小粒種子電動播種機作業質量監測系統設計與試驗

邱兆美 張巍朋 趙 博 姬江濤 金 鑫 賀智濤

(1.河南科技大學農業裝備工程學院， 洛陽 471003； 2.機械裝備先進制造河南省協同創新中心， 洛陽 471003；3.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

小粒種子播種機是現代化蔬菜栽培常用的播種機械，播種機在田間作業時易出現“斷條”等漏播現象，從而導致農業減產。漏播是影響播種機作業質量的關鍵因素，開發高精度的漏播監測系統是目前播種領域研究的熱點之一。播種機在播種作業時具有播種過程全封閉的特點，僅憑人的感觀無法直接監測其作業質量，因此，研發播種質量自動監測系統顯得尤為重要。

國外的精量播種發展較早，精密播種檢測系統的研究比較成熟，技術相對較為完善，針對播種漏播檢測研究出了不同的檢測方式。一些學者通過在排種管內安裝傳感器或對管道內落種情況的檢測[1-4]實現播種質量監測。文獻[5-6]分別利用高速攝影技術和電容特性完成對精密播種均勻性和落種速度的檢測。約翰迪爾公司對精量播種機的研究較早，且對精量播種質量檢測技術成熟，研制的用于播種質量監測的播種傳感器、Seed Star監視儀[7]以及與其他農機相互協調配套的監控設備，通過光電傳感器與信號采集電路相互配合，能夠檢測漏播、斷條等現象，并在監視儀上進行各種圖形化統計及分析，使作業人員清晰了解播種質量，實時掌握播種質量信息，為作業數據分析處理后的研究提供參考依據。國外對精量排種器的漏播狀態監測及補種的相關研究成果顯著，但其成本較高，適用機具對象、作業環境與國內相距較大。

國內針對播種漏播檢測的研究相對較晚，但發展較快。如一些專家學者[8-12]采用光電傳感器和紅外發光二極管對漏播情況進行監測，光電檢測成本較低，且系統簡單得到廣泛使用，但傳統光電檢測系統對粒徑小于4 mm的種粒難以檢測。周利明等[13-14]采用電容法根據種子介電特性對相隔種子電容脈沖峰值的間隔，設計了基于電容信號的傳感器，實現對種子漏播與重播現象的檢測。金鑫等[15]采用紅外光電檢測技術實現了種子流量的實時監測，并采用變介電常數電容式傳感器監測排肥情況，能夠對小麥播種作業質量進行有效監測，降低了生產成本。張霖等[16]采用壓電原理利用陶瓷片對種粒計數與漏播進行檢測，通過對系統阻尼振動頻率與阻尼比分析，將種子短暫的沖擊作用變換為單個波峰電壓信號，完成對種粒的準確計數。高速攝影與圖像處理技術等[17-23]也被廣泛應用在播種監測領域，但所采用設備和處理系統較為復雜，不便于在播種機身裝配及田間應用。黃東巖等[24-25]基于PVDF壓電薄膜特性研究了壓電薄膜的工作機理，運用壓電薄膜檢測技術分析種子下落的運動碰撞，實現了對播種質量的檢測。丁幼春等[26]利用光纖傳感器對油菜精量排種器的性能檢測、漏播檢測與補種進行了研究，由于光纖材料特殊傳感器成本高，傳感器在播種機上的裝配價格高于播種機自身價值，代價太高，不利于在實際應用中推廣。

為了對蔬菜播種機播種質量進行監測，實現小粒種子精量播種，本文采用具有面檢測特性的光電傳感器，對蔬菜小粒種子排種進行實時監測，設計播種質量監測系統，實現對粒徑0.5～1.5 mm小粒種子的檢測。

