基于PVDF和同面弧面電容的小麥產(chǎn)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：

為獲得小麥聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)產(chǎn)量信息，設(shè)計(jì)一種集成式、低成本小麥產(chǎn)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括PVDF壓電薄膜傳感器、同面弧面式U型電容傳感器、4G通信、衛(wèi)星定位模塊等，以集成的方式安裝在糧箱輸糧攪龍出口。基于KEIL5嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)小麥聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中小麥產(chǎn)量及含水率等信息的顯示、存儲(chǔ)與通信等功能。搭建小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)構(gòu)建小麥產(chǎn)量及含水率的檢測(cè)數(shù)學(xué)模型，多元線性回歸模型決定系數(shù)分別為0.949和0.989。將該檢測(cè)系統(tǒng)安裝在小麥聯(lián)合收獲機(jī)糧箱上方輸糧攪龍出糧口處進(jìn)行田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：產(chǎn)量檢測(cè)整體誤差≤4.01%，含水率檢測(cè)整體誤差≤3.88%。該檢測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)小麥聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)量及含水率的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：小麥；聯(lián)合收獲機(jī)；產(chǎn)量；水分；實(shí)時(shí)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：S225.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 03-0230-08

收稿日期：2023年9月19日" 修回日期：2023年12月22日*

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（CARS—03）

第一作者：李從鵬，男，1999年生，鄭州人，碩士；研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程。E-mail： 2486392309@qq.com

通訊作者：王萬(wàn)章，男，1963年生，河南洛陽(yáng)人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)工程裝備、機(jī)電一體化及信息技術(shù)應(yīng)用。E-mail： wangwz@henau.edu.cn

Design of a wheat yield detection system based on PVDF and

co-planar curved surface capacitors

Li Congpeng1， Wang Miaosen2， Chen Xu1， Ji Hong1， Huang Wenkang1， Wang Wanzhang1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China;

2. Zhengzhou Railway Vocational and Technical College， Zhengzhou， 450002， China）

Abstract：

To obtain the yield information of wheat combine harvester operations， an integrated and low-cost real-time wheat yield detection system is designed. The hardware system adopts a PVDF piezoelectric film sensor， a co-planar curved surface U-shaped capacitive sensor， 4G communication， and satellite positioning modules， which are installed at the outlet of the grain tank auger in an integrated way. Based on the KEIL5 embedded development platform， the software system designs a human-machine interface to display， store， and communicate information such as wheat yield and moisture content during combine harvester operations. A test bench for wheat yield and moisture content detection is built， and a mathematical model for detecting them is constructed through experiments. The coefficients of determination for the multiple linear regression model are 0.949 and 0.989， respectively. The detection system is installed above the wheat combine harvester grain tank at the auger discharge outlet for field testing. The results show that the overall error for yield detection is ≤4.01%， and the overall error for moisture content detection is ≤3.88%. The system features simple structure and easy installation and realizes real-time detection of yield and moisture content in wheat combine harvesters.

Keywords：

wheat; combine harvesters; yield; moisture content; real-time detection

0 引言

農(nóng)作物生產(chǎn)收獲過(guò)程中，谷物產(chǎn)量、含水率等參數(shù)是數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要信息，其在空間上的變異性反映了種植過(guò)程中農(nóng)田水肥施用、病蟲(chóng)草害治理情況以及土壤狀況等［1， 2］。谷物聯(lián)合收獲機(jī)智能檢測(cè)系統(tǒng)可在作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取谷物喂入流量、水分含量、作業(yè)面積和定位等信息，實(shí)現(xiàn)谷物產(chǎn)量和含水率的測(cè)量，可以更好地為下一季農(nóng)作物田間管理提供有益信息，從而實(shí)現(xiàn)按需投入、節(jié)本增效的目的，為全面推行數(shù)字化農(nóng)業(yè)技術(shù)提供決策和技術(shù)支撐［3］。

