基于光電傳感器的精密播種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)的研究

郝向澤，何旭鵬，鄒 翌，李 詢，何瑞銀

(南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031)

基于光電傳感器的精密播種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)的研究

郝向澤，何旭鵬，鄒 翌，李 詢，何瑞銀

(南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031)

【目的】針對玉米、大豆等作物單粒精密播種過程中出現(xiàn)的漏播、重播以及播種量不精準的問題，設(shè)計一種基于光電法的單粒精密播種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)。【方法】采用紅外檢測裝置獲取種子下落時的脈沖信號，脈沖信號經(jīng)單片機處理后統(tǒng)計種子下落時間間隔，并與設(shè)定理論時間間隔相比較，計算漏播率、重播率及播種量。以垂直勺輪式排種器為對象，對監(jiān)測系統(tǒng)進行單粒漏播、重播及播種量監(jiān)測試驗?！窘Y(jié)果】該監(jiān)測系統(tǒng)的單粒監(jiān)測精度達到 98.8%；與排種器性能檢測試驗臺架檢測結(jié)果相比，監(jiān)測系統(tǒng)的漏播率監(jiān)測誤差小于 0.3%，重播率監(jiān)測誤差小于 0.6%；播種量監(jiān)測精度大于 94.4%?！窘Y(jié)論】此監(jiān)測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，監(jiān)測精度較高。

單粒精密播種； 光電法； 紅外傳感器； 排種性能； 監(jiān)測系統(tǒng)

播種機的排種性能直接影響其作業(yè)質(zhì)量，種箱缺種或排種器故障等導致播種時易出現(xiàn)漏播、重播以及實際播種量與理論播種量不相符的問題[1]，直接影響播種質(zhì)量，進而影響土地產(chǎn)出率[2-5]。這些問題人工很難發(fā)現(xiàn)，因此，實現(xiàn)播種過程的自動監(jiān)控，對保證播種質(zhì)量具有重要意義。目前比較常用的排種性能檢測方式主要有壓電法、光電法、計算機視覺法[6-11]。陳進等[12]運用高速攝像系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)對排種器性能進行了研究；周利明等[13]基于微電容信號獲取與分析來評定排種器的性能；張繼成等[6]基于光敏傳感器對播種與施肥過程中的漏播監(jiān)測進行了研究，初步解決了播種作業(yè)過程中種肥的自動監(jiān)控問題。而鮮少有研究涉及到播種量的監(jiān)測。本研究采用光電法獲取種子下落的電脈沖信號，濾波整形后由單片機處理，分析得出漏播率、重播率、播種量信息。

1 監(jiān)測裝置的設(shè)計及原理

1.1 監(jiān)測裝置的設(shè)計

監(jiān)測裝置的安裝位置將影響其工作性能，如果安裝位置靠近排種器，則下方排種管堵塞時，很難及時檢測到，為提高系統(tǒng)工作性能，實際生產(chǎn)中，本系統(tǒng)監(jiān)測裝置被安裝在緊靠開溝器上方處，如圖1所示。

1：種箱；2：垂直勺輪式排種器；3：監(jiān)測裝置；4：開溝器側(cè)板；5：開溝器。

圖1 監(jiān)測裝置安裝位置示意圖
Fig.1 Schematic diagram of monitoring sensor position

光電傳感器由發(fā)射端和接收端 2 部分組成。發(fā)射端為 1 個直徑10 mm的紅外發(fā)射二極管，工作時發(fā)出波長 850 nm、發(fā)射角度 45°的紅外光。為使發(fā)射光可以無盲區(qū)地覆蓋整個監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置內(nèi)部的長方體結(jié)構(gòu)長、寬、高為 45 mm×35 mm×40 mm，并在發(fā)射端安裝凸透鏡，根據(jù)紅外發(fā)射二極管的發(fā)射角度及監(jiān)測裝置的寬度，選擇凸透鏡的焦距為17.5 mm，紅外發(fā)射二極管安裝在凸透鏡的焦點位置[14]，紅外光經(jīng)凸透鏡后平行射向接收端。為提高監(jiān)測精度，接收端采用緊密排列的寬度為 2 mm的貼片式紅外接收二極管，串聯(lián)成一字型。同時，發(fā)射端與接收端都安裝有塑料防塵罩，可以有效減少塵土附著，方便清潔。監(jiān)測裝置俯視圖見圖2。

