播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望*

陳錦，劉云強(qiáng)，王威，王璐，劉立晶

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,北京市,100083;2.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市,100083)

0 引言

播種是糧食生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),播種質(zhì)量的好壞,直接影響種子生長發(fā)育的土壤環(huán)境,進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。由于播種機(jī)在作業(yè)時,播種過程具有全封閉的特點(diǎn),若播種過程中出現(xiàn)意外情況而未及時消除,就會影響播種質(zhì)量,甚至造成農(nóng)作物大幅減產(chǎn)。為確保播種機(jī)的播種質(zhì)量,可利用現(xiàn)代測控技術(shù)對播種機(jī)各部件的工作狀況進(jìn)行監(jiān)控。

隨著智能化控制技術(shù)的不斷發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者對其在播種機(jī)上的應(yīng)用做了大量研究,并取得了很大進(jìn)步。比如,現(xiàn)階段播種機(jī)排種系統(tǒng)的驅(qū)動主要為機(jī)械傳動,通過地輪傳遞動力至排種軸,繼而驅(qū)動排種器進(jìn)行播種。這種傳動方式缺點(diǎn)為地輪容易打滑,導(dǎo)致漏排種,進(jìn)而影響播種機(jī)的播種質(zhì)量。隨著電驅(qū)技術(shù)的發(fā)展,采用電機(jī)驅(qū)動排種軸轉(zhuǎn)動即可避免這種現(xiàn)象的發(fā)生[1]。由此可見,應(yīng)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化和信息化技術(shù),可提高播種質(zhì)量,帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[2]。

目前我國大多數(shù)播種機(jī)上的監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制器、人機(jī)交互界面以及各種傳感器組成?？刂破魇钦麄€控制系統(tǒng)的核心部件,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理。人機(jī)交互界面是駕駛員操作控制系統(tǒng)的媒介,主要進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的輸入。傳感器可對機(jī)具的工作狀況進(jìn)行檢測,并將數(shù)據(jù)傳輸給控制器。控制系統(tǒng)的工作流程為：駕駛員在駕駛室內(nèi)的人機(jī)界面上輸入播種機(jī)的各項作業(yè)參數(shù),然后主控制器傳輸信號控制工作部件開始工作,安裝在機(jī)體上的傳感器對工作部件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,并將所得數(shù)據(jù)顯示在駕駛室顯示屏上。

國內(nèi)播種機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計等方面與國外的差距已明顯縮小,然而,在智能化程度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后[3]。本文歸納總結(jié)了國內(nèi)外播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究應(yīng)用與現(xiàn)狀,對現(xiàn)有的研究進(jìn)行總結(jié),以期為該領(lǐng)域工作者提供參考。

1 國外播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初,西方國家就已開始將電子技術(shù)用于播種機(jī)的流量檢測、水分檢測以及位置獲取等方面[4]。

在種肥流量的檢測方面,國外學(xué)者做了很多相關(guān)研究,如Karimi等[5]利用聲卡系統(tǒng)進(jìn)行種子下落的計數(shù)和檢測,在種子前方放置鋼板,種子每次撞擊到鋼板時,麥克風(fēng)便會感測到撞擊發(fā)出的聲音進(jìn)而引起電壓上升,通過采集上升的電壓值實(shí)現(xiàn)對種子的計數(shù),然后用MatLab對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這種聲學(xué)采集方式相比于帶狀采集可以獲得近乎無限量的數(shù)據(jù),消除了種子滑動或彈跳的風(fēng)險,且更能節(jié)省工作時間,提升工作效率。Karimi等[6]還通過設(shè)計實(shí)驗(yàn)裝置,對比研究了激光二極管、紅外傳感器和光敏電阻傳感單元三者對種子流量監(jiān)測的效果,結(jié)果表明,紅外傳感器的效果相對其他兩種來說是最優(yōu)的,更適合用于種子流量的檢測。在傳感器的選擇方面,Taghinezhad[7]采用平行板電容式傳感器進(jìn)行播種機(jī)均勻性的測量,并將測量結(jié)果顯示在顯示屏上。在土壤水分監(jiān)測以及播深控制方面,Mander等[8]通過使用電容式土壤水分傳感器,將含水量轉(zhuǎn)化為電壓量進(jìn)行獲取,繼而可對土壤中水分的入滲速率,排水以及使用情況進(jìn)行監(jiān)測。Nielsen等[9]通過傳感與控制系統(tǒng)來保持播種機(jī)恒定的播種深度,并對整個系統(tǒng)進(jìn)行了測試。在播種機(jī)的位置獲取方面,GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以及各種輔助導(dǎo)航系統(tǒng)也得到了應(yīng)用。Leemans等[10]通過利用機(jī)器視覺,設(shè)計了一種精密播種機(jī)的輔助導(dǎo)航系統(tǒng),分析了該機(jī)構(gòu)與控制算法的性能,并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

