基于微波反射法的谷物含水率在線檢測裝置研制

張 偉，楊 剛，雷軍波，劉成良，陶建峰，覃程錦

基于微波反射法的谷物含水率在線檢測裝置研制

張 偉，楊 剛，雷軍波※，劉成良，陶建峰，覃程錦

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

針對稻麥聯合收割機在收獲作業時難以對小麥、水稻等谷物的含水率進行準確在線測量的問題，該文基于微波反射法研究了谷物含水率在線檢測方法，建立了稻麥含水率檢測模型，研發了一種稻麥聯合收割機谷物含水率在線檢測裝置。該裝置采用微波測量模塊對稻麥含水率進行非接觸式測量，設計了電壓轉換電路將微波參數轉換成電壓信號，采用滑動平均濾波算法進行信號濾波，最后通過標定試驗所建立的含水率檢測模型進行稻麥含水率計算，計算結果經CAN總線通訊在顯示器上實時顯示。基于上述理論研究、技術開發和結構設計對所研制的谷物含水率在線檢測裝置分別進行了室內靜態試驗和田間收割試驗研究，試驗結果表明：檢測裝置的對稻麥含水率的測量范圍為14%～34%，在室內靜態試驗和田間收割試驗中的性能標準差分別為0.458 3%和1.078 0%，相對誤差分別在2.5%和5%左右，具有良好的準確性與實用性。

含水率；農業機械；微波；滑動平均濾波；試驗研究

0 引 言

含水率是稻麥等糧食收獲、交易、儲存和加工中最重要的指標之一，含水率過高不僅會導致糧食發霉變質、儲存時間變短，還會導致交易價格下降、加工成本上升等一系列問題[1-3]。隨著精細農業的發展，對收獲機械在收獲作業時無損在線測量糧食含水率的需求越來越迫切，準確檢測糧食含水率不僅可為儲存、加工提供參考數據，而且還可對農作物生長狀況進行準確評估，進而對下一季的農作物種植提供指導性意見[4]。

目前，谷物含水率的測量方法可分為直接法和間接法兩大類[5-6]。直接法精度較高，但程序繁瑣耗時，如烘干法、甲苯蒸餾法和卡爾·費休滴定法等屬于破壞式測量，主要用于試驗室檢測和標定，其中烘干法是國際通用的谷物含水率檢測標準方法[7]；間接法特別是電容法和微波法易于實現谷物含水率無損測量，一直是國內外學者研究的熱點[8]。電容法結構簡單、成本低，但需要考慮邊緣效應而且對谷物品種、密度、環境等因素敏感，一定程度上限制了其檢測精度[9]。微波法具有非接觸無損測量、精度高、速度快等優點，按原理可以分為微波透射法和微波反射法。基于微波透射法的含水率傳感器已經成功應用于冬小麥、大豆、脫粒玉米、帶殼花生、大體積原棉和顆粒狀流動物質的含水率測量[1-2,10-16]，精度較高，但是接收和發射天線需要雙邊安裝，對安裝角度和距離要求嚴格，裝置體積較大。基于微波反射法的含水率傳感器采用喇叭天線或者微帶天線單邊安裝，降低了安裝精度要求并有效節省空間。近年來由于微帶天線技術的發展，微波反射法已經開始應用于土壤、沙子、木屑和橡膠等材料的含水率檢測[17-20]，在農業領域的應用處于起步階段[21-22]。

在稻麥聯合收割機含水率無損在線檢測領域，國外的企業已經對其進行了商業化推廣，但國內尚處于研究階段[23-25]。方建卿[23]設計了一套聯合收割機含水率監測系統，測量范圍為10%～25%，但含水率高于25%時谷物的介電損耗較大，無法準確測量。陳進等[24]對平行電容極板結構進行了仿真和優化，設計了高頻電容式聯合收割機谷物含水率在線監測裝置，測量范圍為10%～30%，但沒有考慮機械振動、電路元件等干擾，直接對測量數據進行回歸擬合，導致誤差較大[25]。