早在20世紀(jì)90年代就有許多國(guó)外著名農(nóng)機(jī)制造企業(yè)對(duì)谷物測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)展研究。1992年，谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器首次以產(chǎn)品的形式推向市場(chǎng)［4］。國(guó)外其他廠商也開(kāi)發(fā)了一系列商業(yè)化谷物產(chǎn)量在線檢測(cè)系統(tǒng)，例如AFS系統(tǒng)、Green Star系統(tǒng)、Grain-Trak系統(tǒng)、PF advantage系統(tǒng)以及Yield Trakk系統(tǒng)等［5］。目前，國(guó)內(nèi)商品化的谷物產(chǎn)量檢測(cè)系統(tǒng)較少，大多處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，許多科研院所和高校都開(kāi)展了谷物產(chǎn)量檢測(cè)以及含水率檢測(cè)技術(shù)方面的研究，其中谷物產(chǎn)量檢測(cè)方式可分為稱重式、沖量式、光電式及機(jī)器視覺(jué)［6］。張小超等［7］提出一種以稱重法為基礎(chǔ)的聯(lián)合收獲機(jī)收獲糧食產(chǎn)量分布信息測(cè)量方法，采用螺旋推進(jìn)稱質(zhì)量式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)量流量測(cè)量。基于沖量式原理的產(chǎn)量檢測(cè)傳感器是當(dāng)前研究熱點(diǎn)［8-10］，李新成等［11］研制了基于沖量式原理的弧形沖量傳感器，并開(kāi)發(fā)了與之功能對(duì)應(yīng)的硬件軟件模塊，田間試驗(yàn)表明測(cè)產(chǎn)誤差在8.03%以下。付興蘭［12］研發(fā)了一種基于光電漫反射原理的谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在谷物運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上建立了谷物產(chǎn)量光電轉(zhuǎn)換模型，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，漫反射型谷物體積傳感器最大測(cè)量誤差為2.17%。谷物含水率檢測(cè)方法大致可分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)［13］，有損檢測(cè)又稱為直接法，具有通用性且常被用作行業(yè)參考標(biāo)準(zhǔn)，但存在耗時(shí)、具有破壞性等缺點(diǎn)。無(wú)損檢測(cè)屬于間接方法，通過(guò)含水率與谷物各參數(shù)之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型并獲得測(cè)量值［14，" 15］。為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)在收獲過(guò)程中能夠?qū)任锼诌M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，眾多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)谷物含水率無(wú)損檢測(cè)的研究。其中采用電容法和電阻法的應(yīng)用較多。陳進(jìn)等［16］設(shè)計(jì)了一種基于高頻電容的聯(lián)合收獲機(jī)谷物含水率在線監(jiān)測(cè)裝置，采用高頻激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容極板充放電的檢測(cè)原理進(jìn)行含水率監(jiān)測(cè)，室內(nèi)靜態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)最大相對(duì)誤差為1.57%，田間試驗(yàn)表明含水率監(jiān)測(cè)的最大相對(duì)誤差為2.07%。王金武等［17］研發(fā)了兼具二次篩分除雜功能的稻谷實(shí)時(shí)采樣裝置，基于該裝置采用電容法設(shè)計(jì)了聯(lián)合收獲機(jī)稻谷含水率在線檢測(cè)系統(tǒng)，室內(nèi)試驗(yàn)表明檢測(cè)系統(tǒng)最大誤差為0.42%，平均誤差為0.22%，田間試驗(yàn)表明檢測(cè)裝置相對(duì)誤差小于3%。

綜上所述，關(guān)于谷物產(chǎn)量檢測(cè)和含水率檢測(cè)系統(tǒng)的研究均為互相獨(dú)立的開(kāi)發(fā)模塊。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)谷物產(chǎn)量和含水率在聯(lián)合收獲機(jī)上快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)一種低成本的小麥聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)量與含水率的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，采用PVDF壓力傳感器和同面弧面式U型電容傳感器集成的方式分別對(duì)谷物產(chǎn)量和含水率進(jìn)行檢測(cè)，開(kāi)發(fā)基于KEIL5嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)、室內(nèi)標(biāo)定與驗(yàn)證試驗(yàn)和田間驗(yàn)證試驗(yàn)，以期保證谷物產(chǎn)量與含水率在線檢測(cè)裝置的精度和穩(wěn)定性。

