發播種深度實時監測評價軟件，并對播種深度變化進行研究，以期為后續精密播種作業奠定基礎。

1 播深監測評價系統設計

1.1 系統構成

本研究在同位仿形方式下展開，選用河北中友機電設備有限公司生產的2BFQ-6型氣力精密播種機作為試驗平臺，該播種機作業幅寬3.0～4.2 m，配套功率73.5～132.4 kW，其主要用于玉米或大豆的精密播種作業。

系統組成如圖1所示，主要由播深測量裝置、電子控制單元(ECU)、GPS測速傳感器、車載平板計算機(Panel personal computer，PC)和蓄電池等組成。其中播深測量裝置安裝在限深輪擺臂銷軸上，內部的角度傳感器實時測量限深輪擺臂相對機架擺動角度；ECU采集播深測量裝置輸出信號，經過數據處理和模型換算后得到實時播種深度，并通過CAN總線方式實現與車載計算機通信，其中PC與ECU之間通過USB/CAN轉換器連接；基于LabVIEW開發的車載計算機界面可顯示播種機各單體行播種深度，以實現播種深度的實時監測和評價。

圖1 系統構成圖Fig.1 System composition diagram

1.2 播深測量裝置

1.2.1測量原理

根據同位仿形結構特點，裝置采用接觸式測量方式，通過測量限深輪作業過程中擺動角以獲得實時播種深度，測量原理如圖2所示。其中，Ls表示限深輪擺臂長度，mm；Hs表示限深輪圓心距鉸接點高度，mm；L表示開溝器轉軸距擺臂鉸接點高度，mm；θ表示限深輪擺臂與單體架夾角，(°)；Rw表示限深輪半徑，mm；Rc表示開溝器半徑，mm；H表示播種深度，mm。

圖2 播深測量Fig.2 Principle diagrams of sowing depth measurement1.開溝器 2.角度傳感器 3.限深輪 4.傳感器保護套 5.角度傳感器 6.聯軸器 7.聯軸器套 8.連接螺栓 9.擺臂銷軸 10.限深輪擺臂

單體作業過程中限深輪胎面形變和種上覆土影響播種深度測量準確性，其中，種上覆土厚度可通過調節覆土輪對地壓力來改變，對本裝置試驗發現，在設定相同覆土壓力情況下，覆土厚度基本不變，而限深輪胎面因其自身材質及土壤相互作用，作業過程中形變較小。假設限深輪受力變形量和覆土厚度帶來的播種深度補償量為Δh，由圖2a可知，單體播種深度為

H=L+Rc-Hs-Rw+Δh

(1)

對限深輪擺動高度Hs而言，可通過擺臂轉動角計算得到，即

Hs=Lssinθ

(2)

根據式(1)、(2)得此時播種深度

H=L+Rc-Rw-Lssinθ+Δh

(3)

其中，L、Rw、Rc、Ls可通過實測獲得，而Δh與地塊土壤特性有關，為保證測量準確性，可通過作業前進行田間取樣標定來獲得Δh。在上述變量已知情況下，測量限深輪擺臂轉動角θ可求得播種深度H。基于此，設計圖2b所示播深測量裝置。裝置采用基于角度傳感器的測量方式，通過角度傳感器直接測量限深輪擺臂角，進而獲得相對開溝器位置信息和開溝深度，包括傳感器保護套、角度傳感器、聯軸器、聯軸器套和連接螺栓。其中，角度傳感器轉動軸通過聯軸器和連接螺栓與擺臂銷軸固定，傳感器自身通過聯軸器套與限深輪擺臂固定，擺臂銷軸與機架固定，以此測量限深輪擺臂相對機架擺動角，計算得到播種深度。此外，聯軸器套和傳感器保護套可保護聯軸器和角度傳感器，起到防塵防磕碰的作用。

1.2.2傳感器選型與校正

角度傳感器通過采集限深輪貼地運動時擺臂的運動角度來檢測地面起伏高度，其擺動范圍受播深調節結構影響。本文選用深圳市米朗科技有限公司生產的WOA-H-90-V1型霍爾角度傳感器，其采用高性能集成磁敏感應元件，可實現絕對位置測量，量程為90°，0～5 V模擬量輸出，工作電壓為5～10 V(DC)。由于角度傳感器安裝過程中存在偏差，為提高播深測量裝置的測量精度，未考慮實際播深補償量情況下，進行了傳感器室內標定試驗。

