小粒種子電動播種機作業(yè)質量監(jiān)測系統(tǒng)設計與試驗

邱兆美 張巍朋 趙 博 姬江濤 金 鑫 賀智濤

(1.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院， 洛陽 471003； 2.機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 洛陽 471003；3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

小粒種子播種機是現(xiàn)代化蔬菜栽培常用的播種機械，播種機在田間作業(yè)時易出現(xiàn)“斷條”等漏播現(xiàn)象，從而導致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。漏播是影響播種機作業(yè)質量的關鍵因素，開發(fā)高精度的漏播監(jiān)測系統(tǒng)是目前播種領域研究的熱點之一。播種機在播種作業(yè)時具有播種過程全封閉的特點，僅憑人的感觀無法直接監(jiān)測其作業(yè)質量，因此，研發(fā)播種質量自動監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

國外的精量播種發(fā)展較早，精密播種檢測系統(tǒng)的研究比較成熟，技術相對較為完善，針對播種漏播檢測研究出了不同的檢測方式。一些學者通過在排種管內(nèi)安裝傳感器或對管道內(nèi)落種情況的檢測[1-4]實現(xiàn)播種質量監(jiān)測。文獻[5-6]分別利用高速攝影技術和電容特性完成對精密播種均勻性和落種速度的檢測。約翰迪爾公司對精量播種機的研究較早，且對精量播種質量檢測技術成熟，研制的用于播種質量監(jiān)測的播種傳感器、Seed Star監(jiān)視儀[7]以及與其他農(nóng)機相互協(xié)調(diào)配套的監(jiān)控設備，通過光電傳感器與信號采集電路相互配合，能夠檢測漏播、斷條等現(xiàn)象，并在監(jiān)視儀上進行各種圖形化統(tǒng)計及分析，使作業(yè)人員清晰了解播種質量，實時掌握播種質量信息，為作業(yè)數(shù)據(jù)分析處理后的研究提供參考依據(jù)。國外對精量排種器的漏播狀態(tài)監(jiān)測及補種的相關研究成果顯著，但其成本較高，適用機具對象、作業(yè)環(huán)境與國內(nèi)相距較大。

國內(nèi)針對播種漏播檢測的研究相對較晚，但發(fā)展較快。如一些專家學者[8-12]采用光電傳感器和紅外發(fā)光二極管對漏播情況進行監(jiān)測，光電檢測成本較低，且系統(tǒng)簡單得到廣泛使用，但傳統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)對粒徑小于4 mm的種粒難以檢測。周利明等[13-14]采用電容法根據(jù)種子介電特性對相隔種子電容脈沖峰值的間隔，設計了基于電容信號的傳感器，實現(xiàn)對種子漏播與重播現(xiàn)象的檢測。金鑫等[15]采用紅外光電檢測技術實現(xiàn)了種子流量的實時監(jiān)測，并采用變介電常數(shù)電容式傳感器監(jiān)測排肥情況，能夠對小麥播種作業(yè)質量進行有效監(jiān)測，降低了生產(chǎn)成本。張霖等[16]采用壓電原理利用陶瓷片對種粒計數(shù)與漏播進行檢測，通過對系統(tǒng)阻尼振動頻率與阻尼比分析，將種子短暫的沖擊作用變換為單個波峰電壓信號，完成對種粒的準確計數(shù)。高速攝影與圖像處理技術等[17-23]也被廣泛應用在播種監(jiān)測領域，但所采用設備和處理系統(tǒng)較為復雜，不便于在播種機身裝配及田間應用。黃東巖等[24-25]基于PVDF壓電薄膜特性研究了壓電薄膜的工作機理，運用壓電薄膜檢測技術分析種子下落的運動碰撞，實現(xiàn)了對播種質量的檢測。丁幼春等[26]利用光纖傳感器對油菜精量排種器的性能檢測、漏播檢測與補種進行了研究，由于光纖材料特殊傳感器成本高，傳感器在播種機上的裝配價格高于播種機自身價值，代價太高，不利于在實際應用中推廣。

為了對蔬菜播種機播種質量進行監(jiān)測，實現(xiàn)小粒種子精量播種，本文采用具有面檢測特性的光電傳感器，對蔬菜小粒種子排種進行實時監(jiān)測，設計播種質量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對粒徑0.5～1.5 mm小粒種子的檢測。

1 小粒種子電動播種機

針對小粒種子粒徑小、質量輕、不易監(jiān)測的問題，設計了具有實時檢測功能的小粒種子電動播種機，主要由播種系統(tǒng)和智能監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。

