精密播種機播種計量監測系統的研究

戈天劍，趙　斌，衣淑娟，陳　金，王曉偉，范學佳，趙明慧

(1.黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶　163319；2.黑龍江省建三江前進工商行政管理局，黑龍江 佳木斯　156331)

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精密播種機播種計量監測系統的研究

戈天劍1，趙斌1，衣淑娟1，陳金1，王曉偉1，范學佳1，趙明慧2

(1.黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶163319；2.黑龍江省建三江前進工商行政管理局，黑龍江 佳木斯156331)

摘要：為了提高播種機作業效率與質量，設計了播種計量監測系統。系統以嵌入式微處理器為核心，采用無線通信的方式進行數據傳輸，使用編碼器實時采集播種機的作業距離，通過3對紅外光電傳感器對種子下落信息進行采集，使用電容式接近開關進行種箱狀態的監測，由LCD液晶屏顯示獲取的參數。田間試驗結果表明：系統性能穩定可靠，報警及時準確，對提高播種機工作效率具有重要意義。

關鍵詞：播種機；計量；監測；編碼器；接近開關

0引言

隨著農業機械化水平的不斷提高，精密播種機已經廣泛應用于大面積播種作業中。精密播種機可實現一穴一粒，不僅節約種子、減少定苗工作量，而且能增加作物產量[1]，提高了播種效率和質量。播種機的導種管安裝在兩個開溝器中間，排種器也是封閉設計的，作業過程中無法觀察其工作情況；另外，精密播種機都是多行同時作業，田間情況惡劣，會出現導種管管口被雜物堵塞或種子在導種管內部堆積造成堵塞、種箱排空等問題，如果無法及時發現故障并排除，會造成大面積漏播，嚴重影響糧食產量。因此，研究一套播種機播種計量監測系統對提高農業生產水平具有重要意義。

國外對精密播種機監測系統研究起步較早，技術比較成熟[2]，如美國內布拉斯加大學研究出一種快速測量播種機排種間距的光電傳感器系統[3]。國內對播種機監測技術的研究起步較晚，華中農業大學王樹才等采用壓電傳感器，將單粒種子下落的物理量轉化為電量，通過信號轉換檢測其排種性能參數[4]。國內多數研究為種管堵塞及種箱排空的監測[5-9]，在重播、漏播的技術上不完善，且光電傳感器監測盲區較大；

在株距和作業面積兩個參數測量上，常常通過測量機具作業距離來計算。以往的距離測量常采用超聲波測距法[10]，但由于田間空曠，沒有參照物，無法實現。隨著GPS技術的發展和廣泛使用，GPS被用來測量各種作業面積[11-14]，但精度不高。為了彌補上述的不足，設計了一套精密播種機播種計量監測系統，將3對光電傳感器并排安裝在導種管中部[15-16]，有效地減少了監測盲區；通過安裝在地輪的編碼器間接測量機具的作業距離，提高了精度，降低了成本；系統可顯示播種機作業過程中的各項參數，發現故障并及時報警，并可適用于不同類型的播種機，性能穩定。

1監測系統的構成

監測系統結構如圖1所示。系統由上位機系統和下位機系統組成，上位機系統主要完成接收數據顯示、人機通信及播種機作業距離采集等。編碼器安裝在播種機的地輪上，由上位機進行信號采集，計算出的作業距離和傳上來的播種量經計算后得出平均株距，作業面積由播種機作業距離與作業幅寬計算后獲得，最終顯示在LCD液晶屏上；農戶通過按鍵設定監測系統的工作范圍(4、6、9、12行)；通過無線模塊，上位機可以向下位機發送控制指令、接收信息并顯示，下位機根據不同的指令向上位機傳送數據。下位機主要完成播種量的測量、種箱與種管狀態的監測，并及時將信息傳送到上位機。由光電傳感器對種子下落信號進行采集和導種管空、堵的監測，正常工作狀態下采集到的落種信號經調理電路和邏輯判斷后送入單片機運算處理，將播種量傳輸到上位機。如果發生導種管排空或堵塞的故障，立即向上位機發送報警信息。安裝在種箱內的電容式接近開關會實時監測種箱內的狀況，一旦發生故障，向上位機發送報警信息。上位機接到報警信息后會在顯示屏上顯示故障區域，啟動報警器通知駕駛員停車排除故障。

圖1　監測系統結構圖

2上位機系統硬件設計及測量原理

上位機系統由微處理器模塊、無線模塊、旋轉編碼器、按鍵開關及報警模塊組成，主要是完成系統監測范圍的設定、作業面積和株距的計算、與下位機之間的無線通信，以及對接收到的數據進行顯示。當下位機傳上來報警信號時，及時處理并在顯示屏上顯示出故障區域，同時啟動報警。

2.1　作業面積及株距測量原理

GPS定位和測量作業面積的方法已應用到農業生產中，但市場上大部分廉價的GPS模塊定位精度不高、誤差較大，影響監測系統的準確性。精度高的GPS模塊價格非常昂貴，會大大增加成本，無法應用到實際生產中?？紤]到成本和測量精度的問題，選擇在精密播種機的地輪上加裝旋轉編碼器，由上位機的T0工作在計數器模式下采集編碼器的脈沖數，通過編碼器的脈沖數間接測量機具的作業距離。