綜上所述,國外對播種機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究起步較早,技術(shù)已發(fā)展較為成熟,多種不同類型的監(jiān)控系統(tǒng)在播種機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

2 國內(nèi)播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國自20世紀(jì)末才開始將監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到播種機(jī)上,落后于西方國家,且監(jiān)控系統(tǒng)只用于精密播種上。條播的種子流量監(jiān)測,種子下落時間等還處于試驗(yàn)室研究階段。近年來我國在精密播種監(jiān)控方面研究進(jìn)展很快,符合我們國情的各種監(jiān)控系統(tǒng)相繼出現(xiàn)[4,11-13]。目前各項組成部分的技術(shù)與應(yīng)用情況如下。

2.1 控制器

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境復(fù)雜多樣,因此根據(jù)不同的需求選擇合適的控制器變得尤為關(guān)鍵。許多控制器都可實(shí)現(xiàn)所需的功能,我國現(xiàn)有的播種機(jī)控制系統(tǒng)中控制器分為以下幾類(表1)。

表1 播種監(jiān)控系統(tǒng)控制器比較分析Tab.1 Comparison and analysis of the controller of sowing monitoring system

表2 常用測速傳感器性能對比Tab.2 Performance comparison of commonly used speed sensors

單片機(jī)由于其數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),學(xué)習(xí)門檻低,在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制中應(yīng)用十分廣泛。雷小龍等[14]利用Arduino單片機(jī)作為主控制器,利用HC-06藍(lán)牙模塊和串口通信作為數(shù)據(jù)傳輸方式,將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂铺幚砥?利用Android終端進(jìn)行播種作業(yè)參數(shù)的設(shè)置。楊碩等[15]利用STM32F105RBT6為核心,利用Keil5軟件進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)播種環(huán)境的氣壓讀取、落種檢測等功能。

可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)由于其穩(wěn)定的性能,入門較為容易,在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用,在農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制領(lǐng)域也受到了眾多學(xué)者的青睞。楊碩等[15]利用集成控制器TTC580通過頻率采集端口對車速和電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行采集,通過電壓輸出端口控制電機(jī)驅(qū)動器,進(jìn)而控制排種軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

此外,嵌入式Linux控制系統(tǒng)也在農(nóng)機(jī)控制領(lǐng)域得到了應(yīng)用。王麗娟等采用ZigBee進(jìn)行無線通信,將傳感器采集到的信息傳送到嵌入式Linux系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可以滿足高精度播種的需求。

2.2 人機(jī)交互界面

在機(jī)手進(jìn)行田間作業(yè)時,通過在駕駛室安裝人機(jī)交互界面,可以使駕駛員實(shí)時了解機(jī)器的作業(yè)情況,方便應(yīng)對各種突發(fā)情況。人機(jī)交互界面是操作者與控制系統(tǒng)交換信息的橋梁,在該領(lǐng)域已經(jīng)有諸多方式可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