單體處于提升狀態時，限深輪擺臂在自身重力作用下處于最大角度位置，實際測量發現，相同規格單體限深臂下限位角度基本一致，通過角度尺測量得其角度為40°，此時根據傳感器額定輸出信號大小和測量角度范圍，初步建立限深輪擺臂角度與角度傳感器信號輸出值之間關系。由于播深測量裝置是通過測量角度以獲得播種深度，相比之下，直接建立傳感器信號輸出值與實際播種深度關系模型的方式，不僅可以減小測量誤差，還可以獲得更加直觀的播深數據。為簡化模型，本試驗優先建立播種深度和傳感器信號輸出值關系模型。

如圖3所示，手動旋轉播深調節機構控制限深臂擺動上限位，通過升降支架支撐開溝圓盤兩側限深輪至上限位，采集角度傳感器輸出信號值，并用游標卡尺測量開溝圓盤與限深輪底端距離。考慮到實際播種深度不小于0，且單體結構限制下最大不超過105 mm，可知傳感器輸出信號在一定范圍內。多次測量后建立各單體行播種深度測量模型，如表1所示。其中，x表示角度傳感器信號值，mV；y表示播種深度檢測值，mm。

圖3 角度傳感器標定Fig.3 Calibration of angle sensor

表1 播種深度測量模型Tab.1 Measurement models of sowing depth

1.3 數據采集控制單元

采用HY-TTC 32集成控制器(TTC32，TTControl GmbH)以實現數據的采集控制，其配備了高性能的英飛凌XC2267微控制器，集成了2路標準CAN總線接口，可實現與上位機的總線通訊。搭載的30個可自由配置的I/O接口，常規輸入端口為14路，通過軟件設置最多可擴展至30路0～32 V模擬電壓測量，滿足系統信號采集需求。同時，利用CoDeSysV2.3軟件，使用支持IEC61131-3標準的ST語言可對播種深度監測系統程序進行編程。

上位機選用USB/CAN轉換器(隔離型，北京樂電新南科技有限公司)對控制器發送報文進行轉換，并由上位機獲取解析。轉換器與ECU通信波特率依照ISO 11783-2：2012規定設為250 kb/s，與PC通信波特率為115 200 b/s。考慮到后續使用便捷性，選用車載平板計算機作為系統交互設備，平板搭載Windows 7 32位操作系統，支持12～30 V寬電壓供電，可由拖拉機直接供電。

1.4 通信協議設計

ISO 11783是國際標準化組織(ISO)為農林拖拉機和機械制訂的基于CAN 2.0B協議的串行控制和通信數據網絡總線標準。CAN 2.0B根據消息幀標識符的位數規定了標準幀(11位)和擴展幀(29位)兩種格式，而ISO 11783只針對擴展幀格式定義了完整的通信策略，并采用協議數據單元(Protocol data unit, PDU)來規范信息幀格式，如圖4所示。主要由優先級(P)、擴展數據頁(EDP)、數據頁(DP)、PDU格式(PF)、特定PDU(PS)、源地址(SA)和數據場(DATA)組成。其中，P、EDP、DP、PF和PS構成報文的參數組編號(Parameter group numbers，PGN)，用以標志PDU的內容和種類。根據ISO 11783-3:2014規定，所有控制報文的缺省優先級為3，消息報文的缺省優先級為6，ISO 11783消息傳輸時EDP為0。根據PF取值不同可將PDU分為PDU1和PDU2，當PF小于240時為PDU1，此時PS為目標地址(DA)，消息發送到特定地址，其中DA=255為全局目的地址，要求所有控制器進行消息偵聽和響應；當PF處于240～255之間時為PDU2，此時PS為組擴展(GE)。總計適于分配的參數組為8 672個，對CAN總線通信協議的制訂就是為不同報文分配特有的參數組編號。

