水稻直播機(jī)播種自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郎 朗，馮曉蓉

(重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 萬(wàn)州 404100)

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水稻直播機(jī)播種自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郎 朗，馮曉蓉

(重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 萬(wàn)州 404100)

水稻生產(chǎn)在在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快、農(nóng)村的勞動(dòng)力減少和淡水資源的日益缺乏，水稻直播技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。為此，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)水稻直播機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻播種的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種水稻直播機(jī)的播種自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由播種量采集裝置、速度檢測(cè)裝置、播種量調(diào)節(jié)裝置和報(bào)警裝置4個(gè)部分組成，采用ST188型紅外光電傳感器，檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)排種管的種子數(shù)量；通過(guò)YS41F型霍爾元件計(jì)算拖拉機(jī)行進(jìn)速度；用AT89C51型單片機(jī)接收采集的播種量和速度信息，計(jì)算分析實(shí)際播種速度與設(shè)定值的差異，然后向調(diào)節(jié)裝置森創(chuàng)110BYG250C型步進(jìn)點(diǎn)機(jī)發(fā)出指令。當(dāng)實(shí)際播種速度的偏離值超出允許的誤差范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)，通過(guò)單片機(jī)輸出，采用聲音加指示燈閃爍報(bào)警。對(duì)該系統(tǒng)自動(dòng)控制條播機(jī)進(jìn)行田間旱直播研究，對(duì)播種后的水稻株距、株距范圍及水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：與手動(dòng)控制相比較，該播種自動(dòng)控制系統(tǒng)在拖拉機(jī)不同行進(jìn)速度下，水稻播種精確度較高，水稻植株分布均勻，水稻產(chǎn)量高。

水稻；直播機(jī)；自動(dòng)控制

0 引言

水稻是亞洲國(guó)家主要的糧食作物，是世界上1/2人口的主食。我國(guó)水稻的種植面積僅次于印度，居世界第二，而年產(chǎn)量居世界第一。在我國(guó)，北至黑龍江，西到新疆，只要有灌溉條件的地區(qū)，都有一定規(guī)模的水稻種植。水稻生產(chǎn)在在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，因我國(guó)人口眾多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直是我國(guó)的主要產(chǎn)業(yè)，而水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)更與國(guó)民生計(jì)息息相關(guān)。

傳統(tǒng)的水稻種植模式需要育秧和移栽，過(guò)程繁瑣，不僅耗時(shí)費(fèi)力，還要消耗大量的水資源。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國(guó)農(nóng)村的勞動(dòng)力逐漸向城鎮(zhèn)其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，加之人口老齡化和淡水資源日益缺乏，水稻種植模式亟需從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。在種子處理技術(shù)、高效整地機(jī)械和高效除草劑的支持下，水稻的直播技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

水稻直播是一種輕簡(jiǎn)化的栽培技術(shù)，省去了育秧、起秧、移栽等過(guò)程，能節(jié)水20%左右，還能夠節(jié)約勞動(dòng)成本、提高生產(chǎn)效率和實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收，很好地適應(yīng)了水稻種植方式發(fā)展的趨勢(shì)。目前，水稻的直播技術(shù)已經(jīng)形成了多種形式共存的局面，如旱直播和水直播、干谷直播和芽谷直播、條播和穴播等，它們?cè)谇捌诘奶飰K整理和后續(xù)的栽培管理上也有各自不同的方式[1-2]。