基于上述研究背景，本文針對稻麥聯合收割機在收獲作業時無法精準在線測量小麥、水稻籽粒含水率的問題，采用微波反射法從理論上建立微波參數和谷物含水率的關系，設計一種稻麥聯合收割機谷物含水率在線檢測裝置，并進行室內靜態試驗以及田間收割試驗研究。

1 原理與方法

1.1 基于微波反射法的含水率檢測原理

注：為坐標系；E為入射波，V·m-1；E為透射波，V·m-1；E為反射波，V·m-1；為測量材料的密度，kg·m-3；為測量材料的含水率，%；為溫度，℃；為測量材料的厚度，m。

Note:is coordinate system;Eis the incident wave, V·m-1;Eis the transmitted wave, V·m-1;Eis the reflected wave, V·m-1;is the density of the material, kg·m-3;is the moisture content of the material, %;is the temperature, °C;is the thickness of the material, m.

圖1 微波測量模型

Fig.1 Microwave measurement model

自由空間中，當入射波E垂直射到厚度為的測量材料表面時，一部分被材料反射形成反射波E，另一部分透過材料形成透射波E，模型如圖1所示。假設微波經材料反射后連續且沒有進一步反射，反射波和入射波相互疊加形成行駐波，行駐波電場表達式為[22]

式中為斜率，與谷物密度有關；為系數，通過標定得到。

將式（6）、式（7）代入式（5），行波電壓比S可表示為

1.2 谷物含水率檢測的實現方法

谷物含水率在線檢測過程如圖2所示，微波測量模塊基于微波反射法對谷物樣品進行測量并輸出行駐波E，電壓轉換電路檢測和提取行駐波E的相關參數，將行波電壓比S轉換成電壓輸出V，由于存在噪聲干擾，使用滑動平均濾波算法對A/D采樣后的信號平滑化，經含水率檢測模型計算可得谷物含水率，最后通過CAN總線通訊將含水率在聯合收割機顯示屏上在線顯示。

圖2 谷物含水率測量實現過程

1.2.1 滑動平均濾波

由于存在機械振動、粉塵雜質、電路元件等因素干擾，實際采集到的輸出信號是上下波動而且不穩定的，本文采用滑動平均濾波算法進行數據處理。滑動平均濾波繼承了算術平均濾波的優點，可以有效跟蹤變量的動態趨勢，抑制數據中的高頻噪聲和周期性干擾，滿足實時性的要求[28]。假設原始信號()經過檢測裝置離散采樣后采樣信號()為

式中′()為采樣信號中真實信號；()為采樣信號中干擾信號。

為減少干擾信號()的影響,使采樣信號()更接近于真實信號′()，對采樣信號()在固定長度為的窗口內做局部平均，用局部均值將窗口中的最后一個位置的數據替代，通過逐一對長度為的采樣信號在窗口內不斷進行滑動平均，就可以得到一組新的濾波后的信號()，滑動平均濾波的計算公式如下

式中為窗口長度。

但在采樣初始階段采樣數據數量未能達到窗口值，可以根據精度要求，取小窗口長度，對滑動平均濾波算法進行一次或者多次嵌套使用，取窗口0，其中0<，對于前<個數據：

本文采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）、信噪比（signal noise ratio，SNR）作為滑動平均濾波方法濾波效果的評價指標[29]，如式（12）、（13）所示，信噪比越高、均方根誤差越小，濾波效果越好。

對不同含水率的稻麥樣品采樣到的信號濾波，經過調試計算，在N=25、N0=5時信噪比較高，均方根誤差較小，濾波效果較好。例如含水率為32.24%小麥樣品采樣信號的濾波效果如圖3所示，計算可得RRMSE=0.001 4，RSNR=61.625 6，滑動平均濾波算法有效抑制了采樣信號中的高頻隨機噪聲，保留了原始信息，信號基本在1.689 3 V附近輕微波動。

