免耕播種機(jī)播種深度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

閆　荊，朱龍圖，于婷婷，黃東巖，賈洪雷

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春　130118； 2. 吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春　130022)

?

免耕播種機(jī)播種深度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

閆荊1，朱龍圖1，于婷婷1，黃東巖1，賈洪雷2

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130118； 2. 吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022)

摘要：為了提高秸稈覆蓋地免耕播種作業(yè)后的出苗一致性，應(yīng)用聚偏二氟乙烯Polyvinylidence fluoride PVDF壓電薄膜制作兩種不同粘貼模式胎面形變傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)限深輪的形變量，由此間接測(cè)量播種機(jī)播種深度，并對(duì)兩種傳感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。系統(tǒng)硬件電路對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)放大濾波,提取信號(hào)峰值,系統(tǒng)根據(jù)峰值信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種深度。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種傳感器的輸出電壓均與限深輪承受的載荷成線性的正比關(guān)系；拱形傳感器的靈敏度明顯高于平鋪形傳感器，在作業(yè)速度為5～8km/h時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確率達(dá)到85%。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；免耕播種機(jī)；播種深度；壓電薄膜；單片機(jī)

0引言

旱作保護(hù)性耕作是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)，代表著先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作制度、耕作方式，是目前旱作農(nóng)業(yè)推崇的先進(jìn)、適用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的耕作方法。在保護(hù)性耕作系列流程中包括有秸稈殘留物管理技術(shù)、深松替代深翻技術(shù)、殘留物覆蓋耕作技術(shù)及藥劑鋤草免中耕4項(xiàng)技術(shù)，其核心技術(shù)是覆蓋免耕播種技術(shù)[1-3]。覆蓋免耕播種技術(shù)是以作物秸稈殘茬覆蓋在地表，不翻耕土壤，通過免耕播種機(jī)一次完成破茬、開溝、播種、施肥、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。由于地表覆蓋殘茬增加了地表的粗糙度，免耕播種機(jī)播種深度控制成為能否完成高效、優(yōu)質(zhì)、快捷的機(jī)械化播種任務(wù)成為關(guān)鍵。

近年來，免耕播種機(jī)播種深度自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展較快[4-7]，不少科研工作者將電液控制仿形系統(tǒng)應(yīng)用在大豆、玉米精播機(jī)上控制播種深度。進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)由超聲波傳感器感應(yīng)地面起伏的變化，實(shí)時(shí)將地面起伏信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；根據(jù)該電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)液壓缸控制四連桿機(jī)構(gòu)上下浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)播種深度的控制。這種仿形機(jī)構(gòu)雖然能夠在一定程度的起伏地表自動(dòng)控制播種深度，但土壤堅(jiān)實(shí)度差異較大時(shí)，僅依靠超聲波傳感器檢測(cè)地表的起伏變化，很難使播種深度一致性達(dá)到預(yù)期效果[8-11]。

筆者所在項(xiàng)目組研制開發(fā)了基于PVDF壓電薄膜的氣動(dòng)免耕播種機(jī)播種深度自動(dòng)控制系統(tǒng)[7]，系統(tǒng)應(yīng)用PVDF壓電薄膜測(cè)量免耕播種機(jī)限深輪的胎面形變量，根據(jù)限深輪的胎面形變量控制空氣彈簧推力，控制四連桿上下浮動(dòng)，從而控制播種深度。該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，仿形性能可靠，能夠精確控制播種深度。為進(jìn)一步提高該系統(tǒng)靈敏度，對(duì)比分析了壓電薄膜傳感器的兩種不安裝模式，設(shè)計(jì)了播種深度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理電路，對(duì)兩種不同安裝模式的壓電薄膜傳感器信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，說明了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為深入研究基于PVDF壓電薄膜的氣動(dòng)免耕播種機(jī)播種深度自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了依據(jù)。