監測系統使用PKT1030-512-G05C型號的編碼器，1圈512個脈沖，抗干擾性強、分辨率高。根據播種機地輪周長，計算出1個脈沖機具的行進距離，通過采集到的脈沖數和作業幅寬計算出作業面積，則

(1)

S = L·M

(2)

其中，L為機具的作業距離(m)；N為編碼器的脈沖數；M為機具作業幅寬(m)；S為作業面積(m2)。將機具作業距離與相應下位機傳上來的播種量相除，即得到該單體作業的平均株距。

2.2　人機通信模塊設計

上位機系統電路圖如圖2所示。上位機系統一共設計安裝8個人機對話按鍵，分別定義為向上按鍵S1、向下按鍵S2、確定按鍵S3、返回按鍵S4、下位機啟動按鍵S5、數據采集按鍵S6、正常停止按鍵S7、異常停止按鍵S8。系統開始工作后，通過按鍵對不同行數的播種機進行監測范圍的設定，范圍確定后，先按下S5鍵向下位機發送啟動指令，啟動下位機工作，然后按下S6鍵進行數據采集；下位機將采集的播種量、種箱狀態上傳，按下正常停止按鍵S5后，會顯示當前的總播種量、作業面積。顯示屏選用帶有漢字庫的QC12864B液晶顯示模塊，可以顯示4行，每行可以顯示8個漢字，藍色背光，與微處理器采用并行的控制方式。

圖 2　上位機系統電路圖

3下位機系統硬件設計

下位機主要完成播種量的采集，實時監測導種管和種箱的工作狀態，將數據傳送到上位機。系統以微處理器為核心，光電傳感器為播種量采集和導種管工作狀態監測器件，將電容式接近開關安裝在距離種箱底部5cm的位置，監測種箱狀態。

3.1　光電傳感器模塊

為減少監測盲區，系統將3對并列排布的光電傳感器安裝在導種管中部，相比于只安裝1對光電傳感器，3對并列安裝方式可以監測到在導種管中發生彈跳的種子，實現無盲區監測，且可以監測到重播。發射端使用穿透性強、光束集中的紅外發光二極管，接收端使用可減少日雜光干擾的黑膠體光敏三極管。調理電路使用CD401106BE型施密特觸發器，內置6個反相器。邏輯判斷電路使用74LS10型3路3輸入與非門，將整形后的信號經過邏輯電路2次邏輯判斷后，將信號傳送給微處理器。電路圖如圖3所示。

圖3　下位機系統電路圖

3.2　微處理器模塊

微處理器是監測系統的核心，主要完成數據的傳輸處理、按鍵控制、液晶屏的顯示及控制指令的發送等。系統使用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片，該單片機具有60k的用戶應用程序空間、3個時鐘輸出口、2個串口，有獨立波特率發生器，具備EEPROM功能；相比于傳統的8051單片機，運行速度提高8～12倍，穩定性強。

3.3　箱空檢測電路

由于田間播種作業距離較長，一個種箱的種子無法完成整個作業過程，需要不斷添加種子。如果種箱排空未被及時發現，會造成大面積漏播，影響糧食產量。測量種箱的剩余種量常用壓力檢測法，將壓力傳感器放入種箱內，測量壓力傳感器在箱空時的阻值大小，計算出加上5V電壓后的輸出值，輸出電壓值經過AD轉換后設為箱空標定值。當微處理器檢測到傳感器達到箱空值時，發出報警信號；但是，壓力傳感器的敏感區域較小，種子在種箱內會不斷晃動，使傳感器的輸出電壓不斷變化，容易發生誤報警現象。因此，設計了一種電容式接近開關箱空檢測電路，系統使用LJC30A3-H-Z/BY型電容式接近開關，PNP常開型，工作電壓5V，接近距離可調范圍1～25mm。當種量充足時，輸出高電平；當種量不足時，種子離開關距離超出范圍，輸出低電平，微處理器根據接近開關的輸出電平判斷種箱狀態。相比于壓力檢測法，此方法受外界干擾更小，準確性更高。

4系統軟件設計

軟件的設計主要是控制硬件的穩定運行和進行高效率的工作，系統使用C語言進行程序的編寫。軟件設計分為上位機軟件設計和下位機軟件設計。上位機上電初始化后，進行監測范圍的選擇，范圍確定后，按下啟動按鍵啟動下位機工作，然后按下數據采集鍵;上位機以1s的間隔依次向監測范圍內的下位機循環發送采集指令，下位機接收到指令后，將播種量和種箱狀態上傳；上位機將計算出的作業面積、株距與下位機上傳的播種量、種箱狀態一同顯示到液晶屏上；如果接收到報警信號，則啟動報警器，在液晶屏上顯示故障區域。上位機軟件流程圖如圖4所示。