1.2.2 谷物含水率檢測模型

經過濾波后的信號基本為穩定的電壓值，隨含水率的變化而變化，為建立谷物含水率檢測模型，取濾波結果的電壓均值作為該含水率下對應的電壓輸出，含水率32.24%的小麥樣品的電壓輸出均值為1.689 3 V。由式（8）可知，在測量厚度和密度一定的前提下，谷物含水率與輸出電壓成線性函數關系，因此對不同含水率的谷物樣品進行輸出電壓-含水率標定即可建立含水率檢測模型。本文采用最小二乘法進行數據擬合，最終得到的谷物含水率檢測模型的形式為

=+（14）

式中為濾波后的電壓均值，V；、為系數，由標定得到。

2 谷物含水率檢測裝置系統設計

2.1 檢測裝置結構設計

1.螺栓緊固孔 2.微帶天線 3.舵機臂擋孔 4.采樣容腔 5.十字形葉片

聯合收割機進行收獲作業時，谷物從檢測裝置的上方持續流入采樣容腔中，保證了谷物樣品的實時性和連續性。采樣容腔底部是一個可以繞軸旋轉的十字形葉片，舵機臂的伸出和縮回可對十字形葉片阻擋和釋放，進而控制采樣容腔采樣和棄樣。舵機由脈沖寬度調制（pulse width modulation, PWM）信號來控制：采樣狀態下，PWM信號占空比為7.5%，舵機臂旋轉至90°位置，舵機臂從舵機臂擋孔伸出，十字形葉片被舵機臂阻擋，無法轉動，采樣容腔開始采集谷物樣品，經采樣時間1裝滿容腔；測量狀態下，PWM信號占空比為7.5%，舵機臂位置不變，微帶天線開始對樣品進行靜止測量，測量時間2；棄樣狀態下，PWM信號占空比為2.5%，舵機臂旋轉至0°位置，從舵機臂擋孔縮回，十字形葉片可以繞軸自由轉動，谷物由于重力作用從采樣容腔流出，棄樣時間為3。重復上述動作，保證檢測裝置周期性采樣、測量和棄樣。

本文所涉及的試驗樣機為雷沃重工股份有限公司研制的GK120稻麥聯合收割機，在正常的稻麥收獲作業時，前進速度為1.5 m/s，升運器絞龍的轉速為500 r/min，谷物流量較大，現場試驗表明2～3 s可裝滿檢測裝置的采樣容腔，故將采樣時間設置為3 s，2 s可以滿足谷物的棄樣，棄樣時間設置為2 s，根據項目要求含水率數據10 s在顯示屏上刷新一次，所以本文將測量時間設定為5 s。

2.2 硬件設計

谷物含水率在線檢測裝置的硬件電路設計包括微波測量模塊、電壓轉換電路和信號處理電路三部分，如圖5所示。微波測量模塊由微波源、隔離器、功率分配器、微帶天線和混頻器等組成，其主要功能是產生高頻微波信號完成對谷物含水率的微波測量。電壓轉換電路可以實現微波參數到電壓參數的轉換，設計放大電路解決了電壓信號微弱和負載效應明顯的問題。信號處理電路以STM32F103RCT6微控制單元為核心實現數據采集、算法處理、采樣機構控制和數據通訊等功能，使用上位機對檢測裝置進行程序調試，使用顯示屏進行含水率實時顯示，這部分主要為程序和應用軟件設計。

圖5 谷物含水率在線檢測裝置結構組成

2.2.1 微波測量模塊

微波源選用壓控微波振蕩器，輸出功率為5 dBm，可產生450 MHz的導行電磁波，微波源連接隔離度為18 dB的同軸隔離器，防止負載反射信號對微波源產生干擾。功率分配器將導行電磁波分成2路功率相等的信號，一路作為參考信號發送到混頻器的LO端口，另一路經饋線發送到收發復用微帶天線，以空間電磁波的形式垂直射入采樣容腔內的樣品中。由于受到樣品反射作用，一部分反射波被微帶天線接收并將其發送至混頻器的RF端口，反射波和入射波經混頻器形成行駐波E。