1 檢測(cè)裝置整體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)裝置如圖1所示，主要包括同面弧面式U型電容傳感器、PVDF壓電薄膜主、副傳感器、殼體等。為便于安裝固定，在U型電容傳感器下方增加一個(gè)與輸糧攪龍筒外圓半徑相同的弧形鋼板，安裝時(shí)將U型電容傳感器插入到糧箱上方輸糧筒內(nèi)，外圈采用緊箍進(jìn)行固定，如圖2所示。

輸糧筒內(nèi)小麥的運(yùn)移情況對(duì)PVDF壓電薄膜傳感器測(cè)產(chǎn)精度有很大影響，采用EDEM軟件對(duì)小麥在輸糧攪龍作用下的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行仿真分析。將顆粒工廠設(shè)置在輸糧筒喂入上方，生成的小麥籽粒將會(huì)在重力作用下落入輸糧筒內(nèi)，隨著攪龍旋轉(zhuǎn)而被推送向前運(yùn)行，先經(jīng)過(guò)小麥含水率傳感器，再在攪龍的持續(xù)推進(jìn)下打擊在產(chǎn)量檢測(cè)傳感器表面。

在統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果時(shí)，主要分析放置在輸糧攪龍出口處的3個(gè)接料盒，仿真結(jié)果如圖3所示，不同轉(zhuǎn)速下攪龍的正前方收集盒內(nèi)的小麥籽粒重量最大，右側(cè)收集盒內(nèi)收集的小麥籽粒重量最小，左側(cè)收集盒收集小麥籽粒重量介于兩者之間。為驗(yàn)證攪龍轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒分布的影響，改變攪龍轉(zhuǎn)速共進(jìn)行6次仿真，仿真結(jié)果如表1所示。

仿真分析發(fā)現(xiàn)，接料盒3即前方接料盒最重，且攪龍轉(zhuǎn)速為400～600r/min時(shí)，小麥籽粒向前運(yùn)移的流量最大。因此，將小麥產(chǎn)量檢測(cè)傳感器的主傳感器（圖1中PVDF壓電薄膜主傳感器）設(shè)置在正對(duì)輸糧筒出口的位置，以此獲取最大、相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)輸出值。

1.2 檢測(cè)原理

1.2.1 壓電薄膜傳感器

采用PVDF作為壓電沖量式谷物流量傳感器。靜態(tài)條件下，傳感器兩根引線之間的電阻非常大。當(dāng)感應(yīng)區(qū)域受壓時(shí)，相互分離的線路導(dǎo)通，金屬端口的輸出電阻隨壓力增大而變小，在薄膜上下電極表面之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，應(yīng)力與電信號(hào)成一定的比例，如式（1）所示。

Q=D×F

（1）

式中： Q——電信號(hào)；

D——

介電常數(shù)，測(cè)量壓電薄膜靈敏度的指標(biāo)；

F——外力。

可根據(jù)電信號(hào)判定材料所受輸糧筒內(nèi)谷物流碰撞力的大小，進(jìn)而判斷出流過(guò)谷物的量［18］。

1.2.2 電容傳感器

小麥含水率傳感器設(shè)計(jì)采用電容法原理進(jìn)行，小麥籽粒和水具有不同的介電特性，當(dāng)不同含水率的小麥充滿信號(hào)檢測(cè)同面弧面?zhèn)鞲衅鲿r(shí)，傳感器檢測(cè)的電容不同［19］。