圖4　上位機系統軟件流程圖

下位機上電初始化后，等待主機發出啟動指令，當接收到上位機的啟動指令后，先檢測種管和種箱狀態是否正常，確認正常后，啟動計數器工作；當接收到上位機數據采集指令后，將采集的播種量和種箱狀態上傳；如果發現故障，通過無線模塊將報警信息傳送到上位機處理。下位機軟件流程圖如圖5所示。

圖5　下位機系統軟件流程

5試驗方法與結果

為驗證系統工作的可靠性和準確性，于2015年9月20-22日在黑龍江省曙光農場進行田間試驗。試驗作物為玉米，使用黑龍江八一農墾大學研制的2BJM-6型大馬力氣吸式精密播種機，行距650mm,分別進行了播種量、作業面積及報警準確性的測試。

5.1　田間試驗方案

將12行播種機的前10個導種管與種箱作為試驗設備，按順序設定為1～10號。播種量的監測為選取2 000粒玉米種子，分成10等份，分別放入10個種箱中，讓拖拉機以6km/h的速度將其播完，將系統測量的值與實際值相比較；機具的作業面積為機具的作業距離和作業幅寬的乘積，作業幅寬為定值。所以，通過機具作業距離的測量就可以估算出作業面積測量的精度，取5、10、15、20m距離進行試驗測量,每段距離進行3次試驗。導種管空、堵及種箱排空檢測試驗采用人為設置故障的方法，導種管排空檢測試驗為先將少量種子放入1號種箱內，2～5號導種管與種箱的監測設備關閉，讓拖拉機以6km/h的速度進行作業，依次試驗5次，觀察報警信息顯示是否與實際相符。導種管堵塞檢測方法與導種管排空檢測方法大體相同，不同點就是用物體將導種管堵住。箱空檢測試驗是觀察種子與接近開關的距離超出設置的范圍(10mm)后是否報警，顯示信息是否準確，測試10組。

5.2　試驗結果

播種量測量結果如表1所示。播種量測量值最大誤差5%，準確度較高，滿足生產需求。有些種子尺寸偏大，同時擋住3對光電傳感器，影響到邏輯判斷，系統誤認為下落2粒種子，從而導致測量結果比實際值偏大。

機具作業距離的測量結果如表2所示。測量值比實際值偏小，原因是地輪打滑、測量土地不平整等產生的誤差。因此，應該通過不同地段多次試驗，計算出較準確的誤差系數，在微處理器計算時加入誤差系數，提高監測系統的精度。

播種防堵、防排空10組實驗中，監測系統均能及時發現故障報警，且顯示的故障區域與實際的故障區域相符。種箱防排空10組試驗中，電容式接近開關能夠準確地監測出種箱內的狀態，一旦種子距離開關達到報警距離(10mm),及時發出報警信號。

表1　播種量試驗結果

表2　作業距離測量結果

6結論

監測系統通過3對并列排布的光電傳感器對種子下落信息進行采集，解決了一對光電傳感器監測盲區大、無法監測到重播的問題；采用編碼器實時采集機具的作業距離，經微處理器計算出機具的作業面積、株距，具有結構簡單、精度高等特點，有效地降低了成本。上位機與下位機通過無線模塊進行數據的傳輸，減少了布線，便于裝置的安裝和拆卸；通過人機對話可以選擇不同的監測范圍，適用于不同行數的播種機，通用性較強。試驗結果證明：系統能夠完成對播種機作業中的各項數據的采集顯示，能夠及時發現導種管堵塞、排空及種箱排空等故障并啟動報警，準確地顯示出的故障區域。其監測系統精度高，測量最大誤差率僅為5%，報警誤報率為0，可有效提高播種機作業質量和農業現代化水平，便于推廣使用。

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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0096-EA

Research on Precision Seeder Seeding Measurement and Monitoring System

Ge Tianjian1, Zhao Bin1, Yi Shujuan1, Chen Jin1， Wang Xiaowei1, Fan Xuejia1, Zhao Minghui2

(1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China;2.Qianjin Industrial and Commercial Administration Bureau of Jiansanjiang, Jiamusi 156331, China)

Abstract：In order to improve the operation efficiency and quality of seeder, seeder seeding measurement and monitoring system was designed. Embedded microcontroller is the core of system, sending data by wireless communication, using encoder to gather the operation distance of seeder, gathering fall condition of seeds by three pairs of infrared photoelectric sensor, using capacitor approach switch to monitor the state of seed can, displaying the obtained parameters in LCD . Field experiment showed that the system performance was stable and reliable, alarms promptly and accurately, and has important meanings in agricultural production and improve seeder operating efficiency.

Key words：seeder; measurement; monitoring; encoder; approach switch

中圖分類號：S223.2+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0096-05

作者簡介：戈天劍(1993-),男，黑龍江大慶人，碩士研究生，(E-mail)1933605369@qq.com。通訊作者：趙斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導師，(E-mail)616283364@qq.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-03)；黑龍江省科技廳項目(GZ13B013)；黑龍江省農墾總局科委(HNK125B-07-15)；耕播機工況檢測與手機管理平臺的研究(HNK125B-05-19A)

收稿日期：2015-12-03