由于移動端的發(fā)展,手機(jī)功能變得越來越強(qiáng)大,因此,很多學(xué)者在手機(jī)上開發(fā)App進(jìn)行農(nóng)機(jī)具的遠(yuǎn)程監(jiān)測,方便進(jìn)行實(shí)時控制。丁友強(qiáng)等[16]采用Android studio進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開發(fā),播種機(jī)作業(yè)時,可通過手機(jī)或平板實(shí)時觀測作業(yè)參數(shù),并可通過移動端進(jìn)行作業(yè)參數(shù)的調(diào)整和控制。

由于單片機(jī)用戶基礎(chǔ)良好,而串口屏可直接與單片機(jī)等控制器實(shí)現(xiàn)串口通信,易于進(jìn)行人機(jī)交互,開發(fā)簡單,設(shè)計上較為靈活,因此也得到了廣泛應(yīng)用。但是其總體售價較高,繼而制約了它的推廣。劉婉茹等采用mini dgus系列的Amt48320m035-06wt型串口觸摸屏,存儲模塊采用i2c協(xié)議,可以在界面內(nèi)觀測調(diào)整小麥播種的各種作業(yè)參數(shù),從而對播種機(jī)進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整。

組態(tài)屏主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域,由于其使用靈活,反應(yīng)速度快,因此在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。陳進(jìn)等[17]利用三菱GT12型觸摸屏作為上位機(jī),與三菱FX2N型PLC進(jìn)行通信,采用Kingview6.5進(jìn)行軟件開發(fā),控制機(jī)械手進(jìn)行循環(huán)吸、排種,提高了育秧播種機(jī)的工作效率。張伏等[18]利用MCGS觸摸屏對PID控制器進(jìn)行控制,并通過傳感器對播種機(jī)進(jìn)行檢測,對播種機(jī)進(jìn)行實(shí)時的檢測與調(diào)整。

由于計算機(jī)的發(fā)展以及應(yīng)用場合的不同,很多學(xué)者直接在計算機(jī)終端進(jìn)行上位機(jī)界面的開發(fā)。高原源等[19]開發(fā)了基于LabVIEW的上位機(jī)畫面,通過電子控制單元采集傳感器的信號并上傳到上位機(jī),并通過所建模型實(shí)時顯示播種深度。白慧娟等[20]采用IEI Ikarp型車載計算機(jī),采用Lab Windows CVI2012軟件進(jìn)行軟件界面的開發(fā)和設(shè)計,通過計算機(jī)終端顯示當(dāng)前下壓力和鎮(zhèn)壓力的具體數(shù)值,并可對該數(shù)值進(jìn)行實(shí)時修改和調(diào)整。高原源等[21]采用CODESYS作為PLC的編程工具,使用其自帶的CODESYS Visualization功能進(jìn)行顯示器的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了對播種機(jī)作業(yè)參數(shù)的檢測和控制。

采用與單片機(jī)配套使用的LCD液晶屏也可進(jìn)行簡單信息的顯示,功耗低,體積較小,顯示信息量大,但電路較為復(fù)雜。靳曉波[22]結(jié)合工作環(huán)境的實(shí)際狀況,采用LCD12864液晶顯示屏和矩陣按鍵進(jìn)行控制和檢測,該液晶屏為串口工作方式,系統(tǒng)正常工作時液晶屏上顯示正常的工作參數(shù),當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,對應(yīng)的LED等閃爍,還可通過矩陣按鍵對工作部件進(jìn)行快捷設(shè)置。

2.3 傳感檢測裝置

在播種機(jī)作業(yè)的過程中,需要通過傳感檢測裝置對播種機(jī)的各項參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,并將檢測到的數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)交互界面上?，F(xiàn)有播種機(jī)主要通過各種傳感器對排種軸轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、種子單粒下落數(shù)目、種肥箱的料位、播種機(jī)定位等進(jìn)行監(jiān)測。