圖4 數據幀報文格式Fig.4 Message format of data frame

對單體而言，由于單個數據幀最多包含8字節數據，考慮到后續單體多源信息擴展的傳輸需求，根據ISO 11783-3:2014規定，本協議采用多包消息的方式，將相同PGN的單體信息，包含播種深度、播種下壓力、播種速率、施肥速率、播種施肥堵塞等數據分包發送。其中，將每個包數據域首字節定義為數據包序列號，并按遞增順序發送。由于最多可分配255個序列號，完全滿足單體行信息擴展需求。對本系統而言，每行單體分配一個PGN，數據域首字節均定義為1，第2、3字節表示播種深度，分辨率為0.01 mm，測量范圍為0～642.55 mm，未使用字節全部設置為FF16。

參照標準ISO 11783-7:2015對機具消息應用層的規定，制訂了表2所示播種機相關參數的報文，如定義播種機行駛狀態的PGN為00FE49，更新周期為100 ms，字節長度為8字節(bytes)。其中，字節1、2表示測量的對地行駛速度，分辨率為0.001 (m/s)/bit，測量范圍為0～64.255 m/s；字節3～6表示行駛距離，分辨率為0.001 m/b，測量范圍為0～4 211 081.215 m；字節8的前兩位表示行駛方向，00表示倒退，01表示前進，10為錯誤指示，11不可用；其余未定義位保留。

表2 參數組編號定義Tab.2 PGN definition of CAN system

1.5 評價方法與軟件開發

圖5 播種深度監測界面Fig.5 Sowing depth real-time monitoring interface

為實現對播種深度的實時監測和評價，本系統開發了基于LabVIEW的上位機界面，如圖5所示。在設定的采樣間隔時間下，ECU采集限深臂角度傳感器信號并傳輸給上位機，上位機解析傳感器信號，利用試驗所建模型實時顯示播種深度。而播種深度質量評價規則參照農業行業標準NY/T 1768—2009《免耕播種機質量評價技術規范》，當設定播種深度大于等于3 cm時，播種深度合格誤差為±1.0 cm，當小于3 cm時，播種深度合格誤差為±0.5 cm。相關的各播種深度監測評價參數計算公式為

(4)

(5)

(6)

(7)

式中η——播種深度合格率，%

n——播種深度合格數

N——播種深度測量點數

hi——播種深度測量值，mm

Sh——播種深度標準差，mm

Vh——播種深度變異系數，%

機具作業時，ECU以20 Hz采樣頻率采集各單體播深數據并通過總線傳輸給上位機，上位機實時存儲數據，并以設定的讀取間隔時間(默認0.5 s)顯示在界面上。同時，設定播深補償值輸入框，便于對實時檢測數據進行修正。當輸入播種深度設定值時，ECU獲取參數并進行質量評價。由于播種機由多個單體組成，為評價整體效果，系統選取各行平均播種深度作為質量評價參數，通過連續計算獲取100個播種深度，參照標準計算得到播種機實時播深合格率、平均播深、播深標準差和變異系數，方便作業時實時調整和后期質量評價。

2 試驗與結果分析

2.1 播種深度變化特性試驗

為解析傳統機械式被動仿形播種單體播深動態變化的頻率構成，獲取其不同試驗條件下播深主頻率波段，實現后續信號濾波以及播深動態主動控制，選擇圖6所示裝置中左側機械式仿形單體作為試驗對象，于2019年4月在河北省石家莊市趙縣姚家莊村進行了播種深度變化特性試驗。試驗田長180 m，寬20 m，采用二因素裂區試驗設計方法，研究不同處理地塊(免耕地和旋耕地)和作業速度(4、6、8、10 km/h)對播種深度測量的影響。將地塊耕作方式作為主區，分為免耕地(A1)和旋耕地(A2)，作業速度作為副區，設置B1、B2、B3、B4共4個水平，分別對應4、6、8、10 km/h作業速度。

圖7 免耕地播種深度動態變化Fig.7 Dynamic change of sowing depth under no-tillage

圖6 播種深度變化特性測試試驗Fig.6 Variation characteristic test of sowing depth

根據播深測量角度傳感器硬件參數，設置ECU對傳感器采樣頻率為200 Hz，試驗時采用USBCAN分析儀(USBCAN-E-U型，廣州致遠電子有限公司)連接ECU，利用自帶的ZLGCANTest軟件實時采集ECU發送的傳感器數據報文，并對不同試驗條件傳感器原始數據進行存儲。為便于后續數據分析，每種處理采樣時間為40 s，即獲取數據8 000個，并通過Matlab對其進行離散傅里葉變換(DFT)，處理公式[24]為