2.2.2 電壓轉換電路設計

電壓轉換電路主要原理圖如圖6所示，行駐波作為輸入信號輸入至電壓轉換電路INPUT端口，電壓轉換電路將行駐波信號的最大值和最小值進行檢測和計算，將行波電壓比S轉換成電壓形式輸出。經示波器測量，輸出電壓微弱，分辨率很低，含水率為14%～38%的谷物樣品對應的輸出電壓僅有10～30 mV，而且對負載電路很敏感，無法直接對其進行信號采集和數據處理。

圖6 電壓轉換電路原理圖

針對輸出電壓很微弱、抗干擾能力差的問題，本文采用高阻抗、高精度的AD620芯片，輸入阻抗10 GW，最大輸入失調電壓50V，增益范圍為1～10 000，可以有效減少后續負載電路對輸出電壓產生的影響，同時對電壓信號進行精確放大。由于STM32的ADC外設采樣電壓范圍為0～3.3 V，所以調節AD620的放大增益為100即可滿足要求，計算公式如下

式中為放大增益；G為外部調節電阻，kW。

所設計的電路圖如圖7所示，采用IN+和IN-差分輸入，二者之差為上述電壓轉換電路的輸出電壓，圖中的外部調節電阻9=499W，C8和C12為去耦電容，降低電源噪聲防止電源抖動，C9、C10和C11為輸入信號濾波電容，可以提高信號穩定性，OUTPUT為最終的輸出信號V。

圖7 放大電路原理圖

為盡量降低并抑制電路干擾、提高電路的穩定性，本文將電壓轉換電路和信號處理電路集成在同一塊電路板上，并在布線方面規范化，如圖8所示。

圖8 試驗所設計的電路板

2.3 軟件設計

信號處理電路以STM32F103RCT6微控制單元為核心實現信號A/D轉換、采樣機構控制、滑動平均濾波、谷物含水率計算和CAN總線通訊等功能。微控制器的ADC1的PA1口對輸出信號V進行采樣，采樣頻率為100 Hz，通用定時器的通道2產生PWM信號實現采樣機構控制。

谷物含水率在線檢測裝置的信號處理程序采用模塊化的程序設計方法，按照單片機外設執行功能的不同劃分為相應程序模塊，用C語言編寫，由Keil uVision5編譯并燒錄，信號處理程序流程圖如圖9所示。

圖9 信號處理程序流程圖

本文基于Linux3.2.0使用QT開發框架開發了聯合收割機參數顯示應用程序。應用程序包含用戶登錄退出、CAN數據包解析、檢測參數圖標顯示及數值顯示、數據存儲和異常報警等功能[30]。通過CAN總線通訊，聯合收割機上安裝的多種傳感器采集到的數據，如撥禾輪轉速、行進速度、谷物流量、破損率和含水率等，可在聯合收割機駕駛室內的車載顯示屏上實時顯示。圖10是使用16%的含水率數據對顯示屏應用程序進行通訊調試，試驗表明CAN總線通訊正常，顯示屏數據顯示正常。

圖10 顯示屏參數應用程序調試

3 試驗與結果分析

本文開展了室內靜態試驗和田間收割試驗。室內靜態試驗制備水稻和小麥樣品各30組，完成了含水率-電壓的標定試驗，分別建立了水稻、小麥的含水率檢測模型并對試驗結果進行分析。田間收割試驗以水稻為對象驗證了谷物含水率在線檢測裝置的實用性與可靠性。

3.1 室內靜態試驗

3.1.1 樣品制備與數據采集

將30份等量水稻樣品放入30個一次性試驗盒中，分別加入不同體積的水，然后將樣品放入4 ℃的恒溫箱保存3 d，每天攪拌3～4次，使水分被充分吸收并均勻分布。使用同樣的方法制備30份不同含水率的小麥樣品。在試驗之前，將上述稻麥樣品移至24 ℃的恒溫箱保存24 h[31]。

從已制備完成的稻麥樣品中取出適量樣品，采用低溫烘干法[32]確定每份樣品的標準含水率，所使用烘箱為上海一恒科學儀器有限公司的DHG-9240A型電熱鼓風干燥箱，標準含水率計算如下