1系統(tǒng)工作原理

如圖1(a)所示：免耕播種機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)可以使播種單體根據(jù)地表的起伏變化上下浮動(dòng)。播種單體的開溝部件主要有爪輪、圓盤波紋刀、限深輪和開溝圓盤，一對(duì)爪輪左右對(duì)稱安裝在圓盤波紋刀兩側(cè)靠前位置，一對(duì)橡膠限深輪左右對(duì)稱安裝在開溝圓盤的兩側(cè)靠后位置。播種作業(yè)時(shí)，播種單體靠自重與空氣彈簧推力使爪輪、圓盤波紋刀和開溝圓盤的下部切入到土壤中，限深輪壓在種床土壤表面避免開溝圓盤切入土壤過深，開溝圓盤與限深輪的高度差為播種機(jī)開溝深度。播種機(jī)前進(jìn)時(shí)，爪輪旋轉(zhuǎn)并撥開秸稈與雜草，波紋圓盤刀切開地表與根茬并松土，開溝圓盤切入到土壤中，并且在其兩側(cè)堆積足夠的土壤以便填埋種子。作業(yè)時(shí)必須保證播種單體對(duì)地表有足夠壓力，播種單體對(duì)地表壓力能夠反映出開溝圓盤的開溝效果以及種子的填埋效果，橡膠限深輪在壓力的作用下產(chǎn)生變形，壓力越大變形越大。因此，可以根據(jù)橡膠限深輪產(chǎn)生的變形量間接判斷播種機(jī)的播種深度。

1.機(jī)架　2.四連桿機(jī)構(gòu)　3.爪輪　4.圓盤波紋刀

2PVDF壓電薄膜傳感器

傳感器選用美國(guó)Measurement Specialty公司生產(chǎn)的型號(hào)為DT2-028K/L壓電薄膜傳感器，如圖2所示，其尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2　PVDF壓電薄膜傳感器外形圖

mm

如圖3所示：PVDF壓電薄膜傳感器分別以兩種不同的安裝模式粘貼在橡膠限深輪內(nèi)表面：一種以平鋪的模式粘貼，另一種以拱形的模式粘貼。橡膠限深輪與地面的接觸部分稱為印痕區(qū)，傳感器進(jìn)入和離開印痕區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性形變，形變使PVDF壓電薄膜的兩個(gè)上下金屬電極表面出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。對(duì)壓電薄膜產(chǎn)生的電荷信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，其峰值信號(hào)能夠反映限深輪胎面形變量的大小，從而可以間接判斷此時(shí)播種機(jī)的播種深度。

圖3　PVDF壓電薄膜傳感器安裝模式

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括電荷放大器、信號(hào)濾波器、峰值保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和PC機(jī)等。PVDF傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)太過微弱，不便于直接采集，需要經(jīng)過電荷放大器放大處理。電荷放大器除了起到放大電荷信號(hào)的作用，還能將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的模擬電壓信號(hào)。之后，信號(hào)濾波器將對(duì)該模擬電壓信號(hào)再進(jìn)行濾波處理，用以濾除電壓信號(hào)中的低頻干擾信號(hào)。然后，模擬電壓信號(hào)經(jīng)峰值保持器后，其峰值電壓將會(huì)被保持，而A/D轉(zhuǎn)換器則將該峰值信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；該數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)微處理器采集、處理后，再被傳至PC機(jī)上，以完成相關(guān)的處理、顯示和分析等操作。同時(shí)，微處理器將會(huì)給峰值保持器一個(gè)復(fù)位電平，以便峰值保持器能夠持續(xù)反復(fù)的工作。

本文采用的微處理器為STC12C5A60S2單片機(jī)，內(nèi)部集成專用復(fù)位電路、PWM調(diào)制器及10位A/D轉(zhuǎn)換器等。本文所用的A/D轉(zhuǎn)換器為該單片機(jī)內(nèi)部所集成；選用的峰值保持器為AD公司PKD01，能跟蹤模擬輸入信號(hào)，并能保持該信號(hào)達(dá)到最大值；采用LCD12864液晶屏作為顯示屏；微處理器與PC機(jī)之間通過RS-232串行接口進(jìn)行通信。