隨著農(nóng)村的勞動(dòng)人口的減少和人們生活水平的提高，人們對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有了更高的要求，實(shí)行農(nóng)業(yè)機(jī)械化是解決上述問(wèn)題的有效途徑。水稻的機(jī)械化直播技術(shù)適合大規(guī)模化生產(chǎn)，對(duì)節(jié)約人力資源和增加水稻產(chǎn)量具有重要的意義[3]。歐美很多種植水稻的發(fā)達(dá)國(guó)家都較早地開(kāi)始了這方面的研究，至今已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。美國(guó)實(shí)現(xiàn)了100%的機(jī)械化直播，其最高形式為飛機(jī)撒播，但這種方式對(duì)田塊平整質(zhì)量和種植規(guī)模要求較高[4-6]。農(nóng)業(yè)機(jī)械化是我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，我國(guó)水稻直播機(jī)的研發(fā)起步較晚，但是進(jìn)展迅速，目前已有多種型號(hào)的直播機(jī)應(yīng)用到了生產(chǎn)中。代表性的型號(hào)有上海的SQ2BD-2型直播機(jī)、廣西的2BD-10型小型直播機(jī)和江蘇的2BDZ-10型直播機(jī)等[7]。水稻直播機(jī)按照不同的作業(yè)方式分為旱直播機(jī)和水直播機(jī)或者條播機(jī)和穴播機(jī)，分別應(yīng)用于不同的生長(zhǎng)條件和種子特性。

我國(guó)水稻種植中的使用的水稻直播機(jī)型號(hào)很多，存在的普遍問(wèn)題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性價(jià)比和作業(yè)的精確度還有待提高。另外，單個(gè)型號(hào)的機(jī)械在實(shí)用性、精確性和高效性上都難以實(shí)現(xiàn)很好的統(tǒng)一，存在各自的短板[8]。目前，水稻直播機(jī)的一個(gè)主要的問(wèn)題是無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻播種，即當(dāng)播種機(jī)行進(jìn)速度變化時(shí)，作業(yè)產(chǎn)生的株距會(huì)相應(yīng)地改變，出現(xiàn)重播或漏播[9]。播種的一致性降低，導(dǎo)致水稻不能充分地利用田間的光照、溫度、土壤營(yíng)養(yǎng)資源，降低了單位面積上的稻谷產(chǎn)量。

本文基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的興起和農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合全球定位、傳感和集成分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種水稻直播機(jī)的直播自動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)其在田間的實(shí)用性和精確度進(jìn)行了試驗(yàn)，以期提高水稻直播作業(yè)的質(zhì)量和效率，促進(jìn)水稻直播機(jī)械化的發(fā)展。

1 原理及結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本研究中使用的農(nóng)用機(jī)械為東方紅550型輪式拖拉機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)輸出功率為55kW。牽引的直播機(jī)為江蘇的2BG-6A型條播機(jī)，作業(yè)幅寬1.2m，條數(shù)6條，播種行距20cm。拖拉機(jī)上裝載GPS定位器、操作顯示屏和速度檢測(cè)裝置。直播機(jī)上裝載播種量采集裝置和步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)的螺絲桿與調(diào)節(jié)排種管凹坑長(zhǎng)度的連桿相連。光電感應(yīng)裝置分布在排種管的兩側(cè)。該直播機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直播機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

1.2 原理

直播機(jī)按照機(jī)載的全球定位系統(tǒng)制定的路線在田間行進(jìn)，根據(jù)水稻品種特性和種植要求在操作顯示屏上設(shè)定直播密度，即水稻植株的間距。種子經(jīng)過(guò)排種管播到田間時(shí)，被紅外光電傳感器轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，以此計(jì)算播種的速度。通過(guò)霍爾元件獲取拖拉機(jī)的行進(jìn)速度，再根據(jù)播種的速度計(jì)算出播種的密度，并與預(yù)設(shè)值比較；然后，根據(jù)二者數(shù)據(jù)的差異發(fā)出指令，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整排種輪上的凹坑長(zhǎng)度，使其容納的種子數(shù)目改變，從而達(dá)到控制播種密度的目的。若出現(xiàn)卡種等意外情況，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到設(shè)置的播種密度，則啟動(dòng)報(bào)警裝置，提醒人工排除故障。