式中m為樣品中水分的質量，g；m為樣品中干物質的質量，g。

在室內使用本文所設計的谷物含水率在線檢測裝置分別對30組小麥樣品和30組水稻樣品進行測量，環境溫度為20 ℃，空氣相對濕度為73%。試驗時將樣品裝滿采樣容腔，每組樣品靜止測量5 s，通過串口通訊將裝置采集到的數據實時傳輸至計算機并進行打印和存儲。

3.1.2 稻麥含水率檢測模型的建立

實驗中同一組樣品采集到的信號經過滑動平均濾波處理后基本為穩定的電壓值，并與含水率是單值對應關系，隨含水率的變化而變化。鑒于同一含水率下輸出電壓波動較小，為減少誤差并充分利用數據，取濾波后的電壓均值作為該含水率所對應的輸出電壓。試驗完成后，將30組水稻樣品和30組小麥樣品的電壓-含水率數據繪制散點圖，并對線性區的數據進行最小二乘法線性回歸擬合，如圖11所示。

圖11 水稻、小麥含水率與其輸出電壓的關系

由圖11可以看出，當稻麥含水率在14%～38%范圍內，輸出電壓和含水率的關系基本上是分段線性函數，根據擬合結果得到水稻和小麥的含水率檢測方程如下

根據測量對象的不同，將式（17）或式（18）寫入STM32信號處理程序的谷物含水率檢測模型，檢測裝置即可根據測得的電壓值對水稻或小麥的含水率進行計算。

3.1.3 試驗結果分析

測量精度是表示谷物含水率在線檢測裝置性能的重要特征參數之一，儀器的測量精度一般使用性能標準差（standard error of performance，SEP）來評估[1,13]，SEP越小則表示測量精度越高。

為確定檢測裝置的測量精度，在上述試驗環境中另外制備了8組小麥測試樣品和8組水稻測試樣品，使用谷物含水率檢測裝置對樣品進行測量，每組樣品重復測量10次，結果取均值，如表1所示。

表1 稻麥樣品含水率檢測結果

3.2 田間收割試驗

為驗證谷物含水率在線檢測裝置的實用性與可靠性，2018年10月28日在江蘇省海門市三和鎮進行了水稻收獲試驗，如圖12a。水稻品種為南粳9108，自然屬性為：自然高度86 cm，容重502 g/L，千粒質量31.1 g，草谷比1.69。聯合收割機為雷沃重工股份有限公司GK120試驗樣機，割幅寬度為4.25 m，留茬高度為10 cm，作業前進速度為1.5 m/s。收獲作業時，檢測裝置安裝在聯合收割機糧倉內升運器絞龍出糧口下方，如圖4b所示，在聯合收割機前進方向每隔20 m選取一個4.25 m×2 m的樣本區域，共選取5個，假設每個樣本區域內含水率一致并采樣適量籽粒樣品。由于田間溫度較高，水分蒸發很快，所以選擇對樣品含水率進行現場測量而非試驗室低溫烘干，以減少水分損耗，所使用的測量儀器型號為LDS-1G電腦水分測定儀，測量絕對誤差≤0.5%，重復誤差≤0.2%。當聯合收割機進入樣本區域時，記錄顯示屏上檢測裝置測得的含水率，如圖12b所示，并與水分測定儀測量的含水率進行比較，結果如表2所示。

a. GK120樣機收割作業現場a. GK120 prototype on-site harvestingb. 含水率在線顯示b. Moisture content online display

表2 田間收割試驗結果

4 結 論

1）本文基于微波反射法設計了一種稻麥聯合收割機谷物含水率在線檢測裝置，搭建了微波測量模塊對稻麥進行無損在線測量，設計了電壓轉換電路將微波參數轉換成電壓參數，設計的信號處理電路以STM32F103RCT6微控制器為核心實現采樣機構控制、信號A/D轉換、滑動平均濾波、谷物含水率計算和CAN總線通訊等功能，最后將含水率在車載顯示器上實時顯示。

