國內外播種監測技術研究現狀及未來發展方向

張莉莉，牛巧萍，韓方玲

（鄭州工商學院，河南鄭州 450000）

中國耕地面積不到全球的7%，卻要養活占全球22%的人口。因此，我們必須為農作物創造最佳的條件，來實現盡可能高的農作物產量。播種作為農業生產過程中非常重要的一環，播種質量的好壞將直接影響農作物產量的高低。

隨著農業機械化的全面推廣，播種作業普遍采用各種類型的播種機來實現。排種器作為播種機的核心部件，其排種質量的好壞對播種質量將產生直接影響。目前，播種機上使用的各類型排種器通常是封閉的，我們無法通過肉眼觀察到排種質量的好壞。排種器一旦出現堵塞、缺種等情況，就會大大影響播種質量。如果后期出苗后，在漏播的位置上補苗，不僅費時費力，而且會嚴重影響農作物的產量。如果能夠在播種作業過程中及時發現缺種、漏播等情況，就能夠及時采取措施減少損失。目前，國內外專家學者普遍采用壓電監測法、光電監測法、電容監測法、機器視覺+圖像監測法實現對播種質量的監測。為了更好地適應發展需求，本文在介紹了國內外主要播種監測技術的工作原理、系統組成、適用對象等的基礎上，分析了播種監測技術的研究現狀及未來的發展趨勢。

1 研究現狀

1.1 壓電監測法

1.1.1 工作原理

壓電監測法主要使用的是各類型的壓電薄膜材料[如聚偏二氟乙烯（PVDF）]來實現種子的監測。當種子作用于壓電薄膜上時，該薄膜就會產生拉伸或彎曲變形，并在壓電薄膜的上下電極表面之間產生一個電信號，作用于壓電薄膜的種子類型不同，該薄膜產生的拉伸或彎曲的變形程度就不同，從而實現對各類型種子的監測。基于壓電薄膜材料設計的傳感器一般安裝在播種機的分配器頭中或者安裝在每個播種軟管中，大大提高了監測準確率。

1.1.2 應用現狀

在國外，德國學者Meyer 等基于氣動播種機設計的播種監測裝置，能夠適用于任何類型的播種機[1]。通過觸摸式壓電材料設計的頭部壓電傳感器（見圖1）可以實現種子流的監測，設計的軟管壓電傳感器（見圖2）能夠實現種子流的堵塞監測，監測精度高、靈敏度好。

圖1 頭部壓電傳感器

圖2 軟管壓電傳感器

在國內，丁幼春等基于PVDF 壓電薄膜設計的傳感器實現了油菜等中小粒徑種子流的監測，該傳感器能夠將油菜等中小粒徑種子流序列信號轉化成排種脈沖序列信號，從而實現對排種頻率、排種總量等排種信息的監測，試驗表明監測準確率不低于99.1%[2]。黃東巖等基于國產指夾式排種器設計了排種監測系統（見圖3），該系統采用PVDF 壓電薄膜作為敏感元件，將玉米的落粒物理量轉變成脈沖電壓信號，再通過STC89C52 單片機的處理實現了玉米播種過程中播種總量、播種速度、播種面積、漏播率等性能指標的實時監測[3]。王樹才等基于壓電聲電傳感器設計的氣吹式排種器播種監測系統，能夠將單粒玉米排種信號轉化成脈沖電壓矩形波信號，從而實現對合格率、重播率、漏播率、標準差、變異系數等性能參數的監測[4]。

圖3 播種機排種監測系統

1.1.3 優缺點

壓電監測法屬于接觸式監測法，需要種子顆粒與敏感元件發生碰撞后，才能實現對其的感應。雖然壓電監測法監測準確率高，但由于田間環境復雜，易受振動干擾，且一般需要將傳感器安裝在排種管中，這樣勢必會影響種子在下落過程當中的軌跡，進而對播種質量產生一定的影響。

1.2 光電監測法

1.2.1 工作原理

國內外專家、學者對于光電監測法的研究已經延續了很多年，并且在不同類型的播種機、排種器上進行了研究。其主要工作原理是通過種子下落時對光電傳感器發射端發出的光束遮擋，從而影響接收器接收到的光照強度，進而影響產生的電壓信號，再經過處理器的處理來實現種子的監測。

