智能播種監測裝置的研究進展

候玉強，李俊偉，徐洛川，楊光旭，康亞鵬，許云濤，張亮亮

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

0 引言

目前我國農業正由粗放型經濟轉向生態型經濟，在“強化農業科技和裝備支撐，建設智慧農業”的遠景目標下，隨著農業機械和智能檢測技術的高度融合，傳統農業機械正在向高效化、無人化、智能化發展，然而我國糧食生產量與世界先進農業國家的差距依然巨大[1]，因此如何提高農業生產的質量、規范和配置能力等成為我國農業穩健發展的關鍵。

在農業生產中，精準精量播種作為提高農業生產質量、規范農業生產和配置土地的主要方式之一備受關注。國內外學者針對播種器械在田間復雜工況下的重播、漏播、充種管堵塞和種箱排空等播種問題[2-3]基于不同類型的傳感器構建了相應排種器和作物播種監測裝置，實現了對其播種量、播種粒距和播種頻率的獲取。

本文針對國內外播種監測裝置的研究對象、系統工作原理和結構以及播種性能指標等三個方面進行闡述，分析當前播種監測裝置研究中遇到的技術問題并展望新時期播種檢測裝置的發展方向。

1 光電式監測法

光電式播種監測法的應用較為廣泛，該方法以發光器件和光電感知元件獲取種子流信息，通過調理電路分析處理，一般以粒距、播種數、播種頻率等作為其性能指標。

國外部分學者通過對置式的光電器件實現了對導種管內的種子流進行檢測，獲取種子播種粒距和播種數等播種參數，并通過指示燈、蜂鳴器等實現重漏播播種故障的聲光報警。其中Karimi等[4]通過光敏二極管開發出紅外傳感播種監測系統，實現對導種管內種子流質量和流量的監測。Hadi等[5]通過紅外激光二極管陣列傳感器構建播種監測裝置和播種監測系統，實現播種監測。此外，MC Electronics、AEE 企業通過對射式紅外光電傳感器[6]和光電傳感器[7]構建播種監測裝置，實現了對小麥、玉米等大中粒徑種子的精準監測，成功獲取排種總量、漏播率、播種面積、株距和單位面積播量等參數，并通過語音和指示燈等方式實現人機交互，從而實現對漏播等播種故障的報警。

國內對光電式播種監測裝置的研究也有一定進展，其中張甜等[8]通過光纖計數式傳感器構建了油菜精量排種器監測系統（圖1），解決了速度過高導致的檢測精度不高的問題。徐春保等[9]通過薄面光折射式構建多通道并行檢測裝置對導種管內的小麥種子流進行檢測，獲取排種量和排種總量等性能指標，實現了小麥高頻種子流的精準檢測和漏播故障報警。王在滿等[10]通過環形布置面源式光電傳感器構建了水稻穴直播監測系統，基本實現了不同工作轉速條件下的不同尺寸水稻的播種監測，但由于種子重疊導致系統監測精度不高。賈洪雷等[11]通過凹形光電傳感器和光電旋轉編碼器構建播種監測裝置，實現對吸種信息的獲取和定位。解春季等[12]以紅外光電的方式實現播種監測，獲取了播種量、合格率、漏播率、重播率等參數。史智興等[13]采用紅光半導體激光二極管（RLD）和硅光電池構造了一種高覆蓋率的排種傳感器，實現了對不同體積種子的準確監測。

圖1 傳感器裝置

光電式播種監測方法結構簡單、自動化程度較高，但是由于田間作業環境復雜，其工作穩定性和監測精度不高且易受外界影響。其中大部分學者通過選擇不同類型的光電傳感器實現對導種管內不同作物種子流的在線監測，但一些學者通過“光電式傳感器+編碼裝置”實現了對取種盤狀態的判定和定位。

2 電容式監測法

電容式播種監測法相較于光電式監測法具有一定的抗塵和抗干擾能力，能夠對重疊種子進行辨識。該類型傳感器一般以極板結構為主，工作時對極板施加一定激勵電壓，當被檢測對象運動經過極板產生的電場區域時引起極板檢測區域的等效介電常數的變化，從而引起輸出電容變化，據此采集并分析處理該信號，從而獲取相關播種信息。

國內外電容檢測的研究主要集中于含水率測算和探傷等，其中JavadTaghinezhad 等[14]通過矩形平行板電容器傳感器構建甘蔗排種器播種監測系統，對甘蔗播種粒距均勻性進行監測，獲取其作業過程中的漏播指數與重播指數。徐洛川等[15]基于棉種與所測電容值的數值關系建立預測模型，構建棉種散粒物料的播種監測裝置。

國內關于電容檢測的研究也較多，其中朱亮等[16]通過空間電容器構建排種狀態監測系統（圖2），改善傳統排種監測裝置因環境灰塵而引起的不穩定等問題，實現對正常、漏播和重播的判定。陳建國等[17]通過對置式平行極板電容傳感器構建小麥直穴播監測系統并進行試驗設計，提出差分動態閾值法檢測其播種量，實現對其精準檢測。田雷等[18]采用E型電容傳感器構建播種監測裝置，實現對其作業過程中的漏播或排種管堵塞等播種故障的監測。周利明等[19]基于散粒物料的介電特性開發出一種排種器性能監測系統，用于獲取播種工況下的排種量、漏播量及重播量等性能指標。王宇清等[20]通過非接觸式電容傳感器構建新型精密播種機的播種性能監測系統，實現了種子流的精準檢測及對種箱排空、輸種管堵塞等播種故障的聲光報警。

