棉花精量播種質量檢測技術研究

牛程，靳偉，翟俊杰，李陶濤，劉振坤

（新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2022 年中國棉花種植面積為300 萬hm2，棉花產(chǎn)量為597.7 萬t，位列全球第一，印度和美國分別位列第二和第三[1]。中國棉主要有新疆、黃河流域和長江流域三大產(chǎn)棉區(qū)，三大棉區(qū)的產(chǎn)量合計占全國棉花總產(chǎn)量的99%以上，新疆地區(qū)棉花種植面積最大，占中國棉花總種植面積的83.22%[2]。近年來棉花產(chǎn)業(yè)持續(xù)向新疆棉區(qū)集中，其他棉區(qū)種植面積和產(chǎn)量持續(xù)萎縮[3]。

棉花鋪膜精量穴播機可一次性完成鎮(zhèn)壓、鋪滴灌帶、覆膜、膜上穴播及覆土等作業(yè)，單粒率精準度達到90%以上，空穴率小于3%。目前棉花播種過程處于封閉狀態(tài)，無法人工直接監(jiān)控其播種質量，棉花鋪膜精量穴播機的結構和播種要求獨特，因此現(xiàn)有檢測裝置不適應新疆棉區(qū)播種質量檢測需求，且針對棉花精量穴播質量智能檢測技術的研究較少[4-5]。當棉花精量穴播器發(fā)生故障時，由于缺少檢測裝置，會發(fā)生大面積重播、漏播、損傷種子等問題（圖1），以至后期需增加人力補種和補苗。

圖1 棉花漏播缺苗

目前美國和澳大利亞等國家的棉花種植機械化水平基本達到100%，我國棉花機播率為88.16%[5]。新疆棉區(qū)采用地膜覆蓋和精量穴播技術，機械化播種水平較高，但黃河流域和長江流域棉區(qū)仍然以傳統(tǒng)棉花生產(chǎn)方式為主，受人力成本限制，機械化程度較低。由于缺少有效的播種質量檢測裝置，棉花種植過程中易產(chǎn)生漏播及缺種斷行等問題，出苗后補種貽誤最佳播期，增加勞動力成本并造成減產(chǎn)，是當前棉花生產(chǎn)過程中亟待解決的重大問題。

1 棉花播種質量檢測技術研究

1.1 光電式精量條播質量檢測技術

劉靖怡等針對長江流域麥后棉花直播精量播種機缺少播種質量檢測裝置的問題，分析了國內(nèi)外播種檢測傳感技術并結合長江流域麥后棉花種植農(nóng)藝要求設計了適用于長江流域的棉花精量條播檢測裝置[6-8]。棉花精量條播檢測裝置選用黑色樹脂材料經(jīng)3D 打印制成，具有較好的遮光性，其三維模型如圖2。該裝置主要由棉花播種檢測通道、入射端LED 薄面窄縫透光模組、接收端感光模組、信號采集電路板、定位結構、電源及信號傳輸開關組成。其中棉花播種檢測通道由檢測入種口、棉花種子檢測區(qū)域和檢測出種口組成；入射端LED 薄面窄縫透光模組由入射端LED 支架、LED 線陣光源和LED 薄面窄縫透光區(qū)組成；接收端感光模組由接收端支架、硅光電池和平凸透鏡組成；定位結構包括模組支架定位擋板和十字定位柱。

圖2 長江流域棉花精量條播質量檢測裝置三維結構

該檢測裝置工作時硅光電池實時感應光強的變化，其兩側電壓隨之改變，毫伏級棉花種子信號經(jīng)信號采集電路板的RC 低通濾波、兩級放大、二極管半波整流和電壓比較等信號調(diào)理環(huán)節(jié)傳輸至棉花精量播種監(jiān)測終端進行進一步分析和處理，完成排種檢測的信號采集與傳輸。田間試驗表明，當排種頻率為6.04～17.72 Hz 時條播質量檢測準確率達96.61%。

1.2 壓電式精量條播質量檢測技術

楊軍強等利用壓電薄膜的壓電效應設計了精量條播種子流傳感檢測裝置（圖3），實現(xiàn)了種子的實時感知計數(shù)功能。壓電式精量條播質量檢測裝置主要包括入種口、沉槽基板、導管、出種口、壓電薄膜和碰撞腔等[9-10]。