2）為減小信號中的干擾，采用了滑動平均濾波算法，有效還原了真實信號；開展了水稻和小麥的電壓-含水率標定試驗，建立了稻麥含水率分段線性檢測方程；所設計的檢測裝置對稻麥含水率的測量范圍為14%～34%。

3）對谷物含水率在線檢測裝置進行了室內靜態試驗以及田間收割試驗，室內靜態試驗中其性能標準差為0.458 3%，平均相對誤差在2.5%左右，田間收割試驗中其性能標準差為1.078 0%，相對誤差在5%左右。

本文所設計的稻麥聯合收割機的谷物含水率在線檢測裝置結構緊湊、實用性較高，適用于聯合收割機狹小空間安裝和稻麥含水率無損在線測量，對于農作物收獲參數在線測量、提升農業裝備智能化水平和實現中國精準農業戰略具有重要意義。

[1]Trabelsi S, Lewis M A, Nelson S O. Microwave moisture meter for in-shell peanut kernels[J]. Food Control, 2016, 66: 283－290.

[2]Nelson S O, Trabelsi S. Measurement of grain and seed microwave permittivity for moisture and density determination[C]//Proceedings of the IEEE SoutheastCon 2010 (SoutheastCon), Concord, NC, 2010: 463－466.

[3]Moura E E, Berbert P A, Berbert-molina M A, et al. Performance analysis of RF dielectric models for density-independent estimation of moisture content in sorghum[J]. Powder Technology, 2013, 246: 369－378.

[4]羅錫文，臧英，周志艷. 精細農業中農情信息采集技術的研究進展[J]. 農業工程學報，2006，22(1)：167－173.

Luo Xiwen, Zang Ying, Zhou Zhiyan. Research progress in farming information acquisition technique for precision agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(1): 167－173. (in Chinese with English abstract)

[5]楊彬，車剛，萬霖，等. 谷物在線水分傳感器的研究[J]. 農機化研究，2017(4)：256－262.

Yang Bin, Che Gang, Wan Lin, et al. The study of online detecting measurement on grain moisture content[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017(4): 256－262.(in Chinese with English abstract)

[6]鄒治軍. 農產品水分測量技術綜述[J]. 安徽農業科學，2015，43(17)：352－356.

Zou Zhijun. Overview of technology for determination of moisture content in agricultural products[J]. Journal of Anhui Agri. Sci., 2015, 43(17): 352-356. (in Chinese with English abstract)

[7]Nelson S O, Trabelsi S. Measurement of grain and seed moisture and density through permittivity relationships[C]// 2010 IEEE Instrumentation & Measurement Technology Conference Proceedings, Austin, TX, 2010: 964－969.

[8]Divyank, Prabhu R. Non-destructive methods for the measurement of moisture contents-a review[J]. Sensor Review, 2017, 37(1): 71－77.

[9]羅承銘. 基于電容法的谷物水分檢測系統研究與設計[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2011.

Luo Chengming. Research and Design of A Grain Moisture Detecting System Based on Capacitance Method[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[10]Trabelsi S, Kraszewski A W, Nelson S O. Nondestructive microwave characterization for determining the bulk density and moisture content of shelled corn[J]. Measurement Science and Technology, 1998, 9(9): 1548－1556.

[11]Nelson S O, Trabelsi S, Lewis M A. Microwave sensing of moisture content and bulk density in flowing grain and seed[J]. Transactions of the ASABE, 2006, 59(2): 429－433.

[12]Kim K B, Kim J H, Lee S S, et al. Measurement of grain moisture content using microwave attenuation at 10.5 GHz and moisture density[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2002, 51(1): 72－77.

[13]Trabelsi S, Nelson S O. Unified microwave moisture sensing technique for grain and seed[J]. Measurement Science and Technology, 2007, 18(4): 997－1003.

[14]Mathew G P, Joseph A V. Low-cost electronic microwave calibration for rapid on-line moisture sensing of seedcotton[J]. Sensors (Basel), 2010, 10(12): 11088－11099.

[15]李陳孝. 微波空間波技術材料含水率檢測方法及裝置的研究[D]. 長春：吉林大學，2015.