圖1 播種機組成框圖Fig.1 Diagram of seeder block

播種系統(tǒng)包括前鎮(zhèn)壓輪、排種器、電源箱、后鎮(zhèn)壓輪、電機、調(diào)控器、覆土器、開溝器等，結構如圖2所示。該電動播種機由電源箱提供電力，供電機和調(diào)控器運轉。電機安裝在后鎮(zhèn)壓輪內(nèi)部，后鎮(zhèn)壓輪經(jīng)鏈條連接帶動排種器軸轉動，排種器軸帶動排種輪轉動實現(xiàn)排種，種子通過排種管落入開溝器開出的種溝內(nèi)，經(jīng)覆土、鎮(zhèn)壓完成播種。調(diào)控器安裝在播種機扶手一側，通過對電機轉速的控制實現(xiàn)播種機前進速度的調(diào)整。前鎮(zhèn)壓輪位于開溝器前端，主要用于將土壤平整壓實以提高開溝穩(wěn)定性。

圖2 小粒種子電動播種機結構圖Fig.2 Structural diagram of small seed electric seeder 1.前鎮(zhèn)壓輪 2.排種器 3.電源箱 4.后鎮(zhèn)壓輪 5.調(diào)控器 6.電機 7.覆土器 8.開溝器

智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括漏播監(jiān)測子系統(tǒng)、排種監(jiān)測子系統(tǒng)和可視化子系統(tǒng)。漏播監(jiān)測子系統(tǒng)主要采用具有面檢測特性的光電傳感器實現(xiàn)對播種量和漏播情況的實時監(jiān)測。排種監(jiān)測子系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器對種子運動過程進行視頻采集，實現(xiàn)對排種器排種、種子下落的實時監(jiān)測?？梢暬酉到y(tǒng)包括STM32微控制器和車載計算機，可完成采集數(shù)據(jù)的實時處理、顯示和報警，實現(xiàn)作業(yè)質量監(jiān)測過程和結果的可視化。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件由漏播監(jiān)測子系統(tǒng)、排種監(jiān)測子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)3部分組成， 系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

2.1.1漏播監(jiān)測子系統(tǒng)設計

漏播監(jiān)測子系統(tǒng)包括傳感器檢測頭、屏蔽電纜線和放大器，如圖4a所示。傳感器檢測頭經(jīng)屏蔽電纜線與放大器相連，放大器配置有持續(xù)可變靈敏度調(diào)節(jié)器，可對檢測精度進行微調(diào)。

基于電動播種機排種器距地面較近，且排種管下端位于開溝器內(nèi)部，造成傳感器安裝位置和檢測方式等受到限制，傳感器檢測頭采用矩形紅外面檢測光電傳感器，如圖4b所示。傳感器檢測頭采用帶活門的矩形結構，固定在排種管中段，置于開溝器上端，如圖5所示?；赑MMA透鏡紅外線LED投光可實現(xiàn)對21 mm×21 mm感應區(qū)內(nèi)0.5 mm以上不透明物體的面檢測，且針對紅外線檢測時對感應區(qū)域透光度的需求，排種管采用直徑20 mm的透明PVC軟管。

圖4 光電傳感器實物圖Fig.4 Diagrams of photoelectric sensor 1.傳感器檢測頭 2.屏蔽電纜線 3.放大器

圖5 傳感器安裝示意圖Fig.5 Installation schematic diagram of sensor 1.開溝器 2.光電傳感器

漏播監(jiān)測子系統(tǒng)主要監(jiān)測排種管內(nèi)通過的種子數(shù)量，反饋播種信息，并對漏播實時報警。排種管中下落的種粒通過傳感器檢測區(qū)域時，由于不透明種粒對光線的遮擋產(chǎn)生遮光量，當遮光量小于設定的閾值時認定為漏播，并輸出報警信號。

在實際應用中，傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)微控制器進行相關處理并判斷是否出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象，再由報警單元實現(xiàn)對應的漏播或重播報警。根據(jù)相關標準[27]，具體判斷依據(jù)為0.5d≤vΔt≤1.5d(正常)；vΔt>1.5d(漏播)；vΔt<0.5d(重播)。其中d為理論株距，m；Δt為相鄰兩粒種子下落時間間隔，s；v為播種機前進速度，m/s，該速度可由播種機速度傳感器獲得，本設計使用霍爾傳感器作為播種機速度傳感器。

播種過程中漏播檢測精度易受透光率、振動等影響而降低。本系統(tǒng)采用微分檢測脈沖輸出模式，不影響因長時間積塵等透光率偏低時的檢測效果，能夠滿足播種質量監(jiān)測系統(tǒng)的精度。

