氣吸式玉米播種機排種監測系統研究

戈天劍，趙 斌，衣淑娟，王大可，范學佳

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

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氣吸式玉米播種機排種監測系統研究

戈天劍，趙 斌，衣淑娟，王大可，范學佳

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

為了對播種機的工作狀況進行實時監測，對播種過程中出現的種箱排空和導種管堵塞情況及時報警，設計了一種對播種機作業中的各項參數實時監測系統。系統以嵌入式微處理器和紅外光電傳感器為主要部件，通過無線通信的方式與上位機進行數據的傳輸，對播種作業中出現的種箱排空和導種管堵塞及時進行聲光報警，并通過上位機軟件對所需的參數實時顯示。試驗結果表明：該系統工作穩定，對故障的報警準確率較高，有效提高了播種質量。

播種機；排種監測系統；無線通信；嵌入式微處理器；紅外光電傳感器

0 引言

我國是一個農業大國，農業經濟占據著我國社會經濟的重要地位，農業機械化發展程度是影響農業發展水平的重要因素。隨著科學技術的迅速發展，氣吸式玉米播種機投入到了農業生產中，具有節省種子、減少浪費、減少勞動力、節約時間及播種精度高等特點。但是，氣吸式播種機和其它播種機結構是相似的，工作過程是全封閉的，無法觀察其工作狀況。由于田間的工作環境比較惡劣，會出現種箱排空、導種管堵塞等故障，如果無法及時發現故障并解決，會造成大面積漏播，影響經濟效益，造成糧食減產。因此，研究一套播種機監測系統對提高農業生產水平具有十分重要的意義。

國外的播種機投入到農業生產中較早，監測技術相對成熟，智能化程度與準確性均較高。目前，國內精密播種機監測系統的研究發展較快，大部分是通過單片機控制功能來實現播種機的監測。目前，精密播種機上采用的監測和報警裝置大致有3種類型，即機械式報警器、機電信號式報警器和電子儀器式監視裝置，常用的檢測方法有壓電聲電法、光電法及計算機視覺技術等[1]。國內精密播種機的監測系統主要對作業過程中出現的種箱排空和導種管堵塞進行監測，發現故障及時報警,具有一定的局限性，缺少對播種機在工作過程中其它參數的監測。為此，設計了一種對播種機作業中各項參數實時監測系統，不僅可以對排種量進行監測，還能對播種中出現的種箱排空和導種管堵塞及時地進行聲光報警，顯示出有故障的工作區及播種機作業中的其它參數。

1 系統總體設計方案

微處理器是監測系統的核心，系統使用STC12C5A60S2單片機，通過無線模塊與上位機進行數據的傳輸，既能對播種機作業中的參數進行監測與顯示，又能準確地對工作過程中出現的種箱排空和導種管堵塞進行報警。種子落下時，由紅外光電傳感器進行信號采集，經下位機對信號進行處理，由上位機軟件對排種量、株距及作業面積等參數進行顯示；出現故障時，上位機會顯示出發生故障的工作區，同時通過聲光報警提醒機車駕駛員出現故障。系統結構框圖如圖1所示。

在播種機正常工作時，當種子經過安裝在導種管中部的紅外光電傳感器時，種子會遮擋住紅外發光二極管，接收端的光敏三極管接收不到光信號，返回高電平；沒有種子通過時，光敏三極管接收到光信號，返回低電平。接收端接收到兩次低電平的時間差即為落種時間差，通過落種時間差與機車的行駛速度可以計算出株距。根據壟寬和作業速度可以計算出播種機的作業面積。根據接收端是否有電平的高低變化來判斷種子是否落下：有種子落下時，計數器對低電平進行計數；沒有種子落下時，計數器值不增加。同時，啟動定時器，如果接收端超過預定報警時間(該系統預定報警時間3s)內沒有高低電平變化時，下位機向上位機發送報警信號，由上位機顯示出故障的工作區域，同時啟動駕駛室內的聲光報警器。