(8)

其中

f[k]=kfs/N(k=0,1,…,N)

式中fs——采樣頻率，Hz

f[k]——數據x的離散頻率組成

x[n]——長度為N的有限長序列

X(f[k])——DFT變換后數據

圖8 旋耕地播種深度動態變化Fig.8 Dynamic changes of sowing depth under rotary tillage

去除傳感器直流分量，得到動態變化結果如圖7、8所示。從整體看，較大幅值振蕩分布區間主要處于低頻區間，即播種深度變化主要頻率在1 Hz以內。從地塊耕作方式來看，免耕地播深傳感器變化最高幅值處于111～201 mV區間內，而旋耕地最高幅值變化范圍為34～117 mV，顯然免耕地傳感器振蕩幅值更高，原因在于免耕地土壤堅實度較大，區間分布不均勻，造成播種機開溝過程中限深輪起伏波動較大，而旋耕地由于土壤均勻，播深變化相對較小。另外，免耕地播深變化主頻主要為0.05 Hz，且未隨車速變化而變化，主頻幅值隨車速增加呈減小趨勢；旋耕地下，除10 km/h以外，播深變化主頻隨車速增加而增大，最高為0.125 Hz，主頻幅值則隨車速增加而減小。

進一步，計算每種處理下的功率譜密度，公式[25]為

P(f[k])=|X(f[k])|2

(9)

為便于比較不同處理下播種深度變化功率譜密度，提取各功率譜密度函數在0～1 Hz頻率范圍內峰值，得到如圖9所示峰值散點圖。從圖中可看出，播種深度功率峰值變化主頻區間主要集中在0～0.4 Hz內，且與車速變化關系不明顯，這也與文獻[26]中所得條播機開溝深度功率峰值振蕩主頻在0.5 Hz以下的結論相符，進一步驗證了試驗結論準確性，為后續播種深度控制中信號的低通濾波處理提供了參考。

圖9 功率譜密度峰值散點圖Fig.9 Peak map of PSD

2.2 播種深度監測評價試驗

如圖10所示，于2019年7月在河北省石家莊市欒城區北留營村進行田間試驗。為方便后續進行播種深度實際測量，試驗地塊選用免耕地，長、寬為220 m和4 m。為測試不同速度下各單體行播種深度監測評價效果，沿拖拉機前進方向分4段遞增車速，并分別采集每段下播種深度數據，考慮剔除地塊頭尾部分，每段長度為50 m。實際作業中，根據上位機車速檢測值，控制各段地塊拖拉機速度分別為4、6、8、10 km/h。為簡化試驗，取掉單體覆土輪，以開溝深度等效評價播種深度，設定播深補償值Δh=0，并在試驗前旋轉播深調節機構，保持調節播深一致，并設定評價系統播深設定值為50 mm。

圖10 田間試驗Fig.10 Field experiment

對采樣數據進行處理，繪制得到圖11所示不同速度下單體播種深度測量值熱力圖[27]。圖中，紅色表示播種深度大于設定播深，藍色表示播種深度低于設定播深，其它顏色表示合格播種深度。從整體看，對地下壓力相同情況下，播種機右側單體播種深度大于左側，表明該地塊右側土壤堅實度較小，開溝器可以獲得較大開溝深度，由文獻[28-29]所述，土壤質地與電導率之間存在顯著正相關性，即電導率越高，土壤堅實度越大，開溝深度越小，因此該圖也可一定程度上表征地塊不同區間土壤質地區別。

圖11 不同車速下單體播種深度熱力圖Fig.11 Heat map of sowing depth at different speeds

從各單體行播深監測看，4 km/h速度下行序號5，8 km/h速度下行序號4、6，以及10 km/h速度下的行序號6等均出現了連續較高的播深數據，最高甚至達到69.72 mm，超出播深調節機構上限位，原因為開溝器兩側限深輪所處地形或土壤堅實度不同，導致限深輪擺動角度不一致，單側出現較深播種深度的現象；同理，由于播種深度調節機構“限深不限淺”，當土壤堅實度變大或地表凹陷時，會造成限深輪相對開溝器位置下降，播種深度降低，最小為23.19 mm。其中，行5出現較多的淺播狀況，分析發現這是因為行5與拖拉機右側輪胎軌跡重合，開溝深度由于輪胎壓實土壤而變淺，這也與文獻[30]所述一致，即輪胎壓實后的地塊造成播種機開溝深度變小。