1 小粒種子電動播種機

針對小粒種子粒徑小、質量輕、不易監測的問題，設計了具有實時檢測功能的小粒種子電動播種機，主要由播種系統和智能監測系統兩部分組成，如圖1所示。

圖1 播種機組成框圖Fig.1 Diagram of seeder block

播種系統包括前鎮壓輪、排種器、電源箱、后鎮壓輪、電機、調控器、覆土器、開溝器等，結構如圖2所示。該電動播種機由電源箱提供電力，供電機和調控器運轉。電機安裝在后鎮壓輪內部，后鎮壓輪經鏈條連接帶動排種器軸轉動，排種器軸帶動排種輪轉動實現排種，種子通過排種管落入開溝器開出的種溝內，經覆土、鎮壓完成播種。調控器安裝在播種機扶手一側，通過對電機轉速的控制實現播種機前進速度的調整。前鎮壓輪位于開溝器前端，主要用于將土壤平整壓實以提高開溝穩定性。

圖2 小粒種子電動播種機結構圖Fig.2 Structural diagram of small seed electric seeder 1.前鎮壓輪 2.排種器 3.電源箱 4.后鎮壓輪 5.調控器 6.電機 7.覆土器 8.開溝器

智能監測系統主要包括漏播監測子系統、排種監測子系統和可視化子系統。漏播監測子系統主要采用具有面檢測特性的光電傳感器實現對播種量和漏播情況的實時監測。排種監測子系統采用CMOS圖像傳感器對種子運動過程進行視頻采集，實現對排種器排種、種子下落的實時監測?？梢暬酉到y包括STM32微控制器和車載計算機，可完成采集數據的實時處理、顯示和報警，實現作業質量監測過程和結果的可視化。

2 智能監測系統設計

2.1 硬件設計

智能監測系統硬件由漏播監測子系統、排種監測子系統、可視化子系統3部分組成， 系統結構框圖如圖3所示。

2.1.1漏播監測子系統設計

漏播監測子系統包括傳感器檢測頭、屏蔽電纜線和放大器，如圖4a所示。傳感器檢測頭經屏蔽電纜線與放大器相連，放大器配置有持續可變靈敏度調節器，可對檢測精度進行微調。

基于電動播種機排種器距地面較近，且排種管下端位于開溝器內部，造成傳感器安裝位置和檢測方式等受到限制，傳感器檢測頭采用矩形紅外面檢測光電傳感器，如圖4b所示。傳感器檢測頭采用帶活門的矩形結構，固定在排種管中段，置于開溝器上端，如圖5所示?；赑MMA透鏡紅外線LED投光可實現對21 mm×21 mm感應區內0.5 mm以上不透明物體的面檢測，且針對紅外線檢測時對感應區域透光度的需求，排種管采用直徑20 mm的透明PVC軟管。

圖4 光電傳感器實物圖Fig.4 Diagrams of photoelectric sensor 1.傳感器檢測頭 2.屏蔽電纜線 3.放大器

圖5 傳感器安裝示意圖Fig.5 Installation schematic diagram of sensor 1.開溝器 2.光電傳感器

漏播監測子系統主要監測排種管內通過的種子數量，反饋播種信息，并對漏播實時報警。排種管中下落的種粒通過傳感器檢測區域時，由于不透明種粒對光線的遮擋產生遮光量，當遮光量小于設定的閾值時認定為漏播，并輸出報警信號。

在實際應用中，傳感器輸出的脈沖信號經微控制器進行相關處理并判斷是否出現漏播或重播現象，再由報警單元實現對應的漏播或重播報警。根據相關標準[27]，具體判斷依據為0.5d≤vΔt≤1.5d(正常)；vΔt>1.5d(漏播)；vΔt<0.5d(重播)。其中d為理論株距，m；Δt為相鄰兩粒種子下落時間間隔，s；v為播種機前進速度，m/s，該速度可由播種機速度傳感器獲得，本設計使用霍爾傳感器作為播種機速度傳感器。