圖4中，電荷放大器和信號(hào)濾波器是整個(gè)信號(hào)處理中最為關(guān)鍵的兩部分。電荷放大器除了具有放大微弱信號(hào)的功能外，還具有將高阻抗輸入轉(zhuǎn)換成低阻抗輸出的能力；而信號(hào)濾波器則可以起到消減和抑制噪聲信號(hào)的作用。

電荷放大器是一個(gè)帶反饋電容器的高增益運(yùn)算放大器，其輸出電壓Vo正比于輸入電荷量Q，并由反饋電容Cf所決定，與信號(hào)的頻率特性無關(guān)。在該測(cè)量系統(tǒng)中采用電荷放大器的另一優(yōu)勢(shì)是輸出模擬電壓信號(hào)不受導(dǎo)線間的電容影響。

由于PVDF薄膜在放電過程中存在漏電現(xiàn)象，這使得誤差得以產(chǎn)生，因此可以通過增加放大器中的放電時(shí)間常數(shù)來達(dá)到最小化誤差的目的。在電路的電荷轉(zhuǎn)換部分采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器CA3140來實(shí)現(xiàn)電荷到電壓的轉(zhuǎn)換功能。該運(yùn)算放大器的輸入阻抗可達(dá)1.5TΩ，帶寬為4.5MHz，典型偏置電流強(qiáng)度為10pA，輸入偏移電壓小于5mV。

系統(tǒng)噪聲包括來自所使用的元器件、50Hz的工頻干擾、電磁干擾和熱電效果等。本研究分別采用低通濾波器和50Hz雙T陷波濾波器來消減、抑制器件噪聲和50Hz工頻干擾。

PVDF壓電傳感器是一種弱阻尼振蕩系統(tǒng)，在高頻段，存在較高的諧振峰，從而引起高頻噪音。此外，在一些動(dòng)態(tài)測(cè)量中，有時(shí)候通頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實(shí)際的需求，造成低頻帶的測(cè)試精度被不需要的高頻帶所干擾。因此，在本研究中使用低通濾波器是非常有必要的，其能夠讓低頻交流分量通過，并極大地衰減不需要的高頻分量。

無源低通濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，然而由于其阻抗頻率特性具有弱共振性能，使其具有弱選擇性的特征。為了克服這些缺點(diǎn)，將有源元器件(如運(yùn)算放大器)加入到RC濾波器的設(shè)計(jì)之中，從而形成了有源RC濾波器。在有源RC濾波器中，通頻帶內(nèi)的信號(hào)不但不會(huì)衰減，反而能夠得到增益。

圖4中濾波單元屬于5階巴特沃思低通濾波器，其截止頻率為500Hz。采用低噪聲前置放大器、高精密金屬膜電阻和陶瓷電容來消減由元器件所引入的噪音。

圖4　系統(tǒng)硬件電路

50Hz雙T陷波濾波器電路主要包括兩部分：第1部分是一個(gè)雙T陷阱，可以看著作為2階帶阻濾波器。對(duì)于50Hz陷波濾波器，其中心頻率和中心角頻率分別為50Hz和100rad/s。該電路只對(duì)50Hz的信號(hào)起作用。第2部分是一個(gè)集成運(yùn)算放大器，選用的是LM324，可以為信號(hào)提供有源反饋，提高了信號(hào)質(zhì)量。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)工作開始后，首先對(duì)系統(tǒng)工作模塊、相關(guān)寄存器和I/O口進(jìn)行初始化設(shè)置；接著，系統(tǒng)運(yùn)行A/D采集程序，以獲取峰值保持器所保持的峰值信號(hào)；然后，由程序控制單片機(jī)給峰值保持器一個(gè)復(fù)位電平，以清除所保持的峰值信號(hào)；之后，再清除所給的復(fù)位電平，即讓峰值保持器處于峰值檢測(cè)狀態(tài)，以便A/D采集器能夠完成下次峰值信號(hào)的采集；接著，程序?qū)?zhí)行數(shù)據(jù)處理操作，并將處理后的結(jié)果顯示在LCD液晶屏上；最后，通過串口傳輸程序?qū)⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。

