玉米精密播種機監控系統設計

趙淑英，王愛仁

(梨樹縣梨樹鎮綜合服務中心,吉林 梨樹 136500)

0 引言

隨著我國農業機械化水平的逐漸提升，精量播種機已經被廣泛應用于農業生產中，對于提高農業生產效率具有重要意義。傳統的玉米精密播種機多采用鏈條驅動排種器進行玉米播種，當作業不穩定時容易造成鏈條跳動導致播種質量下降，播種均勻性較差，影響后續玉米標準化種植與播種質量的提高。在進行玉米精密播種時，容易出現播種參數不一致、種肥箱排空或雜物堵塞排種管等現象，易造成玉米播種效率低下，影響后續玉米產量的提高。要想進一步提高玉米精密播種質量與效率，應完善玉米精密播種機的實時監控技術，對玉米播種參數進行實時監控。

針對以上問題，研究設計了一款GNSS玉米精密播種機監控系統，基于工業控制系統實現人機交互，操作人員可以實時監測玉米精密播種機的播種技術參數，如株距、播量等信息，當出現播種不穩定時，可以進行及時調整，該設計基于Android系統，可以通過關聯的手機APP實現網絡通信，實現通過手機進行遠程監控，提高農業生產效率，優化管理方式。

1 玉米精密播種機監控系統發展現狀

目前，國內外在發展作物精密播種機工作性能及結構優化的同時，正在逐步提升精密播種機的通用性、可靠性及智能化發展需求，如研制通用性更高的作物精密播種機，在進行不同作物播種時只需要更換相應的作物排種器即可，還可以滿足不同種植模式下的作物播種需求，為了防止精密播種機在田間作業時由于機械故障、排種管堵塞、土壤條件影響等造成重播、漏播等，應加強精密播種機監控系統的設計。精密播種機的監控主要通過傳感器對精密播種機的工作情況進行實時監控，并且通過不同的警報方式對異常工作狀況進行提醒，及時反映出機器的故障類型及發生位置，提高工作可靠性，減少播種損失。目前常見的監控系統類型包括機械監控裝置及電子信息裝置2種類型。

1.1 機械監控裝置

機械式監控裝置是一種較為傳統的監控系統類型之一，利用機械元件對運行故障報警，主要是以響聲進行報警，但是由于農田作業環境較為惡劣，機器本身在運行過程中噪聲較大，易造成操作人員不能及時發現故障。

1.2 電子信息裝置

現階段的電子信息裝置主要是采用聲音報警或者警示燈報警，在精密播種機安裝監控系統，如光電傳感器、報警控制信號等，將播種機監控系統中的機器運行狀況轉變為電信號傳送到控制中心進行處理，當發現播種故障時，進行聲音或者光電報警。

2 玉米精密播種機監控系統的設計

玉米精密播種機關鍵組成部件如圖1所示，主要由通信終端設備、通信服務裝置、GNSS通信模塊、GNSS北斗接收天線、電腦、控制系統、驅動電機及玉米精密排種器等組成。

1.通信終端設備；2.通信服務裝置；3.GNSS通信模塊；4. GNSS北斗接收天線；5.工業電腦；6.控制系統；7.驅動電機；8.玉米精密排種器

3 玉米精密播種機監控系統硬件設計

3.1 硬件系統的基本組成

為了提高玉米精密播種機監控系統中各個部件的信息傳輸能力，在進行監控系統設計時，采用工業電腦作為控制中心，技術參數如表1所示。工業電腦具有模塊化層次控制器，采用分層模塊化結構設計，主要包括硬件驅動層、控制核心層及應用層，各個模塊之間相互協同共同達到功能目標。

表1 工業電腦技術參數

主控芯片型號為STC12C516AD，具有運行速度快、能耗低等優勢，可以滿足多方位雙向通信，可以對玉米精密播種機監控系統中的信號進行處理，其功能結構如圖2所示。

圖2 玉米精密播種機監控系統下位機功能示意圖

3.2 無線通信系統

無線通信裝置主要是保證終端無線傳輸中的數據安全，目前，常見無線通信技術有紅外線、藍牙、GPRS、CDMA1X等。在本研究中，選擇澤耀AS32無線模塊作為無線通信協議設備，主要是將上位機的各項控制信號傳遞到下位機，并將下位機的車輛工作狀態及工作參數向上位機傳遞，保證數據雙向傳輸的穩定性與安全性，數據傳送為標準通用格式。