1：紅外發(fā)射二極管；2：凸透鏡；3、5：防塵罩；4：播種管橫切面；6：紅外接收二極管。

圖2 監(jiān)測裝置俯視圖
Fig.2 Top view of monitoring sensor

1.2 監(jiān)測原理

正常工作時，紅外光穿過凸透鏡后平行照射至接收端。當種子經(jīng)過監(jiān)測裝置完全遮擋1個或多個紅外接收二極管時，接收端會產(chǎn)生電平變化，并將該電平信號傳輸給單片機，單片機根據(jù)該電平信號統(tǒng)計種子下落時間間隔，結(jié)合增量式編碼器所測機具前進速度得出實際株距，并與設(shè)定的理論株距相比較，分析得出漏播率、重播率、播種量信息。

單片機獲取相鄰2粒種子下落的時間間隔Δt，Δt與播種機行進速度v的乘積即為實際粒距的監(jiān)測值，并根據(jù)GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[15]對比理論粒距與實際粒距，按下式判斷是否重播、漏播：

利用安裝在播種機測速輪上的增量式編碼器(型號：E6B2-CWZ6C 1000P/R)采集測速輪轉(zhuǎn)動脈沖信號，單片機記錄測速周期內(nèi)的脈沖個數(shù)，播種機行進速度由下式計算:

式中，N為脈沖個數(shù)；T為行走速度測速周期(s)；D為測速輪直徑(m)；δ為滑移率(%)。

定義 1 min 內(nèi)排種軸的轉(zhuǎn)數(shù)與排種盤的孔數(shù)的乘積為理論排種量、監(jiān)測系統(tǒng) 1 min內(nèi)捕獲到的播種粒數(shù)為實際排種量，兩者比值為報警系數(shù)。排種軸的轉(zhuǎn)速由下式計算：

式中，n為排種軸轉(zhuǎn)速(r·min-1)；i為傳動比系數(shù)。

程序執(zhí)行過程中，當報警系數(shù)P超出程序設(shè)定的范圍或出現(xiàn)漏播、重播現(xiàn)象時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警；若單片機檢測到播種機行進速度為0，則系統(tǒng)認為播種機停止工作，不再對播種過程進行監(jiān)測。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機、降壓芯片LM2576及電壓比較器LM393AD為核心搭建而成，從硬件結(jié)構(gòu)上可以分為監(jiān)測模塊、測速模塊、語音報警模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊和LED報警模塊6大模塊，所需電源由拖拉機的蓄電池經(jīng)過DC12V-DC5V降壓后提供。其結(jié)構(gòu)框圖見圖3?？刂泼姘迳系陌存I模塊可以對理論株距、測速輪直徑、滑移率、傳動比、測速周期和報警系數(shù)的范圍進行設(shè)置。液晶顯示模塊可以顯示單行播量、總播種量、播種機行進速度、漏播率和重播率。LED報警模塊與播種通道對應(yīng)，若某一行或多行出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象，則對應(yīng)的LED會閃爍報警，并發(fā)出語音報警。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.3 Hardware structure block diagram of monitoring system

排種監(jiān)測電路如圖4所示，主要用于獲取種子經(jīng)過監(jiān)測裝置時的信息。監(jiān)測電路主要由紅外發(fā)射二極管、紅外接收二極管、LM393AD電壓比較器等器件組成?？紤]到捕獲數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，采用LM393AD作為電壓比較器件,且LM393AD可以同時處理2路信號，提高工作效率。針對不同品種的種子經(jīng)過時所要求的精度不同，采用滑動變阻器R3調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。采用 1 個 0.1 μF電容C1濾除采集信號過程中的雜波，并對電壓比較器起到保護作用。