排種器是播種機(jī)的核心部件,眾多學(xué)者將各種傳感器應(yīng)用在了排種軸的速度監(jiān)測上。各種傳感器由于其原理與性能的不同被應(yīng)用在不同的場合。蔣春燕[23]在拖拉機(jī)前輪上貼上磁鋼,利用霍爾傳感器檢測探頭周圍的磁場強(qiáng)度變化,通過計算傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)便可以得出播種機(jī)的前進(jìn)速度。張春嶺等[24]采用雷達(dá)測速儀,通過采集發(fā)射與接收的頻率差來檢測播種作業(yè)速度。楊程等[25]利用干簧管傳感器進(jìn)行行進(jìn)速度的采集,提高了速度采集的精度。使用編碼器等可以準(zhǔn)確獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速,但由于地面崎嶇不平等因素,會對播種機(jī)實(shí)際速度的測量造成影響。因此,有學(xué)者利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)直接進(jìn)行機(jī)具的測速,可有效避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備提供了精確的導(dǎo)航[26],并能及時矯正存在的偏差[27]。操作員可以通過它進(jìn)行播種機(jī)路徑的規(guī)劃,并實(shí)時獲取播種機(jī)的位置。目前,美國的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)由于起步早,發(fā)展時間長,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,因此應(yīng)用較為廣泛。丁友強(qiáng)等[11]通過NMEA-0183協(xié)議,利用GPS進(jìn)行定位,利用GPS接收機(jī)接收信號,得到機(jī)具的工作速度。苑嚴(yán)偉等[28]通過GPS系統(tǒng)獲得播種機(jī)所在的實(shí)時坐標(biāo),將采集到的工作速度及坐標(biāo)與作業(yè)處方圖進(jìn)行比較,并根據(jù)理論數(shù)據(jù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量播種和變量施肥。近年來,我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)也不斷發(fā)展,逐漸得到了應(yīng)用。丁幼春等[29]采用高精度北斗定位模塊和電子羅盤進(jìn)行組合導(dǎo)航,得到了履帶式播種機(jī)的位置和航向信息。

由于田間作業(yè)地面崎嶇不平,播種機(jī)的上下震動較大,這會對排種器的排種性能產(chǎn)生影響,因此有學(xué)者通過加速度傳感器對機(jī)具的震動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。黃小珊[30]采用加速度傳感器對排種器的振動進(jìn)行監(jiān)測,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了影響播種合格指數(shù)較大的因素。

種子從排種器中排出后,需要經(jīng)過導(dǎo)種管才能下落到土壤中,因此學(xué)者們通過在導(dǎo)種管中安裝傳感器來監(jiān)測種子的下落情況。雷聲媛等利用電容檢測法對種子進(jìn)行檢測,由于小麥種子的介電常數(shù)與空氣不同,故當(dāng)有種子從電容極板間下落時,會引起電容的變化進(jìn)而產(chǎn)生電信號,以此來對下落的種子進(jìn)行檢測。

種子落入土壤后,需要通過鎮(zhèn)壓輪對種子周圍的土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓。在試驗(yàn)階段,學(xué)者們利用傳感器采集鎮(zhèn)壓力的大小,進(jìn)而確定最佳鎮(zhèn)壓力度的大小。在正常工作條件下,通過對鎮(zhèn)壓力大小進(jìn)行監(jiān)測,對鎮(zhèn)壓力的大小進(jìn)行調(diào)整。白慧娟等[20]利用銷軸傳感器對播深和壓實(shí)度進(jìn)行檢測,進(jìn)而實(shí)時調(diào)節(jié)仿形機(jī)構(gòu)的液壓力,實(shí)現(xiàn)對播深和壓實(shí)力的間接控制。高原源等[31]通過銷軸傳感器進(jìn)行下壓力的測量,并進(jìn)行了傳感器的力學(xué)分析,建立了融合播種深度因素的播種下壓力測量修正模型。