3.3 GNSS測試單元

GNSS為全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System)，它泛指所有的衛星導航系統，主要包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo及中國的北斗衛星導航系統。在玉米精密播種機的監控系統中，GNSS測試單元通過USB接口連接至工業電腦控制中心，經過對玉米播種參數及相關控制信號進行解析后傳遞給下位機。

4 玉米精密播種機監控系統軟件部分設計

4.1 實時監測系統

玉米播種機實時監測系統主要是對玉米播種裝置相關參數進行監測，如速度、播種參數等信號，并實時向下位機發送信息，主要包括數據采集模塊、數據分析模塊及技術參數設置模塊等，并通過觸摸屏顯示信息，當遇到異常信息時會及時報警通知操作人員，便于及時進行故障處理。數據采集模塊主要包括對玉米播種量、漏播量、重播量進行分析；數據分析模塊主要包括對玉米播深、株距、播種總量及作業面積等參數進行分析；技術參數設置主要包括對玉米精密播種行距、株距、株數、施肥量等進行設置。信息監控流程如圖3所示。

圖3 田間數據監測結構示意圖

4.2 客戶端監測系統

客戶端監測系統主要是對玉米精密播種機田間統計數據進行分析，并傳輸至操作人員客戶終端，便于生產管理人員及時掌握玉米精密播種機田間作業情況。

4.3 服務器終端監測系統

玉米精密播種機終端監測系統，主要用于存儲田間實時監測數據，并負責將數據在監測系統與手機終端進行信息交互，系統服務器采用云端存儲服務器，便于實現數據的存儲與實時調度。

5 玉米精密播種機監控系統性能研究

玉米精密播種機監控系統性能檢測指標主要包括監控系統響應時間性能分析、功率消耗性能分析、控制算法性能分析等。

5.1 響應時間性能分析

玉米精密播種機監控系統中各個零部件在進行工作及數據傳輸時會存在一定的遲滯，導致各個零部件存在一定的反應時間與延后。響應時間會直接影響玉米精密播種機的工作效率，如果響應時間過長，會導致玉米精密播種機出現漏播率、重播率增加，因此，對玉米精密播種機響應時間進行優化與驗證，對于提高精密播種機的工作合格率具有重要作用與意義。

在進行玉米播種機監控系統響應時間的檢驗時，首先應構建檢測電路結構，在上位機發出相關數據及信號時，開始計算下位機接收到脈沖信號所需的時間，計算如式(1)所示

(1)

式中n—驅動電機同步轉速，r·min-1；

v′—播種機車前進速度，km·h-1；

l—播種間距，cm；

s—播種機種盤上吸種孔數量，個；

k—排種器種盤與驅動電機齒輪變比。

5.2 功率消耗性能分析

目前，常見的玉米精密播種機多是通過牽引拖拉機提供動力，要求玉米精密播種機排種裝置的驅動電機能根據牽引機的速度進行實時調節轉速，因此，對精密播種及排種器功率消耗進行性能分析，合理分配牽引車動力，是精密播種機合理運行的基礎條件之一。測定一臺玉米精密播種機在不同排種轉速下的功率消耗，機器前進速度與排種盤轉速關系如式(2)所示。根據玉米播種機不同的牽引速度機對應的排種盤轉速進行對比分析，確定檢測系統消耗功率是否分配合理。

(2)

式中n1—排種器轉速，r·min-1；

v′—播種機車前進速度，km·h-1；

l—播種間距，cm；

s—播種機種盤上吸種孔數量，個。

6 結論

針對目前玉米精密播種機在田間作業過程中容易出現重播、漏播及堵塞等故障，為進一步提高玉米精密播種機的田間作業效率，在分析目前國內外精密播種機監測系統技術特征的基礎上，設計研發了一種玉米精密播種機監控系統，以工業電腦作為控制核心，在GNSS下實現數據通信，并提出相關玉米精密播種機性能檢測參數，研究結果以期為提升我國玉米精密播種機作業效率及質量提供技術參考。