當(dāng)電容極板中充滿小麥籽粒時(shí)，小麥籽粒中游離水分的含量變化將引起其介質(zhì)常數(shù)ε變化，如式（2）所示。

ε=ε（M）

（2）

因此，當(dāng)電容極板即電容檢測(cè)裝置極板結(jié)構(gòu)固定時(shí)，電容檢測(cè)裝置的電容值C只受極板結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的介電常數(shù)ε的影響，如式（3）所示。

C=C（ε）

（3）

結(jié)合式（2）和式（3）可將電容檢測(cè)裝置的電容值C和小麥籽粒含水率M的關(guān)系表述如式（4）所示。

C=Cε（M）

（4）

基于此原理及式（4），通過(guò)后續(xù)電容檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)、電容檢測(cè)極板排布及固定方式的選擇，可以確定小麥含水率檢測(cè)裝置的方案。

1.3 集成裝置的工作原理

為解決產(chǎn)量檢測(cè)與含水率檢測(cè)模塊相互獨(dú)立的現(xiàn)狀，在U型電容傳感器下方增加一個(gè)弧形鋼板，將PVDF壓電薄膜傳感器和U型電容傳感器嵌入到同一殼體內(nèi)，輸送的過(guò)程中籽粒充滿輸糧筒內(nèi)壁，流經(jīng)同面弧面式U型電容傳感器后撞擊在PVDF壓電薄膜傳感器表面，電容傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器檢測(cè)到小麥籽粒數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)根據(jù)傳感器檢測(cè)的電壓和電容擬合分析出檢測(cè)谷物的產(chǎn)量和含水率示值并存儲(chǔ)，以集成的方式實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量。

2 小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置硬件主要包括PVDF薄膜壓力傳感器、線性電壓轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、電容傳感器、4G傳輸模塊、衛(wèi)星定位模塊和人機(jī)交互等模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.1 PVDF壓電薄膜傳感器模塊

檢測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)量由PVDF壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低等特點(diǎn)。谷物流量監(jiān)測(cè)裝置中壓力傳感器信號(hào)采集由核心處理器與逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC完成。采集過(guò)程中共需采集三路傳感器的信號(hào)，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取三通道的數(shù)據(jù)。通過(guò)線性電壓轉(zhuǎn)換模塊將阻值變?yōu)殡妷褐递敵觯x取電壓值后由ADC值轉(zhuǎn)換為壓力值，采集頻率為每秒鐘采集10次，取平均值，數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

2.1.2 溫度傳感器模塊

選用體積較小的數(shù)字輸出集成溫度傳感器DS18B20進(jìn)行環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。DS18B20數(shù)字溫度傳感器通過(guò)對(duì)配置寄存器的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)9～12位的攝氏溫度測(cè)量精度，并且不會(huì)因設(shè)備斷電而丟失的過(guò)溫和低溫觸發(fā)的報(bào)警功能。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-55℃～125℃，在溫度低于-10℃和超過(guò)85℃時(shí)，精度為±0.5℃。DS18B20數(shù)字溫度傳感器可以不需要外部電源而由數(shù)據(jù)線供電。由于每個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器都有一個(gè)獨(dú)特的64位二進(jìn)制ID，因此，可以多個(gè)DS18B20同時(shí)連接在同一條1—Wire總線上。在DS18B20高速暫存器中有2byte用于存儲(chǔ)溫度傳感器輸出數(shù)據(jù)的溫度寄存器。

2.1.3 電容傳感器模塊

電容傳感器采用同面弧面式U型結(jié)構(gòu)。電容極板被彎曲成弧面布置在同一半徑的圓周上，采用3塊極板的布置方式如圖6所示，其中一塊為驅(qū)動(dòng)極板其余兩塊為感應(yīng)極板，中間位置為驅(qū)動(dòng)極板，左右兩側(cè)分別為感應(yīng)極板Ⅰ、感應(yīng)極板Ⅱ。