為測試系統播種深度監測評價效果，隨機選取不同車速下某個單體行開溝深度進行實際測量，即在4 km/h下第3行單體、6 km/h下第6行單體、8 km/h下第1行單體和10 km/h下第5行單體作業長度中間選取30 m，間隔25 cm進行取樣，結合圖11選取等距離數據并繪制如圖12所示播種深度箱形圖。從圖中可以看出，相比播種深度監測值，實際測量獲得數值波動較大，整體布局較為分散，可能與種溝完整程度以及地表殘茬厚度帶來的人為測量不穩定性有關。此外，觀察數據中位數發現，不同方式下得到結果相近，差值最大為9.02 mm，最小為0.02 mm。

圖12 不同車速下單體播種深度箱形圖Fig.12 Sowing depth boxplot of row units at different speeds

對播種深度檢測值和實際值數據的統計處理結果如表3所示。在4～8 km/h車速范圍內，兩種方式下的播種深度合格率均隨車速增大而減小，即播種深度一致性變差，而10 km/h下合格率有增大趨勢，原因可能是較高車速增加了開溝器在堅實土壤下的切土能力，提高了播種深度一致性。此外，除8 km/h外，兩種方式下的播種深度標準差和變異系數隨車速增大而增大，這也說明車速增大會造成播種深度穩定性變差，而8 km/h下穩定性增加可能由于作業行土壤質地均勻，開溝較為穩定。

對比兩種方式，4 km/h車速下，系統檢測的播種深度合格率、標準差和變異系數相對田間測量誤差顯著大于其它速度下相對誤差，原因可能是實際人工測量的不穩定性帶來播種深度參照值的波動，造成測量值出現較大誤差，無法表現系統監測評價性能。對比取樣的各單體行可以看出，6～10 km/h車速下，系統檢測方式下平均播深、合格率、標準差和變異系數最大值分別為50.01 mm、78.95%、8.95 mm和17.90%，說明10 km/h下第5行單體平均播深和數值差異性最大，6 km/h下第6行單體播種深度合格率最大；相比田間實際測量方式，誤差分別處于4.20%～9.74%、6.11%～17.92%、10.93%～16.32%和18.83%～19.79%之間。此外，隨著車速增加，平均播深相對誤差增大，標準差相對誤差降低，而變異系數相對誤差較為穩定，說明較大車速會降低系統平均播深評價準確性。考慮到地塊區間差異和人工測量誤差，系統實現了對播種深度的監測評價功能。

表3 田間試驗測試結果Tab.3 Field experiment results

3 結論

(1)設計了一種基于CAN總線的播種深度實時監測系統。采用基于限深輪擺動角度的播深測量裝置，通過接觸式測量方式，提高了復雜作業環境下的播種深度檢測精度；以ISO 11783標準為基礎，制訂了播種深度實時監測總線通信協議，有利于后續播種作業參數的標準化傳輸和擴展。

(2)基于LabVIEW的播種深度監測評價系統通過對通訊協議的解析，實時顯示各播種單體行播種深度值，得到的播種深度圖可在一定程度上表征地塊質地信息，同時系統以行業標準為基礎，可根據設定播種深度實現對作業地塊播種深度信息，如平均播深、播深變異系數等的評價，為后續播種決策提供參考。

(3)播種深度變化特性試驗表明，播種深度變化主頻幅值隨車速增加呈減小趨勢，且免耕地條件下幅值變化大于旋耕地，而功率譜密度振蕩主頻受地塊耕作方式和機具作業速度影響較小，主要在0.4 Hz以下，可為后續播深控制信號處理提供參考。系統田間試驗結果表明，在6～10 km/h車速下，相比實際人工測量方式，系統監測平均播深、合格率、標準差和變異系數最大值分別為50.01 mm、78.95%、8.95 mm和17.90%，相對誤差分別處于4.20%～9.74%、6.11%～17.92%、10.93%～16.32%和18.83%～19.79%之間，滿足設計需求，實現了對播種深度的監測評價功能。