Li Chenxiao. Study of Moisture Content Detection Methods and Devices Using Microwave Free-Space Technology[D]. Changchun: Jilin University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[16]Nelson S O, Trabelsi S, Lewis M A. Microwave sensing of moisture content and bulk density in flowing grain and seed[J]. Transactions of the ASABE, 2016, 59(2): 429－433.

[17]Cataldo A, Monti G, De Benedetto E, et al. A noninvasive resonance-based method for moisture content evaluation through microstrip antennas[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2009, 58(5): 1420－1426.

[18]Rajesh Mohan R, Paul B, Mridula S, et al. Measurement of soil moisture content at microwave frequencies[C]// International Conference on Information and Communication Technologies (ICICT 2014), Elsevier Procedia Computer Science, 2015, 46: 1238－1245.

[19]Yahaya N, Abbas Z, Ismail M, et al. Determination of moisture content of hevea rubber latex using a microstrip patch antenna[C]//Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Kuala Lumpur, Malaysia, 2012: 1290－1293.

[20]Jain S, Mishra P K, Thakare V V, et al. Microstrip moisture sensor based on microstrip patch antenna[J]. Progress in Electromagnetics Research M, 2018, 76: 177－185.

[21]廉飛宇. 大型平房倉儲糧水分分布的電磁波檢測理論與方法研究[D]. 上海：上海大學，2012.

Lian Feiyu. The Research of an Electromagnetic Wave Detection Theory and Method to Moisture of Grain Pile[D]. Shanghai: Shanghai University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[22]Li Chenxiao, Han Bing, Zhang Tao. Free-space reflection method for measuring moisture content and bulk density of particulate materials at microwave frequency[J]. Review of Scientific Instrument, 2015, 86(3): 034712.

[23]方建卿. 聯合收割機谷物含水率在線測量技術研究[D]. 北京：中國農業大學，2005.

Fang Jianqing. Research on Real Time Measurement Technology for Grain Moisture Content on Combine Harvester[D]. Beijing: China Agricultural University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[24]陳進，王月紅，練毅，等. 高頻電容式聯合收割機谷物含水量在線監測裝置研制[J]. 農業工程學報，2018，34(10)：36－45.

Chen Jin, Wang Yuehong, Lian Yi, et al. Development of on-line monitoring device of grain moisture content in combine harvester with high frequency capacitance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(10): 36－45. (in Chinese with English abstract)

[25]王月紅. 基于高頻電容的聯合收割機谷物含水率在線監測裝置研制[D]. 鎮江：江蘇大學，2018.

Wang Yuehong. On-line Monitoring Device of Grain Moisture Content in Combine Harvester in Using High Frequency Capacitance[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[26]Trabelsi S, Nelson S O. Calibration methods for nondestructive microwave sensing of moisture content and bulk density of granular materials[J]. Trans. ASAE, 2004, 47: 1999－2008.

[27]Nelson S O, Trabelsi S, Kraszewski A W. RF sensing of grain and seed moisture content[J]. IEEE Sensors Journal, 2001, 1(2): 119－126.

[28]劉牮，樓光海，黃微. 結合雙樹復小波變換和滑動平均濾波的心電信號去噪方法[J]. 電子測量技術，2018，41(19)：112－117.

Liu Jian, Lou Guanghai, Huang Wei. ECG signal denoising with combination of dual-tree complex wavelet transform and moving average filter[J]. Electronic Measurement Technology, 2018, 41(19): 112－117. (in Chinese with English abstract)

[29]王芳，季忠，彭承琳. 基于雙樹復小波變換的心電信號去噪研究[J]. 儀器儀表學報，2013，34(5)：1160－1166.

Wang Fang, Ji Zhong, Peng Chenglin. Research on ECG signal denoising based on dual-tree complex wavelet transform[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(5): 1160－1166. (in Chinese with English abstract)

[30]熊思華，李彥明，焦中元，等. 稻麥聯合收割機械總線化監控系統研究[J]. 農機化研究，2019，41(4)：190－193.