圖4 排種監(jiān)測電路Fig.4 Monitoring circuit for sowing

2.2 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

單片機軟件采用模塊化程序設(shè)計，其主要模塊包括系統(tǒng)初始化、定時中斷、按鍵掃描、數(shù)據(jù)采集、報警模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the system software

監(jiān)測系統(tǒng)正常啟動之后，首先初始化程序，然后執(zhí)行自檢功能，如存在異常，由人工處理并再次自檢。程序自檢通過后，通過按鍵模塊輸入理論株距、測速輪直徑、報警參數(shù)、滑移率、傳動比和測速周期。系統(tǒng)監(jiān)測到種子下落，啟動定時器，記錄相鄰種子的時間間隔，按公式判斷漏播與重播，同時分析報警系數(shù)是否超出正常范圍。

3 系統(tǒng)測試試驗結(jié)果

試驗選用玉米種子，品種為鄭單958，千粒質(zhì)量 330 g，純凈度99%，含水量(w)13%，休止角31°，經(jīng)測定，種子平均長、寬、高分別為9.6、6.3、5.2 mm，選用18勺垂直勺輪式排種器，監(jiān)測裝置安裝在排種器下方。試驗在南京農(nóng)業(yè)大學排種器性能檢測試驗臺架上進行，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的勺輪式玉米播種機一般工作速度設(shè)定試驗速度。

3.1 單粒監(jiān)測試驗

采用人工投種方式進行單粒監(jiān)測試驗，每次試驗投種 250 粒[15]，重復3次，試驗過程中記錄實際播種粒數(shù)與監(jiān)測粒數(shù)，以 3 次試驗平均值作為試驗結(jié)果(表1)。由表 1 可知，該監(jiān)測系統(tǒng)單粒監(jiān)測精度達到98.8%。由監(jiān)測管結(jié)構(gòu)及其工作原理可知，種子從 2 個紅外接收管中間下落時，其粒徑需大于 4 mm才能完全遮擋至少1個紅外接收管，而試驗所用玉米種子未進行精選，少量厚度小于 4 mm的種子導致監(jiān)測精度未能達到100%。

表1 單粒監(jiān)測試驗結(jié)果
Tab.1 Monitoring result of single grain

試驗號實際排種量/粒監(jiān)測排種量/粒監(jiān)測精確度/%125024899．2225024698．4325024798．8平均值25024798．8

3.2 漏播與重播監(jiān)測試驗

監(jiān)測系統(tǒng)的漏播與重播監(jiān)測性能試驗設(shè)置種床輸送帶速度為3、4、5 km·h-1，然后根據(jù)理論粒距以及排種器勺數(shù)確定對應(yīng)排種軸轉(zhuǎn)速分別為12.6、16.8、21.0 r·min-1。

每種轉(zhuǎn)速條件下試驗重復3次，分別記錄重播指數(shù)、漏播指數(shù)的試驗臺測試數(shù)據(jù)和監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，取3次試驗平均值作為試驗結(jié)果(表2)。由表2可知，3種排種軸轉(zhuǎn)速條件下，與排種器性能檢測試驗臺架檢測結(jié)果相比，監(jiān)測系統(tǒng)測得漏播率誤差小于0.3%，重播率誤差小于0.6%。經(jīng)分析，漏播率監(jiān)測誤差出現(xiàn)的原因與單粒監(jiān)測原因相同，不再贅述；重播率監(jiān)測誤差出現(xiàn)的原因是2?；蛘叨嗔７N子重疊下落時，紅外接收管一直處于被遮擋狀態(tài)，光電傳感器無法判斷種子下落時間間隔。

