智慧農業種子傳感器設計原理研究

章習習，白 浩

（濰柴動力股份有限公司電控與軟件研究院，山東濰坊 261061）

0 引言

目前，大多數行栽作物是通過精密播種機種植的，部分精密播種機上使用了種子傳感器，用以時時監測種子播種的數量以及均勻性，以幫助農民準確了解播種信息、預測作物產量。本文主要闡述種子傳感器的設計原理以及未來發展方向。

1 種子傳感器研究現狀

隨著農業的快速發展，現代農業逐漸發展為全流程機械化生產模式。播種作為農業生產的第一步，在播種過程中，確保每個種子都被正確、均勻地播下是至關重要的。種子傳感器是為播種機上掉落或吹落的種子計數而研發制造的，由于光學傳感器成本低、精度高，已逐步應用于農業生產。光電種子計數傳感器在市面上比較常見，其原理如圖1所示。當種子穿過傳感器時，下落過程中，發光二極管光線接收強度變化量會發生變化，從而引起電壓信號的變化，會產生一個計數脈沖，并且脈沖寬度與種子遮擋光線的變化量成對應關系。

圖1 光電種子計數傳感器基本原理

DIGITROLL Kft公司開發出一款基于光電原理的種子傳感器。DIGITROLL Kft公司的播種傳感器DS1000i、DS2000i能夠通過種子形狀和種子大小的設置進行微調，檢測出雙倍/三倍的種子掉落或遺漏，也能夠檢測并顯示種子傳感器上的灰塵積聚或堵塞情況。MC Elettronica srl公司的UNI-SEEDER TIN通過種子傳感器集成了一個自適應算法，能夠根據工作情況改變其性能，分辨率高。DICKEY-john公司HY RATE PLUS?LED 種子傳感器工作原理是光檢測，發光二極管在種管內形成一層薄薄的光場，在另一側有一個光電探測器，可以連續監測光的強度。該傳感器能夠準確監測多種種子類型，可以快速了解正在種植的種子類型，并相應地調整其檢測靈敏度。該傳感器也可以在多塵條件下自動調整檢測靈敏度。

中國農業大學楊麗教授、張東興教授團隊開發出一款基于微波檢測方法和信號計算模型的智能種子傳感器。該類型種子傳感器一定程度上可以克服光電原理型種子傳感器易受灰塵和光線影響且對于識別多個重疊的種子有一定的難度等缺點。該類型種子傳感器采用微波射頻前端作為信號源，產生24 GHz的電磁波信號，傳感器與種子之間的相對運動將產生微弱的中頻信號，傳感器對中頻信號進行放大濾波后，產生原始脈沖信號，通過采用高精度模數轉換器ADS1256對放大后的原始信號進行采集，并記錄產生的電壓信號，根據電壓信號計算模型確定種子個數，輸出相應的種子信號。試驗結果表明，該智能種子傳感器對單顆種子的監測準確率達到99%以上，對雙顆重疊種子的識別準確率達到56.3%，具有更好的綜合性能。圖2展示了智能種子傳感器的微波射頻前端以及放大和濾波電路的設計。

圖2 智能種子傳感器

解春季等人開發出一款基于激光傳感器和無線串口通信的精密播種機播種參數監測系統。該檢測系統克服播種系統參數監測精度低、監測參數以播種量為主、數據通信采用有線連接、通信距離短、布線復雜、可擴展性差等缺點，該系統包括激光傳感器設計、控制器參數采集與計算設計、上位機人機交互軟件設計、無線通信方式設計、故障報警設計以及測速功能。部分監控系統如圖3所示。該監控系統能夠準確、及時地對故障進行報警，報警成功率達到100%，故障報警平均響應時間小于0.5 s。通過驗證，監測系統能夠實現快速、準確、實時、無線的精密監控功能。

圖3 （a）激光傳感器的電路設計（b）控制器硬件電路設計（c）播種過程無線通信監控方法的設計

Nikolay Zagainov等人研究出一歀用于種子計量裝置的新型激光種子計數傳感器。如圖4（a）所示，傳感器使用一個線激光器和7個光電晶體管作為激光傳感元件，可以掃描種子計量裝置釋放點的區域（而不是一條線），來自光電晶體管的信號通過NAND門組合并傳輸到Android設備，能夠對播種機進行實時監測和故障檢測。圖4（b）展示傳感器的由PCB、激光器和3D打印框架組成。圖4（c）展示了種子計數傳感器實驗裝置包括種子計量裝置、種子計數傳感器以及種子收集器。該裝置開發的嵌入式軟件和Android應用程序使用藍牙低功耗技術實現了簡單的物聯網功能，對農業物聯網的發展有著重要的意義。

圖4 （a）激光種子計數傳感器的工作原理（b）種子計數傳感器的組成（c）種子計數傳感器實驗裝置

2 種子傳感器未來發展趨勢

隨著鄉村振興戰略的全面推進、規?；r業作業趨勢發展以及智慧農業的興起，包含種子傳感器技術在內的一系列先進農業作業技術將在解放農村生產力、建設農業強國、實現全面鄉村振興中發揮巨大作用。種子傳感器將更加智能化、集成化，可以為農民提供更多的意見，提高農作物的產量和質量。

3 結語

綜上所述，本文主要闡述了基于不同原理的種子傳感器研究和發展。種子傳感器設計原理可以分為圖像檢測法、壓電檢測法、光電檢測法以及基于通訊串口、軟件算法相結合等原理。隨著人工智能、物聯網等技術的發展，種子傳感器將與其他農業設備進行深度融合，形成一個完整的智慧農業生態系統，為農業生產提供全方位的技術支持，助推全面建設社會主義現代化國家。