2.1.2排種監(jiān)測子系統(tǒng)設計

排種監(jiān)測子系統(tǒng)包括SDK開發(fā)模組和CMOS圖像傳感器，如圖6所示。圖像傳感器通過數(shù)據(jù)線與SDK開發(fā)模組相連，主要用于監(jiān)測排種器排種情況。CMOS圖像傳感器采用可彎曲數(shù)據(jù)線內(nèi)置在排種器排種口處，不影響排種器正常排種軌跡，如圖7所示。SDK開發(fā)模組固定在排種座上，通過逆變器與車載電源轉換完成供電，配備專門的影像信號處理IPS硬核，控制指令ARM核，可根據(jù)實際進行二次開發(fā)。排種監(jiān)測子系統(tǒng)可實現(xiàn)實時影像采集，具備存儲、回放功能，性能穩(wěn)定，滿足監(jiān)測系統(tǒng)影像采集需要，解決了由于種粒過小和播種機配備部件安裝緊密導致的不便于觀察落種情況的問題。

圖6 CMOS圖像傳感器實物圖Fig.6 Image of CMOS image sensor

圖7 CMOS圖像傳感器安裝圖Fig.7 Installation diagram of CMOS image sensor 1.排種器 2.排種器軸 3.CMOS攝像頭

2.1.3可視化子系統(tǒng)設計

可視化子系統(tǒng)包括微控制器和上位機，微控制器選用單片機STM32，主要用于接收、處理各傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將處理后數(shù)據(jù)上傳至上位機，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和結果的可視化。

上位機采用多功能一體機，小粒種子電動播種機監(jiān)測系統(tǒng)平臺如圖8所示，可執(zhí)行播種機的啟、停操作，并實現(xiàn)作業(yè)情況、報警信息和影像監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)的實時顯示、聲光報警和存儲。

圖8 上位機軟件操作界面Fig.8 Interface of software operation on upper computer

2.2 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)程序由Visual Basic 6.0語言編寫，主要實現(xiàn)播種機啟動與停止、漏播管道顯示和報警、落種過程實時顯示，操作界面如圖8所示。

通過操作界面上設置的啟動和停止按鈕控制電動播種機電機的轉動，實現(xiàn)播種機的啟停。通過對監(jiān)測系統(tǒng)播種作物和株距的選擇，可改變微控制器內(nèi)部對播種監(jiān)測閾值的設定，實現(xiàn)傳感器對0.5～1.5 mm不同粒徑種子的監(jiān)測，且保證監(jiān)測精度滿足監(jiān)測要求。

主系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示，首先微控制器上電系統(tǒng)進行初始化，然后設置系統(tǒng)參數(shù)，參數(shù)輸入完畢，按啟動鍵啟動電機，同時啟動智能監(jiān)測系統(tǒng)。微控制器進行傳感器檢測信號的接收、處理，并計算實時播種間距；通過實時株距與閾值對比判斷是否發(fā)生漏播，實現(xiàn)漏播實時報警。可視化子系統(tǒng)接收并顯示來自微控制器處理后數(shù)據(jù)，實現(xiàn)落種過程、實際播種量、播種速度、報警信息等的可視化監(jiān)測。

圖9 主系統(tǒng)軟件流程圖Fig.9 Flow chart of main system software

漏播監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測流程如圖10所示，系統(tǒng)上電初始化后，當接收到上位機發(fā)出的智能檢測系統(tǒng)啟動信號，啟動子系統(tǒng)所有傳感器，并循環(huán)檢查各傳感器工作情況。依據(jù)傳感器實時檢測信息計算相鄰兩粒落種的時間間隔Δt和播種機前進速度v，獲得實時播種間距，并結合理論播種株距判斷是否發(fā)生漏播現(xiàn)象。若發(fā)生漏播現(xiàn)象，則上傳可視化子系統(tǒng)，實現(xiàn)相關的作業(yè)情況和漏播信息顯示和報警。

圖10 漏播監(jiān)測工作流程圖Fig.10 Flow chart of operation of leak detection

圖11 室內(nèi)試驗Fig.11 Indoor test

3 試驗與結果分析

3.1 室內(nèi)試驗

如圖11所示，室內(nèi)試驗主要檢測小粒種子電動播種機監(jiān)測系統(tǒng)檢測精度，通過選用不同孔徑的排種輪，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)對不同粒徑種子檢測適應性的測試，驗證該播種質量監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果。各檢測傳感器與播種機合理配置安裝，不存在擋種、影響播種機作業(yè)等問題，保證了播種機監(jiān)測系統(tǒng)安裝前的作業(yè)性能。試驗過程中分別針對播種計數(shù)、漏播精度檢測、落種影像實時顯示等系統(tǒng)性能進行測試，并將系統(tǒng)檢測結果與人工檢測結果進行對比分析。