Xiong Sihua, Li Yanming, Jiao Zhongyuan, et al. Research on can-bus monitoring system of rice and wheat combine harvester[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(4): 190－193. (in Chinese with English abstract)

[31]Trabelsi S, Nelson S O, Lewis M. Microwave moisture sensor for grain and seed[J]. Biological Engineering, 2008, 1(2): 195－202.

[32]國家技術監督局. 農作物種子檢驗規程水分測定，GB/T 3543.6-1995[S]. 北京：中國標準出版社，1995.

Development of on-line detection device for grain moisture contentusing microwave reflection method

Zhang Wei, Yang Gang, Lei Junbo※, Liu Chengliang, Tao Jianfeng, Qin Chengjin

(,,200240,)

Moisture content is one of the important indicators in grain harvesting, trading, storage and processing. High moisture content will lead to a series of problems of grain such as mildew, deterioration, shortened storage time, lower transaction price and higher processing cost. With the development of precision agriculture, accurate detection of grain moisture content can also accurately assess the growing situation of crops, and then provide guidance for the next season’s crop planting. Compared with the drying method, the capacitance method and the electric resistance method, the microwave method is easy to realize the non-destructive measurement of the grain moisture content, which is an important direction of moisture content detection. In the field of on-line detection of moisture content of rice and wheat in combine harvesters, foreign related research started earlier, and enterprises have commercialized, but this technology is still in the research stage in China. Aiming at the problem that the rice-wheat combine harvester is difficult to accurately measure the moisture content of wheat and rice during harvesting operation, this paper studied a non-destructive on-line detection method of grain moisture content based on microwave reflection method, established the grain moisture content measurement model, designed a non-destructive on-line detection device for grain moisture content used on rice-wheat combine harvesters. The device used a 450 MHz microwave measurement module to measure the moisture content of rice and wheat non-destructively. The voltage conversion circuit was designed to convert microwave parameters into voltage signals, and the average filtering algorithm was used for signal filtering to reduce the impact of interference factors. Finally, the moisture content detection model of rice and wheat, which was established by the calibration experiment, was used to calculate the moisture content. The calculation result was displayed on the display in real time via CAN bus communication. Due to the insufficient installation space in rice-wheat combine harvester, the structure of the detecting device was designed and optimized, and the circuit portion and the sampling mechanism were integrated in a compact structure. Based on the above theoretical research, technology development and structural design, this paper carried out laboratory static experiments and field harvesting experiments. The laboratory static experiment used rice and wheat to illustrate the establishment process of the grain moisture content detection model: 30 groups of rice and 30 groups of wheat samples were prepared, moisture contents and voltages calibration experiment was completed, the rice and wheat moisture content detection models was established and the experimental results were analyzed. The field harvesting experiment was verified the practicability and reliability of the grain moisture content detecting device with rice as the test object. The experiment results show that the performance standard deviations of the laboratory static experiment and the field harvest experiment are 0.458 3% and 1.078 0%, respectively, and the relative error are around 2.5% and 5%, respectively. Moisture content measuring range of the detection device for rice and wheat is 14%-34%, which meets the project requirements.

moisture content; agricultural machinery; microwave; sliding average filtering; experimental study

張 偉，楊 剛，雷軍波，劉成良，陶建峰，覃程錦. 基于微波反射法的谷物含水率在線檢測裝置研制[J]. 農業工程學報，2019，35(23)：21－28.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.003 http://www.tcsae.org

Zhang Wei, Yang Gang, Lei Junbo, Liu Chengliang, Tao Jianfeng, Qin Chengjin. Development of on-line detection device for grain moisture contentusing microwave reflection method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 21－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.003 http://www.tcsae.org

2019-08-01

2019-11-18

國家重點研發計劃（2016YFD0702001）；國家重點研發計劃（2016YFD0700105）；上海市科學技術委員會科研計劃項目（16391903102）

張 偉，博士生，主要從事智能農業裝備研究。Email：zhang_wei@sjtu.edu.cn

雷軍波，助理研究員，主要從事智能農業裝備研究。Email：jblei@sjtu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.003

S225.3

A

1002-6819(2019)-23-0021-08