在種箱肥箱的監(jiān)測上,通過在種箱肥箱內(nèi)放置傳感器,可使駕駛員實(shí)時觀測到種肥箱中的情況,進(jìn)而快速做出反應(yīng)。苑嚴(yán)偉等[28]通過使用電容傳感器和壓力傳感器對種箱肥箱中的種肥進(jìn)行監(jiān)測,可判斷種肥箱中種肥剩余量的多少以及是否需要添加種子。

2.4 信號傳輸

傳感器與控制器之間的通信十分重要,各種通信方式因?yàn)椴煌奶攸c(diǎn)被應(yīng)用在了不同場合。

CAN總線由于其高性能和可靠性,在汽車產(chǎn)業(yè),工業(yè)自動化,醫(yī)療設(shè)備等方面得到了廣泛的應(yīng)用。很多學(xué)者也將其應(yīng)用在了農(nóng)業(yè)機(jī)械的通信上。丁友強(qiáng)等[32]通過CAN總線實(shí)現(xiàn)播種單體驅(qū)動器與主控制器之間的通信,實(shí)現(xiàn)了變量播種控制數(shù)據(jù)的分散化處理,降低了主控制器數(shù)據(jù)處理的壓力,提高了數(shù)據(jù)處理的速度。紀(jì)朝鳳等[12]運(yùn)用CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了智能控制終端,轉(zhuǎn)向控制單元和傳感器信號采集模塊之間的數(shù)據(jù)通信。農(nóng)業(yè)裝備的CAN總線通信模式成為目前農(nóng)業(yè)裝備的主要現(xiàn)場通信模式[33],但國內(nèi)精密播種裝備的CAN總線通信發(fā)展仍相對滯后[34]。

由于田間環(huán)境復(fù)雜,有線傳輸易與田間雜草等發(fā)生纏繞,影響機(jī)具作業(yè),因此,WIFI,藍(lán)牙等無線通信技術(shù)在播種機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用(表3)。劉志欣等[35]采用CC2530芯片,利用ZigBee的應(yīng)用層,將標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)通過透傳方式進(jìn)行傳輸。閆海敬[36]采用HC-06藍(lán)牙模塊進(jìn)行單片機(jī)與Android之間的無線通信,通過移動端控制電機(jī)的驅(qū)動模塊,從而控制種植機(jī)的運(yùn)行。王影等[37]采用WIFI模塊進(jìn)行單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸,以實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和訪問的目的。

表3 常用無線通信方式對比Tab.3 Comparison of common wireless communication methods

2.5 其他技術(shù)及應(yīng)用

隨著科技革命的興起,計算機(jī)視覺等技術(shù)得到了快速發(fā)展,眾多學(xué)者也將該項技術(shù)應(yīng)用到播種機(jī)上,對提高播種機(jī)的性能有很大的輔助作用。由于田間影響因素較多,且大部分種子與土壤顏色相差較小,干擾因素較多,故該項技術(shù)目前主要應(yīng)用于試驗(yàn)臺上排種器的粒距檢測以及輔助導(dǎo)航方面。孫乃旭等通過DSP處理器和計算機(jī)輔助系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對田間圖像的處理,可以有效地提高播種機(jī)的導(dǎo)航效率。李朋飛等利用MatLab通過小波變換以及閾值收縮法對線陣CCD掃描或取得圖像進(jìn)行處理,得到了種子之間準(zhǔn)確的間距。王平崗等利用計算機(jī)視覺技術(shù)對播種的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,并用過顯示電路顯示播種的質(zhì)量,并在質(zhì)量出現(xiàn)問題時發(fā)出報警。趙鄭斌等利用AVT1394相機(jī)進(jìn)行圖像的獲取,采用VC++以及HALCON算法進(jìn)行了機(jī)器視覺系統(tǒng)的開發(fā),在針式精量播種機(jī)上進(jìn)行了穴盤的精密播種性能測試。蔡曉華等通過在工業(yè)相機(jī)上安裝采集卡,以及自行研制的C++圖像處理軟件,對試驗(yàn)臺上種子的粒距進(jìn)行了處理和檢測。