3.2 播種計數(shù)監(jiān)測試驗

為獲取實際的落種數(shù)量，將光電傳感器安裝在排種器出種口處，并在排種管下方安裝接料袋。為測試監(jiān)測系統(tǒng)對不同粒徑、形狀、顏色種子的播種檢測精度和系統(tǒng)本身的適應性，選用粒徑0.5～0.9 mm的胡蘿卜、辣椒種子和1.0～1.5 mm的番茄、菠菜種子。為保證播種量計數(shù)的準確性，播種監(jiān)測系統(tǒng)每次啟動時，播種量自動清零。每次試驗結束時監(jiān)測系統(tǒng)平臺顯示的播種量為測量值，接料袋中人工統(tǒng)計的種數(shù)為實際值。重復5次試驗，各次試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 播種計數(shù)試驗結果Tab.1 Test results of seeding counting

從表1中試驗數(shù)據(jù)可以得出，監(jiān)測系統(tǒng)對粒徑0.5～0.9 mm的胡蘿卜/辣椒種子的播種量檢測精度相對誤差不大于4%；對粒徑1.0～1.5 mm的菠菜/番茄種子的播種量檢測精度相對誤差不大于3.6%。因此可得出，物種和粒徑變化對播種質量檢測系統(tǒng)的檢測精度影響不顯著，系統(tǒng)適應性好；本播種質量檢測系統(tǒng)適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的播種量檢測，且播種量檢測準確率達96%，檢測精度相對誤差不大于4%。

3.3 漏播率監(jiān)測精度試驗

通過人為制造漏播故障的方式進行漏播精度檢測試驗。試驗種床帶采用無縫精密橡膠帶，其防靜電和耐壓特點確保了落種的穩(wěn)定性。為了測試種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監(jiān)測精度的影響，選粒徑范圍在0.5～0.9 mm和1.0～1.5 mm的4種小粒種子，并采用與種子粒徑相應的不同孔徑的排種輪進行漏播測試。監(jiān)測系統(tǒng)檢測、記錄、顯示漏播信息，將系統(tǒng)顯示的漏播報警次數(shù)與人工查看種床帶的漏播統(tǒng)計次數(shù)相對比，實現(xiàn)系統(tǒng)漏播率測試。同類種子重復試驗5次，各次試驗數(shù)據(jù)結果如表2所示。

從表2中可以看出，種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監(jiān)測精度的影響不顯著，系統(tǒng)適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的漏播監(jiān)測。漏播監(jiān)測子系統(tǒng)準確率達92.3%，漏播率相對誤差均不大于7.7%，滿足監(jiān)測精度要求。通過試驗過程和結果分析發(fā)現(xiàn)，漏播未報警是由于報警持續(xù)時間小于設置的報警延遲時間，可通過調(diào)節(jié)傳感器響應靈敏度，多次檢測調(diào)節(jié)確定合適延時設置。

表2 種子漏播率試驗結果Tab.2 Test results of seed missing sowing rate

3.4 影像監(jiān)測落種過程精度試驗

當種子下落時，通過影像監(jiān)測子系統(tǒng)實時獲取種子下落信息并傳到可視化子系統(tǒng)，在檢測系統(tǒng)平臺中實時顯示、記錄落種過程。通過實時播放和回放觀察不同管道排種、落種情況，將實際播種粒數(shù)與影像傳輸顯示的種粒數(shù)進行比較，實現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的精度標定和影像顯示精度的試驗，其試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3中可以看出，在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下，該播種質量監(jiān)測系統(tǒng)影像顯示的落種粒數(shù)與人工檢測實際播種數(shù)量相比，相對誤差不大于5%，監(jiān)測精度達95%。其誤差產(chǎn)生原因主要是在種子下落過程中，由于CMOS圖像傳感器焦距標定不合理，對較小粒徑的種子拍攝不清晰而沒有計入落種數(shù)量中，造成誤差，使檢測精度降低。可以通過精度微調(diào)和攝像頭焦距多次標定，提升圖像傳感器實時監(jiān)測精度。

表3 落種圖像顯示試驗結果Tab.3 Test results of seeding image display

4 結論

(1)采用具有面檢測特性的光電傳感器和CMOS圖像傳感器，設計了播種質量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對粒徑0.5～1.5 mm蔬菜小粒種子的播種效果監(jiān)測，該系統(tǒng)能實時準確地檢測播種機的播種質量，受種子粒徑、形狀、株距等影響小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

(2)軟件系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0語言編寫，開發(fā)的監(jiān)測平臺可實現(xiàn)對播種量、漏播情況和落種過程的實時監(jiān)測、顯示和漏播報警等功能。

(3)試驗表明：播種質量監(jiān)測系統(tǒng)對播種量監(jiān)測精度達96%，漏播監(jiān)測精度達92.3%，能夠有效地監(jiān)測小粒種子播種情況，在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下，落種監(jiān)測精度達95%。本監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對小粒種子電動播種機作業(yè)質量的實時監(jiān)測、顯示和報警，提高了監(jiān)測效率。