播種過程中漏播檢測精度易受透光率、振動等影響而降低。本系統采用微分檢測脈沖輸出模式，不影響因長時間積塵等透光率偏低時的檢測效果，能夠滿足播種質量監測系統的精度。

2.1.2排種監測子系統設計

排種監測子系統包括SDK開發模組和CMOS圖像傳感器，如圖6所示。圖像傳感器通過數據線與SDK開發模組相連，主要用于監測排種器排種情況。CMOS圖像傳感器采用可彎曲數據線內置在排種器排種口處，不影響排種器正常排種軌跡，如圖7所示。SDK開發模組固定在排種座上，通過逆變器與車載電源轉換完成供電，配備專門的影像信號處理IPS硬核，控制指令ARM核，可根據實際進行二次開發。排種監測子系統可實現實時影像采集，具備存儲、回放功能，性能穩定，滿足監測系統影像采集需要，解決了由于種粒過小和播種機配備部件安裝緊密導致的不便于觀察落種情況的問題。

圖6 CMOS圖像傳感器實物圖Fig.6 Image of CMOS image sensor

圖7 CMOS圖像傳感器安裝圖Fig.7 Installation diagram of CMOS image sensor 1.排種器 2.排種器軸 3.CMOS攝像頭

2.1.3可視化子系統設計

可視化子系統包括微控制器和上位機，微控制器選用單片機STM32，主要用于接收、處理各傳感器采集的數據，并將處理后數據上傳至上位機，實現監測數據和結果的可視化。

上位機采用多功能一體機，小粒種子電動播種機監測系統平臺如圖8所示，可執行播種機的啟、停操作，并實現作業情況、報警信息和影像監測信息等數據的實時顯示、聲光報警和存儲。

圖8 上位機軟件操作界面Fig.8 Interface of software operation on upper computer

2.2 軟件系統設計

軟件系統程序由Visual Basic 6.0語言編寫，主要實現播種機啟動與停止、漏播管道顯示和報警、落種過程實時顯示，操作界面如圖8所示。

通過操作界面上設置的啟動和停止按鈕控制電動播種機電機的轉動，實現播種機的啟停。通過對監測系統播種作物和株距的選擇，可改變微控制器內部對播種監測閾值的設定，實現傳感器對0.5～1.5 mm不同粒徑種子的監測，且保證監測精度滿足監測要求。

主系統軟件流程圖如圖9所示，首先微控制器上電系統進行初始化，然后設置系統參數，參數輸入完畢，按啟動鍵啟動電機，同時啟動智能監測系統。微控制器進行傳感器檢測信號的接收、處理，并計算實時播種間距；通過實時株距與閾值對比判斷是否發生漏播，實現漏播實時報警?？梢暬酉到y接收并顯示來自微控制器處理后數據，實現落種過程、實際播種量、播種速度、報警信息等的可視化監測。

圖9 主系統軟件流程圖Fig.9 Flow chart of main system software

漏播監測子系統監測流程如圖10所示，系統上電初始化后，當接收到上位機發出的智能檢測系統啟動信號，啟動子系統所有傳感器，并循環檢查各傳感器工作情況。依據傳感器實時檢測信息計算相鄰兩粒落種的時間間隔Δt和播種機前進速度v，獲得實時播種間距，并結合理論播種株距判斷是否發生漏播現象。若發生漏播現象，則上傳可視化子系統，實現相關的作業情況和漏播信息顯示和報警。

圖10 漏播監測工作流程圖Fig.10 Flow chart of operation of leak detection

圖11 室內試驗Fig.11 Indoor test

3 試驗與結果分析

3.1 室內試驗

如圖11所示，室內試驗主要檢測小粒種子電動播種機監測系統檢測精度，通過選用不同孔徑的排種輪，實現監測系統對不同粒徑種子檢測適應性的測試，驗證該播種質量監測系統的使用效果。各檢測傳感器與播種機合理配置安裝，不存在擋種、影響播種機作業等問題，保證了播種機監測系統安裝前的作業性能。試驗過程中分別針對播種計數、漏播精度檢測、落種影像實時顯示等系統性能進行測試，并將系統檢測結果與人工檢測結果進行對比分析。