1.2.2 應用現狀

在國外，Kumar 等基于紅外傳感器設計了一種用于監測播種機輸送管中種子流動和堵塞的嵌入式系統，該系統有2 個分別用于音頻和視頻輸出的獨立蜂鳴器和紅色發光二極管；當出現缺種或者堵塞時，該系統就會發出聲光報警信號來告知司機[5]。Karimi 等基于紅外種子傳感器設計并構建了播種機監測系統，在所提出的監測系統中，種子流傳感器被單獨安裝在配備有13個播種裝置的播種機上，能夠實現各項播種性能指標的實時監測[6]。Mallahi 等基于光纖傳感器設計了谷物條播機播種監測系統，實現了室內條件下種子流的監測；在考慮了機器在室外運行的條件和環境后，將傳感器安裝在谷物條播機內，對在室內開發的估計模型和算法進行了修改，消除了室內實驗中由于變速而導致的高估或低估偏差，以及可能由灰塵、振動或傳感器內阻變化引起的傳感器輸出值誤差；結果表明，該監測系統可用于谷物播種機中的種子流的實時監測，在精準農業中應用廣泛[7]。約翰迪爾公司基于光電傳感器設計了精量播種機播種監測系統[8]，可根據作物類型、機器和機具尺寸型號進行參數設置，實現對種子的監測，并能將監測信息傳輸給Seed Star監測儀（見圖4）進行實時顯示，從而實現對播種過程中漏播、重播等播種質量的監測，并將數據記錄并發送到運營中心進行數據同步分析。

圖4 Seed Star監測儀

在國內，紀超等基于氣吸式玉米免耕精量播種機設計了排種監測系統，該系統以紅外發射二極管為信號發射端、以光電二極管為信號接收端，以旋轉式透明防塵罩為自清潔除塵裝置，實現了玉米播種過程中播種量、重播、漏播等性能指標的判定[9]。朱瑞祥等基于激光光電傳感器設計的大籽粒作物漏播自補種裝置，通過激光光電傳感器監測槽格內是否漏種，并利用超越離合器的單向鎖合原理實現補種[10]。李雷霞等基于紅外發光二極管和光敏三極管設計了精密播種機排種性能監測系統，實現了多行精密播種全程的無盲區監測，穩定可靠[11]。張繼成等基于紅色高亮度發光二極管和光敏電阻設計的光敏傳感器精密播種機監測裝置，實現了播種總量的實時監測，并可對播種作業過程中肥料的堵塞、排空有較好的監測效果[12]。

1.2.3 優缺點

光電監測采用的光電傳感器結構簡單、使用方便。當監測的種子為玉米、花生等顆粒較大的種子時，遮光效果明顯，監測精度高、效果好。但對于中小粒徑種子，由于其遮光效果一般，尤其是重播不易被發現，其監測準確率有待進一步提高。同時，由于田間作業環境復雜，光線的穿透能力會因各種因素有所削弱，從而影響光電傳感器的監測精度，因此其適應性有待進一步改進提升。

1.3 電容監測法

1.3.1 工作原理

電容監測法就是采用各種類型的電容器作為傳感元件，將種子信號轉換成為電容變化量，從而實現對種子的監測。該類型的傳感器可實現非接觸測量，而且測量靈敏度高。國內外專家學者基于電容原理設計的各類電容傳感器能夠實現對不同類型種子的監測。

1.3.2 應用現狀

Kumhála 等使用測量阻抗和相位角的儀器，加上平行板電容系統設計的傳感器能夠實現對花生、玉米、堅果等含水量監測[13]。Taghinezhad 等基于電容傳感器設計了甘蔗播種監測系統，該系統能夠實現甘蔗胚播種過程中漏播、重播等指標的實時監測[14]。周利明等基于差分結構的電容傳感器設計了棉籽質量流量監測系統，在綜合考慮環境溫度、棉花品種、含水率等影響的基礎上，確定了籽棉質量流量與電容響應的關系，建立了擬合回歸模型，從而提高了對棉籽監測的準確率[15]。陳建國基于電容傳感器設計了小麥精量播種機播種量監測系統，根據檢測分辨率、播種速度與采樣頻率的約束關系設計了電容傳感器的結構，由監控參數和輸入的外界參數確定了所使用的人機交互界面，監測精度超過99.57%[16]。徐洛川等基于氣吸式穴播器設計了一種叉指型電容傳感器棉花穴播取種狀態監測系統，改善了傳統排種監測裝置不適配且易受環境溫濕度影響的問題，實現了對棉花正常單粒播種、重播和漏播的準確判定[17]。