PID算法是工業(yè)應(yīng)用中最廣泛的算法之一,在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。趙曉順等[38]通過Z-N法和模糊控制對PID參數(shù)進(jìn)行了整定,利用MatLab完成了模糊PID控制設(shè)計,并使用其中的Simulink完成了仿真,縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間,提高了控制精度。電機(jī)采用PWM調(diào)速方式,并使用PID智能控制策略。

播種機(jī)在田間作業(yè)時,有時會發(fā)生故障,而故障的排查費(fèi)時費(fèi)力,會極大地影響作業(yè)效率,耽誤播種時間,有學(xué)者將智能診斷技術(shù)運(yùn)用到播種機(jī)的故障診斷中。宣峰等將智能診斷技術(shù)與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對播種機(jī)的故障進(jìn)行判斷,并利用MatLab軟件建立了仿真模型,提高了故障判斷的準(zhǔn)確性。

3 我國播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)存在問題

目前,我國播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動化、智能化水平還處在一個較低發(fā)展階段,雖然已經(jīng)出現(xiàn)很多新技術(shù)并進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究,但大多數(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室階段,并未得到實(shí)際的推廣和應(yīng)用。我國應(yīng)緊跟時代的潮流,加速自動導(dǎo)航、變量播種、云服務(wù)平臺、智能傳感等新技術(shù)的研究。雖然目前各種傳感檢測技術(shù)在播種機(jī)上已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用,但是仍存在以下問題需要解決。

1) 排種器驅(qū)動方式滯后。在國外農(nóng)機(jī)裝備中,地輪驅(qū)動、液壓馬達(dá)驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等多種驅(qū)動方式均有應(yīng)用,而我國排種器驅(qū)動方式主要為地輪驅(qū)動,只能通過改變更換鏈輪改變傳動比,進(jìn)而改變株距,且易受打滑等因素影響,進(jìn)而影響播種精度。

2) 信號傳輸方式落后,抗干擾能力較弱?，F(xiàn)在播種機(jī)上的信號傳輸主要使用有線傳輸,布線復(fù)雜,易受震動、灰塵等田間環(huán)境因素影響,若播種機(jī)上的線纜與田間雜草、樹枝等發(fā)生纏繞,則會影響作業(yè)效率,甚至發(fā)生故障,無線傳輸安裝簡單,但穩(wěn)定性較差,故障率高,田間作業(yè)環(huán)境相對復(fù)雜,易對信號傳輸造成影響。

3) 農(nóng)用傳感器自主研發(fā)能力較弱,精度較低,與現(xiàn)有機(jī)型不配套。我國傳感器生產(chǎn)研發(fā)水平與國外有較大差距,一方面,國外傳感器起步較早,種類齊全,國產(chǎn)的農(nóng)業(yè)類傳感器應(yīng)用種類相對較少,且國內(nèi)農(nóng)機(jī)具種類繁雜,傳感器配套程度較低。如在流量監(jiān)測方面,國外農(nóng)機(jī)企業(yè)的高端機(jī)型上大都配備有流量傳感器,而國內(nèi)的一般不具備此類傳感器[39]。另一方面,國外傳感器監(jiān)測精度較高,性能穩(wěn)定,可在高速工況下作業(yè),國外播種機(jī)作業(yè)速度可達(dá)18 km/h,而國內(nèi)播種機(jī)一般為6～10 km/h,由此可見,國內(nèi)傳感器自主研發(fā)能力有待提高。