3.2 播種計數監測試驗

為獲取實際的落種數量，將光電傳感器安裝在排種器出種口處，并在排種管下方安裝接料袋。為測試監測系統對不同粒徑、形狀、顏色種子的播種檢測精度和系統本身的適應性，選用粒徑0.5～0.9 mm的胡蘿卜、辣椒種子和1.0～1.5 mm的番茄、菠菜種子。為保證播種量計數的準確性，播種監測系統每次啟動時，播種量自動清零。每次試驗結束時監測系統平臺顯示的播種量為測量值，接料袋中人工統計的種數為實際值。重復5次試驗，各次試驗數據如表1所示。

表1 播種計數試驗結果Tab.1 Test results of seeding counting

從表1中試驗數據可以得出，監測系統對粒徑0.5～0.9 mm的胡蘿卜/辣椒種子的播種量檢測精度相對誤差不大于4%；對粒徑1.0～1.5 mm的菠菜/番茄種子的播種量檢測精度相對誤差不大于3.6%。因此可得出，物種和粒徑變化對播種質量檢測系統的檢測精度影響不顯著，系統適應性好；本播種質量檢測系統適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的播種量檢測，且播種量檢測準確率達96%，檢測精度相對誤差不大于4%。

3.3 漏播率監測精度試驗

通過人為制造漏播故障的方式進行漏播精度檢測試驗。試驗種床帶采用無縫精密橡膠帶，其防靜電和耐壓特點確保了落種的穩定性。為了測試種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監測精度的影響，選粒徑范圍在0.5～0.9 mm和1.0～1.5 mm的4種小粒種子，并采用與種子粒徑相應的不同孔徑的排種輪進行漏播測試。監測系統檢測、記錄、顯示漏播信息，將系統顯示的漏播報警次數與人工查看種床帶的漏播統計次數相對比，實現系統漏播率測試。同類種子重復試驗5次，各次試驗數據結果如表2所示。

從表2中可以看出，種子粒徑、形狀、落種密度對漏播率監測精度的影響不顯著，系統適用于粒徑0.5 mm及以上小粒種子的漏播監測。漏播監測子系統準確率達92.3%，漏播率相對誤差均不大于7.7%，滿足監測精度要求。通過試驗過程和結果分析發現，漏播未報警是由于報警持續時間小于設置的報警延遲時間，可通過調節傳感器響應靈敏度，多次檢測調節確定合適延時設置。

表2 種子漏播率試驗結果Tab.2 Test results of seed missing sowing rate

3.4 影像監測落種過程精度試驗

當種子下落時，通過影像監測子系統實時獲取種子下落信息并傳到可視化子系統，在檢測系統平臺中實時顯示、記錄落種過程。通過實時播放和回放觀察不同管道排種、落種情況，將實際播種粒數與影像傳輸顯示的種粒數進行比較，實現對CMOS圖像傳感器的精度標定和影像顯示精度的試驗，其試驗數據如表3所示。

從表3中可以看出，在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下，該播種質量監測系統影像顯示的落種粒數與人工檢測實際播種數量相比，相對誤差不大于5%，監測精度達95%。其誤差產生原因主要是在種子下落過程中，由于CMOS圖像傳感器焦距標定不合理，對較小粒徑的種子拍攝不清晰而沒有計入落種數量中，造成誤差，使檢測精度降低。可以通過精度微調和攝像頭焦距多次標定，提升圖像傳感器實時監測精度。

表3 落種圖像顯示試驗結果Tab.3 Test results of seeding image display

4 結論

(1)采用具有面檢測特性的光電傳感器和CMOS圖像傳感器，設計了播種質量監測系統，實現了對粒徑0.5～1.5 mm蔬菜小粒種子的播種效果監測，該系統能實時準確地檢測播種機的播種質量，受種子粒徑、形狀、株距等影響小，系統穩定性好。

(2)軟件系統采用Visual Basic 6.0語言編寫，開發的監測平臺可實現對播種量、漏播情況和落種過程的實時監測、顯示和漏播報警等功能。

(3)試驗表明：播種質量監測系統對播種量監測精度達96%，漏播監測精度達92.3%，能夠有效地監測小粒種子播種情況，在3.0 km/h和4.5 km/h播種速度下，落種監測精度達95%。本監測系統可實現對小粒種子電動播種機作業質量的實時監測、顯示和報警，提高了監測效率。