圖2 試驗臺

綜上所述，電容式播種監測法雖然具有一定的抗塵和抗干擾能力，能夠實現對多粒種子的準確判定，但其易受振動、溫度和外部電容電感的影響。

3 “機器視覺+數字圖像處理”監測法

“機器視覺+圖像處理”作為可視化檢測技術之一在國內外一直備受關注。該方法通過高速攝像追蹤種子的運動軌跡，并通過相關數字圖像處理方法實時獲取其運動時間和空間位置等信息，隨后利用先進數字圖像處理技術獲取粒距等播種參數，從而實現對重漏播等播種故障的報警。

其中A.A.Borja 等[21]通過機器視覺技術對特定區域內玉米作物的特征進行獲取并記錄，實現對種子間距均勻性和落種速度的準確測算。Cognex企業[22]通過“機器視覺+數字圖像處理”構建系統并對整套系統裝置的性能進行試驗，實現對目標對象的自動監測。

國內部分學者通過算法優化實現了對不同作物種子流的監測。其中曹葉等[23]通過LabVIEW設計了基于計算機視覺的精密排種器的監測系統，實現了對種子圖像坐標的獲取。韓國鑫等[24]針對水稻穴直播過程中人工監測困難等問題開發了基于運動圖像處理技術的播種監測系統，實現了對播種量和作業質量的實時監測。董文浩等[25]通過嵌入式機器視覺的檢測和控制裝置設計了雜交稻低播量檢控裝置，實時采集播種后種子圖像，實現恒量播種。康世英等[26]通過機器視覺技術建立了糧種顆粒自動化監測系統，通過試驗對照分析驗證了該系統的可行性。王桂蓮等[27]通過構建“CCD攝像裝置+圖像處理”裝置（圖3）實現了秧盤位置的定位和空穴位置的動態補種。李潤濤等[28]利用“CCD 攝像機+光纖傳感器”對動態種子流的運動軌跡進行記錄，測出排種器的相關性能指標。徐彥蘭等[29]基于種子坐標監測和平穩隨機過程提出自動化排種器性能監測方法，進一步闡述了試驗目的、試驗監測系統、試驗設計以及試驗實施方法。李朋飛等[30]針對重播、漏播、播種性能不穩定等問題通過機器視覺技術構建穴盤精量播種監測系統，實現了對玉米播種狀態的精準監測。

圖3 水稻秧盤育秧智能補種裝置結構示意

“機器視覺+數字圖像處理”技術在農業領域的應用較為廣泛，對精準農業和智能農業的發展具有重要意義，但是由于硬件設施成本和工作環境要求制約，該監測技術目前仍處于試驗階段，未能完全推廣和應用。

4 壓電式監測法

光電式、電容式和“機器視覺+數字圖像處理”均為典型的非接觸播種監測方法，而壓電式監測法是接觸式播種監測技術，該類型傳感器通過壓電薄膜等壓力傳感器采集種粒下落沖擊力，將壓力值轉變為電壓脈沖信號。

孫國俊等[31]通過PVDF 雙壓電薄膜傳感器構建了播種機性能監測系統，設置參照壓電薄膜，基于遲滯原理通過“邏輯運算模塊+施密特電路”消除比較器抖動干擾，濾除外部振動信號干擾，實現對玉米精量排種器排種合格率、重播率、漏播率等性能參數的監測。王金武等[32]以彈射式耳勺型水稻穴直播排種器為研究對象，通過PVDF 壓電薄膜和ATmega328PMCU 控制器構建水稻穴直播監測系統，設計相應導種管確定播種故障判定算法，該系統能夠有效采集輸出信號并獲取系統重播監測精度和漏播監測精度等。丁幼春等[33]以小粒徑種子流為研究對象，設計油菜排種器種子流監測裝置，通過種子與壓電薄膜之間碰撞信號特征設計了“沉槽基板+壓電薄膜感應結構”，實現對高頻種子流的檢測，提高了系統的穩定性。黃東巖[34]等通過聚偏二氟乙烯（polyvinylidencefluoride，PVDF）壓電薄膜和單片機ST C89C52 構建排種監測系統（圖4），將落粒物理量輸出為脈沖電壓信號，實現對排種器的實時監測。

圖4 系統框圖

壓電式監測法具有成本低、結構簡單、抗塵能力強等優點，但由于其易受外部振動的影響，對安裝方式要求較高，此外該方法無法準確分辨同時、多粒狀態的接觸種子流，因而僅適用于漏播監測。

5 未來發展趨勢

隨著先進檢測方法的完善和創新，國內學者基于現有農業機械結構和工作特點構建播種監測裝置，實現了對不同類型排種器、不同作物的在線排種監測，為實現農業生產高質量發展提供技術支持，但大部分播種監測裝置存在高頻、高通量、播種檢測分辨率不高且作物兼容性不強的問題。

隨著農業機械的不斷優化和發展，高頻、寬幅必將成為其未來的發展趨勢，為實現高頻、高通種子流的精準檢測，應對相應播種檢測裝置的傳感器元件和信號處理電路進行優化，提高其檢測效率，此外應開展將高頻、高通量種子流分為多路低通量種子流的研究，從而實現其精準檢測。