2 系統(tǒng)組成

整個(gè)水稻直播控制系統(tǒng)主要由播種量采集裝置、速度檢測(cè)裝置、播種量調(diào)節(jié)裝置和報(bào)警裝置4個(gè)部分組成。

1)播種量采集裝置為ST188型紅外光電傳感器，用于檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)排種管的種子數(shù)量。種子經(jīng)過(guò)排種管播到田間時(shí)，被紅外光電傳感器捕捉，轉(zhuǎn)化為1個(gè)電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和過(guò)濾后傳輸?shù)叫盘?hào)處理模塊中。

2)速度檢測(cè)裝置是安裝在拖拉機(jī)上的YS41F型霍爾元件，用來(lái)采集離合器輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，然后輸入信號(hào)處理模塊中，計(jì)算行進(jìn)速度。信號(hào)處理模塊是AT89C51型單片機(jī)，用來(lái)接收采集的播種量和速度信息，計(jì)算分析實(shí)際播種速度與設(shè)定值的差異，然后向調(diào)節(jié)裝置發(fā)出指令。

3)播種量調(diào)節(jié)裝置是森創(chuàng)110BYG250C型步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)一根螺絲桿來(lái)調(diào)節(jié)排種管凹坑長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)播種量。

4)報(bào)警裝置在實(shí)際播種速度的偏離值超出允許的誤差范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)，通過(guò)單片機(jī)輸出，采用聲音加指示燈閃爍報(bào)警。拖拉機(jī)上裝載的操作顯示屏用于顯示和設(shè)定實(shí)時(shí)播種速度及其它相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 水稻材料

試驗(yàn)于2015年在重慶市梁平縣進(jìn)行，所用水稻品種為連粳3號(hào)。該品種為中熟中粳稻，苗期耐寒，早生快發(fā)，分蘗力強(qiáng)，適合在中上等肥力條件下種植。種子經(jīng)過(guò)前處理，然后進(jìn)行干谷的旱直播。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田塊位于平原區(qū)，灌溉設(shè)施完善，面積為0.3km2，前作物為油菜，耕深18cm，用大型機(jī)械整理平整。

安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)的拖拉機(jī)牽引條播機(jī)在試驗(yàn)田中沿直線行駛，同時(shí)進(jìn)行水稻播種作業(yè)。播種深度3cm，株距分別設(shè)定為1.5、1.7、1.9cm；每個(gè)深度重復(fù)作業(yè)3次，每次的行駛距離為50m，行進(jìn)過(guò)程中適當(dāng)改變速度但維持在0.8～1.0m/s之間。最后，改為手動(dòng)控制的狀態(tài)，同樣重復(fù)作業(yè)3次。水稻出苗后在每個(gè)重復(fù)的行駛路線上均勻地選擇6個(gè)2m的線段測(cè)量水稻株距，待水稻成熟后對(duì)不同播種方式的水稻分別收獲測(cè)產(chǎn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在自動(dòng)控制和手動(dòng)控制條件下，拖拉機(jī)牽引的條播機(jī)播種作業(yè)后，水稻的實(shí)測(cè)株距、水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)作圖，直播機(jī)在不同株距的自動(dòng)控制條件下和手動(dòng)控制條件下的水稻產(chǎn)量變化如圖2所示，水稻實(shí)測(cè)株距變化如圖3所示。

表1 播種機(jī)在不同控制狀態(tài)下的播種株距和產(chǎn)量

* 相同字母表示數(shù)據(jù)間無(wú)顯著差異。

圖2 不同控制條件下的直播機(jī)實(shí)測(cè)株距變化

圖3 不同控制條件下的水稻產(chǎn)量變化

由表1和圖2可以看出：條播機(jī)在自動(dòng)控制狀態(tài)下，即使拖拉機(jī)的行進(jìn)速度發(fā)生變化，水稻的株距都符合設(shè)定值，株距的范圍也很集中，表現(xiàn)出較高的精確度。從田間狀況來(lái)看，水稻植株分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)稻苗過(guò)度集中或者空缺的田塊，水稻生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)較均一。在手動(dòng)控制狀態(tài)下，播種株距雖然能被控制在2.0cm左右，但是一致性較差，株距的變化范圍達(dá)到0.25cm，與自動(dòng)控制狀態(tài)相比精確度較低，田間出現(xiàn)了少數(shù)稻苗過(guò)于集中或者空缺的田塊，水稻生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)不均一。