圖5　程序流程圖

5試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1　PVDF壓電薄膜傳感器承載試驗(yàn)

試驗(yàn)使用平鋪與拱形兩種不同粘貼模式的傳感器，為研究不同地表狀況對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)的影響，在土槽中鋪設(shè)出平均堅(jiān)實(shí)度為1.4kg/cm2和3.5kg/cm2，長(zhǎng)度5m，寬度0.5m的軟硬兩條種床。限深輪的行進(jìn)速度為5km/h。傳感器輸出電壓與限深輪承載的關(guān)系曲線如圖6所示。其中，曲線1為限深輪行進(jìn)在硬種床時(shí)，拱形傳感器的輸出電壓；曲線2為限深輪行進(jìn)在軟種床時(shí)，拱形傳感器的輸出電壓；曲線3為限深輪行進(jìn)在硬種床時(shí)，平鋪形傳感器的輸出電壓；曲線4為限深輪行進(jìn)在軟種床時(shí)，平鋪形傳感器的輸出電壓。由圖6可以看出：隨著限深輪承受載荷的增加，限深輪胎面變形量變大，兩種傳感器的輸出電壓增加，傳感器的輸出電壓與限深輪承受的載荷成線性的正比關(guān)系；拱形傳感器的靈敏度明顯高于平鋪傳感器的靈敏度；拱形傳感器受地表堅(jiān)實(shí)度影響較大，平鋪形傳感器幾乎不受地表堅(jiān)實(shí)度的影響。

圖6　傳感器輸出電壓與限深輪承載關(guān)系曲線

5.2　田間性能試驗(yàn)

2015年春季，在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行留茬地表的田間試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)地土壤為黑鈣土，前茬作物為玉米，地表土壤含水率0～5cm深度為 16.7%，土壤容重1.6g/cm3，種床土壤平均堅(jiān)實(shí)度2.4kg/cm2，留茬高度10～16cm。系統(tǒng)安裝在吉林康達(dá)2BMZF-2X型免耕精量施肥播種機(jī)上，設(shè)定播種深度為50mm。隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度10m。拖拉機(jī)勻速通過試驗(yàn)區(qū)，拖拉機(jī)作業(yè)速度5~8km/h；播種機(jī)通過后，將開溝器推出的松散土壤刮掉，以壟體的初始平面為測(cè)量基準(zhǔn)，不同作業(yè)速度下重復(fù)測(cè)量播深，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖7　田間試驗(yàn)效果圖

作業(yè)速度/km·h-1電壓值/mV拱形傳感器平鋪形傳感器播深/mm5121605161296255712863538985845

在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行秸稈覆蓋地表的田間試驗(yàn)，試驗(yàn)地為玉米保護(hù)性耕作，地表土壤含水率0～5cm深度為 19.4%，土壤容重1.2g/cm3，種床平均堅(jiān)實(shí)度2.7kg/cm2；播種前地表秸稈覆蓋率平均為75.15%，播后平均為47.1%，地表的秸稈植被覆蓋量為0.73kg/m2。設(shè)定播種深度為 50mm；隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度10m，為便于測(cè)量，卸下播種機(jī)覆土裝置。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　秸稈覆蓋地試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，對(duì)比兩種不同模式的傳感器，無論在留茬地與秸稈覆蓋地，均能夠反映播種深度變化；播種速度不影響傳感器的輸出；拱形傳感器相對(duì)比較靈敏。由于所選擇地塊土壤堅(jiān)實(shí)度變化不大，拱形傳感器的輸出電壓沒有受到地表狀況的影響，兩種傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度均達(dá)到85%以上。

6結(jié)論

1)應(yīng)用PVDF壓電薄膜制作兩種不同粘貼模式胎面形變傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)限深輪的形變量，由此間接測(cè)量播種機(jī)播種深度。對(duì)兩種傳感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種傳感器的輸出電壓均與限深輪承受的載荷成線性的正比關(guān)系；拱形傳感器的靈敏度明顯高于平鋪形傳感器，但拱形傳感器受地表堅(jiān)實(shí)度影響較大，平鋪形傳感器幾乎不受地表堅(jiān)實(shí)度的影響。

2)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的播種深度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路及相應(yīng)軟件，系統(tǒng)硬件電路能夠有效地對(duì)PVDF傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，采集傳感器信號(hào)的峰值，計(jì)算峰值平均值。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：播種深度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在播種機(jī)作業(yè)速度為5～8km/h時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確率達(dá)到85%。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧英，高煥文，周建忠. 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕影 響的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(2)：56-60.