通過(guò)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)DC2214可同時(shí)測(cè)量多個(gè)電容值，且具有自動(dòng)校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能。核心處理器每隔1s獲取一次電容信息進(jìn)行存儲(chǔ)并采用，經(jīng)過(guò)標(biāo)定的小麥含水率檢測(cè)模型輸出小麥籽粒的含水率值，數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

2.1.4 4G數(shù)據(jù)傳輸模塊

為實(shí)時(shí)獲取小麥?zhǔn)斋@過(guò)程中的信息，增加 4G無(wú)線傳輸模塊，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的要求，結(jié)合農(nóng)業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)3種數(shù)據(jù)通信模式，即4G—CLOUD模式、AP—TCP模式和AP—UDP模式。其中4G—CLOUD模式可以保證在不同操作環(huán)境和傳輸距離下穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.5 定位模塊

檢測(cè)系統(tǒng)的定位選用ATK1218-BD定位模塊［20］，該模塊可以實(shí)現(xiàn)北斗和GPS雙模定位，工作溫度為-40℃～85℃，滿足田間作業(yè)的環(huán)境使用需求。使用時(shí)，將有源天線放置在外部，臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)吸附在臺(tái)架上，田間試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)EVA膠將其安裝在小麥聯(lián)合收獲機(jī)駕駛室頂部。

2.1.6 人機(jī)交互模塊

由于在小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)系統(tǒng)使用過(guò)程中需要完成對(duì)產(chǎn)量和含水率的檢測(cè)，人機(jī)交互模塊需要完成對(duì)系統(tǒng)具體參數(shù)（如定位開(kāi)關(guān)、工作狀態(tài)、收獲地塊大小等）的設(shè)置，完成對(duì)小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)過(guò)程中主要信息（如產(chǎn)量、谷物含水率、位置等）的可視化顯示。選用可編程的TTL顯示屏，驅(qū)動(dòng)IC為F1C100S，該顯示屏具備完整的字庫(kù)，包括矢量字庫(kù)、ASCII西文字庫(kù)等，采用觸摸屏的上位軟件，可以實(shí)現(xiàn)交互控件的布局與設(shè)計(jì)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件整體分為主程序、傳感器信號(hào)采集程序、串口通信程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、計(jì)算程序等。運(yùn)行時(shí)，首先由主程序?qū)惭b好的整體系統(tǒng)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，然后，復(fù)位確保采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，完成各模塊的初始化。在工作時(shí)由主程序負(fù)責(zé)各模塊的數(shù)據(jù)采集與匯總并保存至SD卡顯示在上位機(jī)。

檢測(cè)裝置以STM32F103ZET6微控制器單元為核心，實(shí)現(xiàn)小麥產(chǎn)量和含水率在線檢測(cè)，下位機(jī)所有程序的開(kāi)發(fā)均在KEIL5平臺(tái)完成。上位機(jī)在Visual Studio 2019軟件用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，分為3種模式：開(kāi)始模式、停止模式和復(fù)位模式；上位機(jī)功能為調(diào)控和監(jiān)視各模塊工作狀態(tài)，上位機(jī)監(jiān)控界面如圖8所示，軟件流程如圖9所示。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 標(biāo)定與驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1.1 含水率模型建立

使用電子天平稱取若干份相同質(zhì)量的百農(nóng)207小麥裝于密封袋，采用向小麥籽粒中添加蒸餾水的方法制備不同含水率的試驗(yàn)樣品［21］。利用水分儀測(cè)定小麥籽粒樣品的含水率記為H0，依據(jù)田間收獲時(shí)小麥籽粒含水率為12%～23%時(shí)進(jìn)行配置待測(cè)樣品。制備不同含水率小麥籽粒的方法依據(jù)初始含水率H0，低于設(shè)定值就噴水進(jìn)行均勻攪拌，高于設(shè)定值就放置在室溫下進(jìn)行干燥每隔8h采用快速水分測(cè)定儀進(jìn)行檢測(cè)；其中，需要添加的水量按照式（5）計(jì)算，將制備好的小麥籽粒裝入密封袋中放入冷藏柜中待水分吸收完全，確保含水率始終保持在設(shè)定值。