由表1和圖3可以看出:條播機(jī)在自動(dòng)控制狀態(tài)下，水稻產(chǎn)量符合預(yù)期，3種株距播種的水稻產(chǎn)量之間沒(méi)有顯著的差異；而手動(dòng)控制狀態(tài)下水稻產(chǎn)量與自動(dòng)控制相比有所降低，達(dá)到了顯著差異水平。

4 結(jié)論

后續(xù)的產(chǎn)量測(cè)定結(jié)果表明：采用該直播自動(dòng)控制系統(tǒng)后，直播稻的產(chǎn)量比其它田塊中有所提高，可能是精確播種的水稻植株分布均勻，通風(fēng)透光性更好，土壤中營(yíng)養(yǎng)成分得到充分利用，使得水稻整體得到了充分的生長(zhǎng)空間和營(yíng)養(yǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)。該試驗(yàn)中用的水稻品種連粳3號(hào)粒型大，呈橢圓形，直播機(jī)的排種輪凹坑容納的種子粒數(shù)較少。若改播粒型較小的秈稻品種時(shí)，凹坑的容量會(huì)增加，因此需要更改系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)置。

我國(guó)水稻種植面積廣闊，實(shí)現(xiàn)水稻播種機(jī)械化，有利于減少水稻生產(chǎn)上投入的人力和時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，并達(dá)到水稻增產(chǎn)的目的。當(dāng)前，水稻的機(jī)耕面積和機(jī)收面積在逐年增加。若要實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的全程機(jī)械化，因地制宜地推進(jìn)機(jī)械化直播已是刻不容緩。本文設(shè)計(jì)的水稻直播自動(dòng)控制系統(tǒng)，改善了直播機(jī)播種精確度這一重要的性能，使其能更好地滿足水稻生產(chǎn)要求，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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Abstract： Rice production in the country occupies an important position in the agricultural economy, with the accelerated process of urbanization, the rural labor force and to reduce the increasing scarcity of fresh water resources, rice direct seeding technology came into being. For the current domestic rice direct seeding machine can not achieve uniform sowing problem, a seeding system for the automatic control of rice direct seeding machine, the system consists of sowing rate acquisition means, speed detecting device, the seeding rate adjustment means and alarm means four parts, used within ST188 infrared photoelectric sensor to detect the unit time after seeding number of seed tube, calculate the traveling speed of the tractor by YS41F Hall element, receiving the seeding rate and velocity information collected by AT89C51 microcontroller to calculate the speed and analysis of the actual planting setting the difference value, and then issued a directive to the regulator woods create 110BYG250C stepping point machine. Alarm when the actual value deviates from sowing speed exceeds the allowable error range, the microcontroller output by using sound plus lights flashing alarm. The system of automatic control drilling machine dry direct seeding field research on rice spacing after sowing, spacing range, the rice yield data analysis found that compared with manual control, automatic control systems that seeding at different tractor traveling speed, precision seeding rice a high degree of uniform distribution of rice plants, and the rice yield is higer than the automatic control.

ID:1003-188X(2017)10-0153-EA

Rice Direct seeding Automatic Control System Design and Application

Lang Lang, Feng Xiaorong

(Chongqing Three Gorges Polytechnic College, Wanzhou 404100, China)

rice; live machine; automatic control

2016-09-22

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1503401)

郎 朗(1983-)，男，重慶萬(wàn)州人，講師，碩士，(E-mial)langlang0606@163.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)10-0153-03