圖1 系統結構框圖

2 系統的硬件設計

監測系統主要完成數據的采集、傳輸、顯示及對播種機工作過程中出現的故障及時進行報警。系統的硬件主要由光電傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊及聲光報警模塊組成。光電傳感器主要對種子的下落信息進行采集；微處理器模塊對監測的數據進行處理和邏輯判斷；無線通信模塊將各個參數和報警信號向上位機傳輸。無線通信的方式降低了故障的發生率，提高了監測系統運行的穩定性和準確性。聲光報警可以及時地提醒機車駕駛員，迅速發現并解決故障。

2.1 光電傳感器模塊設計

光電傳感器作為監測系統的信號采集器件，也是系統運行的第1步，其采集信號的準確性決定整個系統性能的可靠性及穩定性。目前，主要應用的發光器件有激光二極管、高亮度發光二極管及紅外發光二極管。由于田間作業環境惡劣，灰塵較大，對傳感器的覆蓋范圍、光譜特性都要進行分析。3種器件中，激光二極管價格昂貴，不予考慮；紅外發光二極管與高亮度發光二極管結構原理相似，但紅外發光二極管在灰塵中穿透性強,并且響應迅速、光束集中、指向性強，價格較低，工作穩定性高，發射端選擇紅外發光二極管；光敏三極管結構與普通三極管相似，但光敏三極管有一個對光敏感的PN結作感光面，具有光敏特性，當PN結受到光輻射時，在集電極回路中會得到一個放大的信號電流，與光敏二極管相比，具有較高的靈敏度，因此接收端使用光敏三極管。由于種子從排種器排出時具有一定的初速度，種子進入導種管后會發生彈跳，如果安裝1對紅外光電傳感器會出現檢測盲區，直接影響到監測系統的準確性。根據導種管長與寬的參數、種子的尺寸及種子運動軌跡，在導種管上并列安裝3對紅外光電傳感器，實現了無盲區監測。考慮到玉米種子的尺寸大小，一個種子會擋住兩對傳感器的光路，如果不進行邏輯判斷，會影響系統的準確度。因此，在傳感器電路中加裝3個74LVC2G08型號的與門和一個74LS32型號的或門對種子的下落個數進行邏輯判斷處理。或門的輸出端接到定時器T0，與門的輸出端接到定時器T1。定時器T0與T1均設置成計數器模式，當或門輸出為1、與門輸出為0時，判定只有一個種子通過，計數器T0加1；當或門和與門輸出都為1時，判定有兩個種子通過，計數器T0和T1同時加1，最終播種量為兩者相加。紅外光電傳感器電路圖如圖2所示。

圖2 紅外光電傳感器電路圖

2.2 微處理器模塊

微處理器是整個監測系統的核心，控制著系統各個部分協調一致的工作。紅外光電傳感器產生的脈沖信號經過調理后在單片機中進行處理和邏輯判斷，通過無線模塊將數據傳輸給上位機。如果播種機正常工作，上位機顯示出播種機的排種量、株距及作業面積；若出現故障，則啟動聲光報警并在上位機軟件界面上顯示作業中出現問題的工作區域。單片機是一個微控制器，具有存儲、運算、定時中斷等功能。監測系統采用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片。該單片機具有60kB用戶應用程序存儲空間、4個16位定時器、外部中斷IO口7路，自帶A/D轉換，有EEPROM功能，且高性能、低功耗，完全滿足系統的需求。

2.3 通訊模塊

監測系統上位機與下位機之間采用無線通信的方式，相比于有線通信，無線通信具有布線成本低、布線簡單、線路不易受損傷及適應性好等優點。每個排種器都配一個無線模塊向上位機傳輸數據，增加了數據傳輸的速度，提高了系統工作的可靠性。系統無線模塊選用NRF24L01，內置穩壓電路，可由多種電源供電。該模塊功耗低、抗干擾能力強，可通過軟件修改地址，只有接收到本機地址才會輸出數據，可接單片機直接使用，有自動應答和自動再發射功能，4種工作方式。

2.4 聲光報警模塊

由于機車在工作過程中噪音較大，當播種機在作業過程中出現導種管堵塞或種箱排空的故障時，如果報警音量不夠大，會導致駕駛員無法及時發現故障，造成大面積漏播，降低經濟效益。為了防止上述情況的發生，在電路中加裝聲光報警器，以便機車駕駛員及時發現故障，停車檢查。下位機電路圖如圖3所示。