圖3 壓電式精量條播種子流傳感檢測裝置

入種口落入的種子經(jīng)導流管聚集為一束連續(xù)的單粒種子流，減少種子重疊，壓電式精量條播種子流傳感檢測裝置中的沉槽基板—壓電薄膜感應結構提高了種子流檢測時間分辨率和抗振性，通過設計信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)了種子微弱碰撞信號的放大、半波整流、電壓比較及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)調(diào)理轉化為單脈沖信號等功能，無線模塊定時將信號發(fā)送給監(jiān)測顯示終端，實現(xiàn)播量數(shù)據(jù)的實時顯示與保存。田間試驗表明種子流傳感裝置能夠實時檢測播種質量，檢測準確率不低于98%。

1.3 基于機器視覺的棉花穴播質量檢測技術

當棉花播種機發(fā)生故障且無報警檢測裝置時易出現(xiàn)重播、漏播和棉花種子損傷等問題，導致棉花植株疏密不均、棉花生產(chǎn)成本上升、棉花產(chǎn)量和質量降低，給后續(xù)棉花機械化收獲造成諸多不利因素。為此，靳偉等提出基于機器視覺的棉花精量穴播棉花種子快速識別與檢測方法，開展棉花精量穴播質量檢測技術研究，提升棉花種植機械的智能化與信息化水平。

靳偉等設計和研發(fā)了棉花精量穴播種子圖像識別與檢測裝置用于獲取棉花種子的特征信息[11]。棉花穴播種子圖像識別裝置如圖4。該裝置選用KS2A17 高速攝像頭（模組200 萬、高清120 幀），鏡頭可調(diào)整至多種角度并且攝像速度可達120 幀/s，適用于棉花穴播種子的高速運動攝像，攝像頭體積小(長×寬×高：38×38×26，mm)、價格低，可直接安裝于棉花精量穴播器內(nèi)部并檢測播種質量信息。光源選用LED 背光源，其體積為50×45×2.3 mm3、電壓為3 V 的白色定制發(fā)光板；電源選用電壓為12.6V 的鋰電池，電源模塊的輸入電壓范圍為6.5～18 V、輸出電壓為3.3 V，選用單面背膠LED 背光源反射膜將光源發(fā)射的光線經(jīng)反射膜均勻照射到棉花種子與定位標識碼上，解決了因反光導致檢測準確率下降的問題。

2 棉花播種質量檢測技術對比分析

（1）機器視覺檢測技術兼容性高，對所檢測的種子外形和大小沒有嚴格要求，可對種子的落種位姿、落種速度、落種粒數(shù)和粒徑等信息進行分析，但由于其對作業(yè)環(huán)境要求較高，還需深入研究應用于田間實際作業(yè)的實時檢測技術。

（2）光電傳感檢測法具有成本低、無接觸傳感及響應快速等特點，但田間粉塵可能會附著在光敏器件表面，導致感光器件響應靈敏度下降，同時限制感光區(qū)域的光層厚度，導致檢測精度降低。

（3）壓電傳感檢測技術成本較低、在低頻條件下檢測準確率較高，但檢測元件安裝要求較高且易造成種子擁堵。

3 棉花播種質量檢測技術展望

目前棉花精量條播質量檢測系統(tǒng)和裝置的研究尚不成熟，針對棉花精量穴播質量檢測方面的研究資料較少。棉花種植模式、播種機結構及農(nóng)藝要求等因素導致現(xiàn)有檢測系統(tǒng)及裝置不適應棉花精量穴播質量檢測的要求。棉花精量播種機械缺少有效的檢測報警裝置會導致大面積重播、漏播、損傷種子以及后期補種、補苗問題，造成棉花產(chǎn)量和質量降低，給后續(xù)棉花機械化收獲造成諸多不利因素。未來的棉花播種質量檢測技術將向自動化、智能化、精準化和生態(tài)化的方向發(fā)展。

4 結論

文中介紹了三種棉花精量播種檢測技術與方法，對比分析了三種檢測技術的優(yōu)缺點，論述了光電式、壓電式和基于機器視覺的檢測技術在棉花精量條播和穴播質量檢測裝置中的應用。現(xiàn)階段亟需開展對棉花播種質量檢測技術的研究，提升棉花種植機械的智能化與信息化水平以應對國內(nèi)外棉花市場的嚴峻挑戰(zhàn)。