1.3.3 優缺點

電容監測法的研究主要停留在大中粒徑種子上，對于芝麻等微小粒種子的監測還鮮有涉及，主要原因是微小粒種子很難引起電容傳感器電容量的變化，很難被感應到。在大中粒徑種子的研究方面，雖然已經有些研究，但由于寄生電容等的干擾，其監測精度有待進一步提升。

1.4 機器視覺+圖像監測法

1.4.1 工作原理

隨著計算機處理能力的提升和視覺圖像檢測技術的發展，機器視覺+圖像監測法被廣泛用于各類播種機、排種器性能指標的監測。機器視覺+圖像監測法的原理就是采用各類型的相機獲取排種器排種過程中的圖像，經過圖像處理系統處理后，再傳給計算機進行分析，從而實現排種性能指標的實時監測。

1.4.2 應用現狀

Navid 等使用尼康數碼相機在實驗室環境下對排種裝置的重播、漏播和播種均勻性等性能進行了評估[18]。Kim 等為了實現葫蘆類蔬菜大種子在插盤上在線播種狀態的實時監測，開發了一種基于機器視覺的自動播種系統；該系統實現了種子的識別，并能在必要時校正種子方向，然后將種子播種在插盤中；該播種監測系統采用閾值技術將種子圖像分割為種子部分和背景部分，然后分析圖像中種子的外接矩形中心和種子中心等幾何特征，以確定種子的方向和位置；該系統識別和重定向種子大約需要49 ms，成功率為95%[19]。Karayel 等基于高速攝影系統設計了一種用于評估種子間距均勻性和種子下落速度的系統，并基于小麥和大豆種子進行了測試，結果表明該系統沒有遺漏任何種子[20]。Arzu Yazgi 等基于高速攝影系統設計了播種監測系統；在考慮播種速度、種子孔直徑等變量的基礎上采用響應面分析法（RSM）優化精密播種機的播種均勻性能，并驗證了變量的最佳水平；試驗表明棉花種子精密播種的最佳真空壓力、孔徑分別為5.5 kPa、3 mm[21]。

青島理工大學的Lin 等基于小麥精密播種機設計的播種監測裝置，利用圖像處理技術對落到皮帶上的種子進行圖像采集，然后對這些圖片進行處理和分析，計算出合格率、漏播率、補種率等[22]。王玉順等基于用CCD 攝像機設計了種子條播排種器性能監測系統，能夠實時監測排種器的各項性能指標[23]。蔡曉華等基于低照度工業攝像機設計了監測系統，通過預處理式動態閾值法減少了種子信息的丟失，應用種子分布樣本實現了種子識別與粒距測量，監測誤差小于±1 mm[24]。趙鄭斌等基于機器視覺技術設計了穴盤精密播種機播種性能監測系統，能夠實現種子合格率、漏播率、重播率等性能指標的實時監測，對重播的監測精度為98.94%，對漏播的監測精度為99.33%[25]。

1.4.3 優缺點

機器視覺+圖像監測法的研究較早，監測的范圍也非常廣泛，與其他幾種監測方式相比，監測準確率更高。但機器視覺+圖像監測法也有很明顯的缺點，如設備價格昂貴，很難在播種監測系統中推廣應用，多用于實驗室驗證。

2 未來發展方向

播種監測是實現各類型精量直播機智能化發展的重要組成部分。目前，國內外播種監測普遍采用壓電監測法、光電監測法、電容監測法及視覺+圖像監測法，這些方法各有自己的優缺點。為了更好地適應發展需求，結合我國的實際情況，筆者認為未來播種監測技術的3個發展方向：主要向高頻、寬輻方向發展，研發適應高頻、寬幅的播種監測系統；將播種監測系統中融入高精度的定位系統，實現在播種作業過程當中實時生成播量圖、播種性能指標狀態圖（漏播狀態、重播狀態、合格狀態）等；針對目前各類型監測系統普遍出現的抗干擾能力差、適應性差等問題，在借鑒國外研發的基礎上，開發出適合我國各類型播種機的傳感系統。