表2 漏播與重播監(jiān)測試驗結(jié)果
Tab.2 Monitoring results of miss-seeding and re-seeding

排種軸轉(zhuǎn)速/(r·min-1)漏播率/%重播率/%臺架試驗監(jiān)測系統(tǒng)臺架試驗監(jiān)測系統(tǒng)12．60．80．74．94．716．82．72．64．84．521．06．46．14．33．7

3.3 播種量監(jiān)測試驗

播種量監(jiān)測試驗根據(jù)理論粒距以及排種器勺數(shù)確定試驗排種軸轉(zhuǎn)速分別為12.6、16.8、21.0 r·min-1。試驗時在監(jiān)測裝置下方放置紙杯，收集排種器排出的玉米種子，試驗結(jié)束后統(tǒng)計杯中種子粒數(shù)，同時記錄監(jiān)測裝置監(jiān)測到的種子粒數(shù)。每種轉(zhuǎn)速進行 3 次重復試驗，結(jié)果見表3，在排種器工作轉(zhuǎn)速為12.6～21.0 r·min-1時，系統(tǒng)的播種量監(jiān)測精度最小值為 94.4%。監(jiān)測系統(tǒng)對重播及漏播監(jiān)測誤差的積累，導致了播種量監(jiān)測試驗誤差的出現(xiàn)。

表3 播種量監(jiān)測試驗結(jié)果
Table.3 Monitoring result of seeding volume

排種軸轉(zhuǎn)速/(r·min-1)實際播種量/粒監(jiān)測播種量/粒準確率/%12．641138894．416．861058696．021．081377695．4

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于光電傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)，通過紅外檢測裝置采集種子下落時的脈沖信號，對播種過程中的漏播、重播以及播種量進行監(jiān)測。試驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)的單粒監(jiān)測精度達到98.8%；與排種器性能檢測試驗臺架檢測結(jié)果相比，監(jiān)測系統(tǒng)的漏播率監(jiān)測誤差小于0.3%，重播率監(jiān)測誤差小于0.6%；播種量監(jiān)測精度大于94.4%，基本滿足實際生產(chǎn)的需求。

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【責任編輯 霍 歡】

Research on the sowing performance monitoring system for precision seeders based on photoelectric sensor

HAO Xiangze, HE Xupeng, ZOU Yi, LI Xun, HE Ruiyin

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

【Objective】 To design a sowing performance monitoring system based on photoelectric method, so as to solve the problems of miss-seeding, re-seeding and lack of precision in seeding volume during the single grain precision seeding process for crops such as corns and beans. 【Method】Infrared sensors were applied to capture the pulse signal when the seeds were falling. The signal was processed by a micro-processor, the time gap between successive seed falling was summarized and compared with the designed time gap to obtain the miss-seeding rate, re-seeding rate and seeding volume. Vertical scoop wheel seedmeter was used as the test object to monitor the miss-seeding, re-seeding performance and seeding volume.【Result】The monitoring accuracy rate for single grain of this monitoring system reached 98.8%. Compared with the results of the test-bed for testing performance of the seedmeter, the monitoring error of miss-seeding rate was below 0.3%, the monitoring error of re-seeding rate was below 0.6% and the monitoring accuracy rate of seeding volume was above 94.4%. 【Conclusion】 The monitoring system works stably and has high accuracy.

single grain precision seeding; photoelectric method; infrared sensor; sowing performance; monitoring system

2016- 05- 12優(yōu)先出版時間：2016-12-28

郝向澤(1991—)，男，碩士研究生，E-mail: mr_hxz@163.com ；通信作者：何瑞銀(1964—),男，教授，博士，E-mail: ryhe@njau.edu.cn

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203059); 蘇北科技專項(BN2015042)

S223.2

A

1001- 411X(2017)01- 0120- 05

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20161228.0922.018.html

郝向澤，何旭鵬，鄒 翌，等.基于光電傳感器的精密播種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報，2017,38(1):120- 124.