4) 播種機(jī)智能化程度較低。國外已經(jīng)開始將處方圖、GPS定位、變量播種等新技術(shù)應(yīng)用到播種機(jī)監(jiān)控領(lǐng)域,可根據(jù)土壤水分、肥料等物理化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行變量播種,將土壤肥力進(jìn)行最大化利用。我國目前智能化水平較低,僅可根據(jù)傳統(tǒng)方法進(jìn)行均勻播種。

5) 應(yīng)用推廣成本較高。使用電子監(jiān)控系統(tǒng)時,雖然極大地提高了作業(yè)質(zhì)量,但成本增加,一套完善的播種機(jī)監(jiān)控設(shè)備要花費(fèi)數(shù)萬元之多,制約了它的推廣與應(yīng)用。另外,由于我國播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)質(zhì)量體系和服務(wù)體系發(fā)展不夠完善,作業(yè)性能不夠穩(wěn)定,故障率較高,需要經(jīng)常校正和維護(hù),成本也隨之提高。

4 我國播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢

在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下,高速、智能、精密播種是播種機(jī)的發(fā)展方向。隨著國家政策的指引以及農(nóng)民意識的提高,我國播種技術(shù)取得了很大的進(jìn)步,針對上述存在問題,本文提出未來監(jiān)控技術(shù)在播種機(jī)上的研究方向。

1) 在排種器驅(qū)動方面,未來應(yīng)逐步由地輪傳動提供動力轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動、液壓馬達(dá)驅(qū)動等多種驅(qū)動方式,滿足用戶的不同需求,提高播種的速度和精度。

2) 在信號傳輸方面,應(yīng)采用5G等先進(jìn)傳輸技術(shù),加強(qiáng)對高速無線傳輸技術(shù)方面的研究,實(shí)現(xiàn)信號無線傳輸,提高指令的傳輸效率,通過加裝保護(hù)外殼等各項措施,降低作業(yè)過程中灰塵、雨水等其他因素的影響。

3) 在傳感器研制方面,我國應(yīng)提高自主創(chuàng)新能力,適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備的發(fā)展方向,對于不同種類的農(nóng)機(jī)具制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而對相應(yīng)傳感器進(jìn)行配套設(shè)計,針對我國農(nóng)機(jī)具上不同的監(jiān)控需求設(shè)計土壤養(yǎng)分、播深監(jiān)測、種子位置監(jiān)測等各類傳感器,研發(fā)精度高、抗干擾性能好、適應(yīng)性強(qiáng)的傳感器。

4) 在播種機(jī)智能化方面,我國應(yīng)增強(qiáng)變量播種、無人駕駛、處方圖等新技術(shù)在播種機(jī)上的研究與應(yīng)用,提高播種機(jī)具的智能化水平。

5) 在應(yīng)用推廣方面,我國一方面應(yīng)提高自身技術(shù)水平,加大研發(fā)力度,降低系統(tǒng)故障率;另一方面,應(yīng)出臺相關(guān)政策,加大對本土智能農(nóng)機(jī)裝備的補(bǔ)貼力度,促進(jìn)監(jiān)控設(shè)備的推廣及應(yīng)用。

5 結(jié)語

隨著播種技術(shù)不斷發(fā)展,我國播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)取了一定成績,但與國外技術(shù)發(fā)展水平相比,仍存在一定差距。為解決實(shí)際生產(chǎn)中種子漏播、重播以及播種均勻性差等問題,結(jié)合現(xiàn)階段農(nóng)用傳感器精度較低、與現(xiàn)有機(jī)型不配套、抗干擾能力較弱、智能化水平較低的現(xiàn)狀,本文介紹了國內(nèi)外播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀,對控制器、人機(jī)交互界面、傳感檢測裝置、信號傳輸?shù)冉M成部分的工作原理和應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述,認(rèn)為我國播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在排種器驅(qū)動方式滯后、信號傳輸方式落后、農(nóng)用傳感器自主研發(fā)能力較弱、智能化水平較低、應(yīng)用推廣成本較高的問題,結(jié)合我國現(xiàn)狀提出了未來播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。