G=gH0-H1100-H0

（5）

式中： G——需添加水的質(zhì)量，kg；

g——小麥籽粒樣品質(zhì)量，kg；

H0——小麥籽粒初始含水率，%；

H1——設(shè)定含水率，%。

不同的含水率的小麥樣本制備后，利用智能LCR測(cè)試儀對(duì)不同含水率和不同溫度下小麥電容值進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)定試驗(yàn)共進(jìn)行5組，每組重復(fù)10次取平均值。含水率—溫度—電容變化曲線關(guān)系如圖10所示。

由圖10可知，電容值與含水率和溫度呈顯著相關(guān)關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到含水率與溫度和電容間關(guān)系的擬合方程，相關(guān)系數(shù)R2=0.989，滿足含水率檢測(cè)的需求，擬合方程如式（6）所示。

y=

14.12-0.077x1-1.003 2x2+0.003 6x1x2-

0.001 2x12+0.055x22

（6）

式中： x1——溫度；

x2——電容。

為確保模型準(zhǔn)確，對(duì)含水率檢測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證，在實(shí)際收獲含水率12%～23%時(shí)設(shè)置5組小麥待測(cè)樣品，每組檢測(cè)10次，取平均值，與用水分測(cè)定儀測(cè)定的實(shí)際含水率對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，5組試驗(yàn)最大誤差為4.97%，平均誤差為3.65%，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際值偏差較小，結(jié)果穩(wěn)定，表明正相關(guān)的線性回歸模型能夠較好地反映含水率與電容和溫度的關(guān)系。

3.1.2 產(chǎn)量模型建立

用電子秤和秒表對(duì)糧箱入糧口小麥籽粒質(zhì)量流量測(cè)算可知，當(dāng)流量調(diào)節(jié)插板打開(kāi)30%、50%、70%時(shí)，小麥籽粒質(zhì)量流量分別為1.37kg/s、2.63kg/s、4.22kg/s。稱取不同質(zhì)量小麥籽粒分別在入糧口開(kāi)口為30%、50%、70%時(shí)，改變輸糧攪龍轉(zhuǎn)速，通過(guò)電腦人機(jī)交互界面打開(kāi)串口，觀察產(chǎn)量傳感器示數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，實(shí)際產(chǎn)量與產(chǎn)量傳感器示數(shù)、攪龍轉(zhuǎn)速以及質(zhì)量流量存在顯著規(guī)律。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，多元線性回歸擬合決定系數(shù)R2=0.949，效果最好，故采用多元線性回歸進(jìn)行擬合，回歸方程如式（7）所示。

Y=6.377X1-0.001X2+0.26X3-10.398

（7）

式中： X1——產(chǎn)量傳感器示數(shù)，kg；

X2——攪龍轉(zhuǎn)速，r/min；

X3——質(zhì)量流量，kg/s。

為驗(yàn)證測(cè)產(chǎn)回歸方程有效性，調(diào)節(jié)動(dòng)力電器柜和流量調(diào)節(jié)插板來(lái)改變攪龍轉(zhuǎn)速和籽粒質(zhì)量流量，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，檢測(cè)產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量呈線性相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.943 8，斜率接近1，證明檢測(cè)產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量誤差較小，滿足測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.2 綜合檢測(cè)性能測(cè)試

為驗(yàn)證小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)系統(tǒng)綜合檢測(cè)性能，在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)臺(tái)，如圖12所示，選用當(dāng)日收獲百農(nóng)207小麥制備10組樣品，每組小麥稱重為30kg，流量開(kāi)口控制在50%，室溫維持在31℃。每組重復(fù)試驗(yàn)5次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