圖3 下位機電路圖

3 系統的軟件設計

3.1 監測系統主程序流程圖

監測系統的軟件功能是協調各個硬件部分的穩定運行，監測系統軟件設計主要完成的任務包括：工作過程中排種量和其它作業參數的監測；無線發送與接收各項參數；邏輯判斷；報警信息的發送。C語言是程序編譯中常用的高級語言，其功能豐富、表達能力強、使用靈活方便、應用面廣、目標程序效率高、移植成功率高，且可以直接實現對系統硬件的控制，所以系統軟件設計采用C語言。軟件程序主要由主程序、定時中斷子程序、無線通信子程序及報警子程序等組成，分別完成信號的采集、邏輯判斷、數據傳輸與報警。其主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 報警子程序流程圖

系統上電后，下位機開始進行作業監測。如果上位機接收到來自下位機的報警信息，則在上位機軟件界面上顯示出故障區域，并啟動聲光報警；若沒有接收到報警信息，則顯示出正常的工作參數。報警子程序流程圖如圖5所示。

圖5 報警子程序流程圖

單片機完成系統初始化后，啟動定時器與無線模塊。無線模塊將數據傳送到上位機，顯示出各行的播種量。當出現故障時，單片機向上位機發送報警信號，上位機顯示出現故障的工作區，同時啟動聲光報警；處理完畢后，用戶根據工作情況選擇控制面板上的按鍵繼續進行監測；作業完成后，通過上位機中儲存的數據對播種效果進行分析。

4 試驗及結果分析

為驗證監測系統的性能與可靠性，在黑龍江省曙光農場進行試驗。播種機采用黑龍江八一農墾大學研制的2BJM-7型大馬力氣吸式精密播種機，作業拖拉機為美國凱斯210，作業速度為6～8km/h，分別對播種量、報警準確性和無線模塊數據傳輸的可靠性等性能試驗。

4.1 排種數量監測試驗

選取2 000粒種子作為試驗用種，每500粒種子為1組，做4組試驗。監測結果如表1所示。

表1 排種量監測結果

4.2 報警試驗測試

導種管堵塞及種箱排空報警試驗采用人為設置故障的方法，將導種管底部堵住，在行駛速度7km/h的條件下試驗10組，觀察報警是否準確及上位機是否正確顯示出故障區域。種箱排空監測實驗方法：將種箱內放入少量玉米種子，在同樣的速度下行駛，共做10組試驗，觀察報警是否準確及上位機是否正確顯示出故障區域。

播種防堵與排空試驗中，20組試驗中上位機顯示空和堵的工作區域和實際情況完全一致，誤報率為0，并且在預定的時間內及時地啟動了聲光報警。

5 結論

監測系統采用紅外發光二極管作為光電管的發射端，光敏三極管作為接收端，以3對并列方式安裝在導種管上，實現了精密播種無盲區檢測。以無線通信方式與上位機進行通信，布線簡單，成本低。針對田間工作噪音較大的情況，加裝了聲光報警器，便于及時發現故障。試驗表明:該監測系統性能穩定、報警及時準確，誤報率為0，對排種量監測平均精度達97.55%，有效提高了播種監測效率和播種質量。

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Research on Air Suction Corn Planter Seeding Monitoring System

Ge Tianjian, Zhao Bin, Yi Shujuan, Wang Dake， Fan Xuejia

(College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China)

In order to real-time monitor the working condition of seeder, alarming in time when occurs sowing box emptying and seed tube jamming in sowing work, design a real-time system to monitor various parameters of machine operation .With embedded microcontroller and infrared photoelectric sensor as the main part, by means of wireless communication to transmit data to PC, sound-light alarm in time was used to show reminder sowing box emptying and seed tube jamming emptying of planting operation, through the PC software for the required parameters real-time display.The experimental results show that the system works stable, for fault alarm accuracy is higher, effectively improve the quality of seeding.

planter; planter seeding monitoring system; wireless communication; embedded microcontroller; infrared photoelectric sensor

2016-07-15

“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項目(HNK125B-07-15)

戈天劍(1993-),男，黑龍江大慶人，碩士研究生，(E-mail)1933605369qq.com。

趙 斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導師，(E-mail)616283364@qq.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)08-0082-04