[2]高煥文，李洪文，李問盈. 保護(hù)性耕作的發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(9)：43-48.

[3]胡立峰，李洪文，高煥文. 保護(hù)性耕作對(duì)溫室效應(yīng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(5)：308-312.

[4]高煥文，李洪文，姚宗路. 我國(guó)輕型免耕播種機(jī)研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(4)：78-82.

[5]廖慶喜，高煥文，舒彩霞. 免耕播種機(jī)防堵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(1)：108-112.

[6]尹彥鑫，鄭永軍，成智華，等.少免耕播種機(jī)牽引阻力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(6)：1-8.

[7]黃東巖，朱龍圖，賈洪雷，等.基于壓電薄膜的免耕播種機(jī)播種深度控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(4)：1-8.

[8]Anthonis J, Mouazen A M, Saeys W, et al.An automatic depth control system for online measurement of spatial variation in soil compaction, part 3:Design of depth control system[J].Biosystems Engineering, 2004, 89(1): 59- 67.

[9]Mouazen M, Anthonis J, Saeys W, et al. An automatic depth control system for online measurement of spatial variation in soil compaction, part Ⅰ:Sensor design for measurement of frame height variation from soil surface[J].Biosystems Engineering, 2004, 89(2): 139- 150.

[10]Saeys W, Mouazen A M, Anthonis J, et al.An automatic depth control system for online measurement of spatial variation in soil compaction, part 2:Modelling of the depth control system[J]. Biosystems Engineering, 2004, 89(3): 267-280.

[11]Mouazen M, Anthonis J, Romon H. An automatic depth control system for online measurement of spatial variation in soil compaction, part 4: Improvement of compaction maps by using a proportional integrative derivative depth controller[J].Biosystems Engineering, 2005, 90(4): 409-418.

Abstract ID:1003-188X(2016)09-0214-EA

Seeding Depth Real-time Monitoring System for a No-till Planter

Yan Jing1， Zhu Longtu1，Yu Tingting1，Huang Dongyan1， Jia Honglei2

(1.College of Information, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China; 2.Key Laboratory of Bionics Engineering, Ministry of Education,Jilin University, Changchun 130022, China)

Abstract：In order to improve the consistency of seedling on the straw mulching farmland, a deformation sensor made of polyvinylidene fluoride, or PVDF, film is fixed on the inner surface of depth wheel with two different types to monitor the deformation of the wheel in real-time. According to the deformation, the seeding depth can be measured indirectly, and the two different types of sensor are compared. The system hardware circuit can amplify and filter the signal generated by the sensor, and can extract the signal peak. The system is able to monitor the seeding depth in real-time based on the peak signal. The result shows that the output peak voltage of the two types of sensor is linearly proportional to the load of the depth wheel. And the sensitivity of the arched sensor is significantly higher than that of the tiled sensor. When the speed of the planter is between 5Km/h to 8Km/h, the accuracy of the system is more than 85%.

Key words：real-time monitoring; no-till planter; seeding depth; piezoelectric film; chip microprocessor

中圖分類號(hào)：S232.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0214-05

作者簡(jiǎn)介：閆荊(1990-),女，北京人，碩士研究生，(E-mail)512692688@qq.com。通訊作者：黃東巖(1976-)，男，長(zhǎng)春人，教授，博士，(E-mail)171228198@qq.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B03);長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目(14KG087); 吉林省省級(jí)糧食生產(chǎn)發(fā)展專項(xiàng)(2014-2015)

收稿日期：2015-08-13