由圖13（a）可知，10組試驗(yàn)產(chǎn)量誤差均小于5%，并隨攪龍轉(zhuǎn)速的增加呈先減再增的U型趨勢(shì)，谷底轉(zhuǎn)速為500r/min，此時(shí)產(chǎn)量誤差最小，為1.04%，經(jīng)計(jì)算得產(chǎn)量檢測(cè)平均誤差為3.11%。由圖13（b）可知，在室溫不變時(shí)，含水率檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)誤差值趨于穩(wěn)定，均小于5%，平均誤差為3.56%。試驗(yàn)結(jié)果表明該檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)小麥產(chǎn)量與含水率。

4 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

為檢測(cè)小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)裝置在田間復(fù)雜條件影響下的檢測(cè)性能，小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)系統(tǒng)田間試驗(yàn)在河南省洛陽(yáng)市洛寧縣東宋鎮(zhèn)官莊村進(jìn)行。試驗(yàn)前測(cè)得小麥平均含水率為14.27%，容重為765g/L。試驗(yàn)所選機(jī)型為雷沃谷神GE70（4LZ-7E1）小麥聯(lián)合收獲機(jī)，配套功率為104kW，喂入量為7kg/s，工作幅寬2.56m。將小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)模型寫(xiě)入單片機(jī)，在聯(lián)合收獲機(jī)穩(wěn)定工作后進(jìn)行檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。

為剔除聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)環(huán)節(jié)中因地頭轉(zhuǎn)彎、意外停車等操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)異常點(diǎn)，采用反距離加權(quán)插值法（IDW），對(duì)異常值進(jìn)行替換賦值，計(jì)算如式（8）所示。

Zt=∑ki=1zidi－p

∑ki=1di－p

（8）

式中： Zt——待插值點(diǎn)估計(jì)值；

zi——待插值點(diǎn)周圍離散點(diǎn)數(shù)據(jù)；

di——待插值點(diǎn)與各離散點(diǎn)間的距離；

p——權(quán)重系數(shù)；

k——參與插值計(jì)算的周圍離散點(diǎn)數(shù)量。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，產(chǎn)量檢測(cè)的誤差平均值為4.01%，含水率檢測(cè)的誤差平均值為3.88%，結(jié)果如圖14所示，誤差在合理范圍內(nèi)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到測(cè)產(chǎn)精度要求，可以用于解決測(cè)產(chǎn)功能的需求。

5 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一套采用PVDF壓電薄膜和同面弧面式電容傳感器的小麥聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低的優(yōu)點(diǎn)，以集成的方式安裝在糧箱輸糧攪龍出口，對(duì)電容、溫度、壓力、衛(wèi)星定位等數(shù)據(jù)采集處理，實(shí)現(xiàn)小麥?zhǔn)斋@機(jī)作業(yè)過(guò)程中小麥產(chǎn)量及含水率實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2） 設(shè)計(jì)小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)傳感器的硬件及電路。開(kāi)發(fā)基于KEIL5嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的小麥產(chǎn)量與含水率檢測(cè)系統(tǒng)軟件。基于整體硬件選擇軟件開(kāi)發(fā)代碼編寫(xiě)，完成系統(tǒng)人機(jī)交互裝置的界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥?zhǔn)斋@機(jī)作業(yè)過(guò)程中小麥產(chǎn)量及含水率等信息的采集、顯示與存儲(chǔ)。

3） 通過(guò)分析溫度、電容以及輸糧筒質(zhì)量流量和輸糧攪龍轉(zhuǎn)速對(duì)檢測(cè)裝置的影響，構(gòu)建小麥籽粒含水率檢測(cè)模型和產(chǎn)量檢測(cè)模型，并進(jìn)行室內(nèi)臺(tái)架和田間驗(yàn)證試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)表明，含水率檢測(cè)平均誤差為3.56%，產(chǎn)量檢測(cè)平均誤差為3.11%；田間試驗(yàn)結(jié)果表明，含水率檢測(cè)平均誤差為3.88%，產(chǎn)量檢測(cè)平均誤差為4.01%，滿足設(shè)計(jì)要求。

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