基于壓電沖擊法的水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)設計與試驗

王金武 張 曌 王 菲 姜業(yè)明 周文琪

(東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

隨著我國農業(yè)機械化水平的不斷提升，水稻穴直播種植方式逐漸應用于農業(yè)生產中。該種植方式可使植株結構更加合理，與水稻插秧相比具有節(jié)本增效的優(yōu)點，是一種省工、省力、省時的高效水稻種植方式[1-3]。水稻穴直播機將經催芽與包衣的稻種以多粒穴播方式播入田中，排種器作為水稻穴直播機的關鍵部件，其性能直接決定了機具的播種質量。目前水稻穴直播機播種過程普遍處于封閉狀態(tài)，僅憑人的感觀無法直接監(jiān)測機具作業(yè)質量[4-6]。若機具出現(xiàn)重播或漏播現(xiàn)象，則會造成植株通風性差、成苗率低，影響農業(yè)生產收益[7-10]。因此，在滿足水稻穴直播作業(yè)條件下，實現(xiàn)精準實時監(jiān)測具有重要意義。

目前國外對旱田播種監(jiān)測技術的研究較多。法國庫恩NODET氣吸式播種機上的響鈴式排種故障報警器[11]，在發(fā)生故障時以敲擊鈴罩的方式不斷發(fā)出聲響，進行報警；澳大利亞AEE公司為氣力播種機設計了一種報警器[12]，其利用紅外線傳感器監(jiān)控輸種管中種子的排量，當輸種管停止輸種時，報警器立即進行聲光報警。雖然國外播種機監(jiān)測技術智能化程度及可靠性較高[13-17]，但監(jiān)測對象局限于旱田播種機，而對于水稻穴直播監(jiān)測技術研究較少。

隨著機電一體化技術在農業(yè)機械領域的迅速發(fā)展[18-20]，近年來，國內部分學者對水稻穴直播監(jiān)測技術進行了探索。崔紅光等[21]采用光電法設計了一種基于ZigBee技術的水稻穴直播機漏播監(jiān)測裝置，該裝置雖可在機具出現(xiàn)漏播時發(fā)出報警信號，但傳感器位于導種管下種口處，易受水田泥漿影響，造成下種口堵塞，影響直播作業(yè)，且該監(jiān)測裝置僅對穴距漏播進行監(jiān)測，并未對穴粒數(shù)漏播或重播現(xiàn)象進行監(jiān)測。文獻[22]依托型孔輪式排種器設計了水稻穴直播機光電漏播檢測裝置，該裝置采用灌注方式固定在排種管上，有效保證了光電傳感器的光路傳播并防水防塵，但裝置在工作時會出現(xiàn)檢測盲區(qū)，減少了有效檢測區(qū)域面積，影響檢測準確率。

針對上述問題，本文依托課題組所設計的彈射式耳勺型水稻穴直播排種器，在保證成穴播種的前提下，基于壓電沖擊法設計適應水田環(huán)境的水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，并進行臺架測試與田間性能試驗，以期改善水稻穴直播作業(yè)質量。

1 監(jiān)測系統(tǒng)結構設計

1.1 研究載體

彈射式耳勺型水稻穴直播排種器作為監(jiān)測系統(tǒng)的研究載體，其具體工作原理見文獻[23]，結構如圖1所示，主要由容種箱、取種耳勺、擋桿、扭轉彈簧、柱銷、旋轉底座、導種管、柔性護種輥、輥座、輥架和清種毛刷等部件構成，其工作過程可分為舀種、清種、護種和投種4個階段，本研究基于排種器投種階段，完成導種管結構設計，確定PVDF壓電薄膜傳感器安裝部位，為監(jiān)測系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化提供前期基礎。

圖1 彈射式耳勺型水稻穴直播排種器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of rebound dipper rice hill-direct-seeding metering device1.容種箱 2.取種耳勺 3.擋桿 4.扭轉彈簧 5.柱銷 6.旋轉底座 7.導種管 8.柔性護種輥 9.輥座 10.輥架 11.清種毛刷 Ⅰ.舀種弧段 Ⅱ.清種弧段 Ⅲ.護種弧段 Ⅳ.投種弧段

1.2 結構與工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括Arduino Uno開發(fā)板(內含ATmega328P MCU控制器)、導種管(內壁附著PVDF壓電薄膜傳感器)、電荷放大整形器、12 V直流電源、可調直流降壓穩(wěn)壓器、I/O傳感器擴展板、紅藍LED報警燈、電磁式有源蜂鳴報警器、HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊和藍牙無線串口傳輸APP，監(jiān)測系統(tǒng)整體結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Structural diagram of monitoring system

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of monitoring system

監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖3所示。由排種器工作原理可知，被彈射出取種耳勺的稻種具有一定的初速度，在重力的作用下沖擊貼附于導種管內壁的PVDF壓電薄膜傳感器，PVDF壓電薄膜由于受到沖擊力而發(fā)生形變，內部產生極化現(xiàn)象，在其上、下表面出現(xiàn)正負相反的電荷，從而生成電壓信號。信號經放大整形電路進行放大與整形處理，形成脈沖波，經D/A轉換器送入ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)，形成模擬量輸出。當排種器發(fā)生漏播或重播故障時，PVDF壓電薄膜傳感器產生的模擬電壓信號大小或時間間隔超出理論閾值范圍，從而驅動報警電路工作進行聲光報警，稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器后，沿著導種管內壁下滑，成穴落至水田田面，完成直播作業(yè)。

1.3 導種管結構設計

為保證被彈射入導種管內的稻種順利地沖擊到傳感器，使ATmega328P MCU控制器采集到模擬電壓信號，須對排種器投種過程進行理論分析，尋求稻種被彈射出取種耳勺后的運動軌跡，確定導種管結構參數(shù)，以提高稻種對PVDF壓電薄膜傳感器的有效沖擊概率并保證稻種成穴播至田面。

由運動學分析可知，投種過程稻種下落模型可簡化為平面斜下拋運動[24]。以取種耳勺內水稻種群為研究對象，將種群視為統(tǒng)一質點M，其質心作為坐標原點，分別以種群水平運動方向和豎直運動相反方向為正方向，建立XOY坐標系，如圖4所示。

圖4 投種過程稻種受力分析Fig.4 Stress analysis of rice seed in process of seed throwing

取種耳勺脫離柔性護種輥壓制作用，排種器進入投種階段，在旋轉底座帶動下取種耳勺繞柱銷快速旋轉并與擋桿碰撞，稻種被拋離出取種耳勺，則

(1)

式中ω1——柱銷相對底座轉動角速度，rad/s

ω2——種群M相對柱銷轉動角速度，rad/s

l1——柱銷相對底座等效回轉半徑，mm

l2——種群M相對柱銷等效回轉半徑，mm

vO′——柱銷相對底座轉動線速度，mm/s

vO″——種群M相對柱銷轉動線速度，mm/s

種群M被拋離出取種耳勺時的瞬時速度為柱銷相對旋轉底座中心轉動的線速度與稻種相對柱銷中心轉動的線速度的合速度，為簡化分析，忽略空氣阻力影響以及種群M與取種耳勺舀種部內壁的摩擦，由余弦定理可得

(2)

式中vp——種群M被拋離出取種耳勺瞬時速度，mm/s

α——取種耳勺與擋桿接觸時，取種耳勺與旋轉底座安裝臂夾角，(°)

將式(1)代入式(2)，得

(3)

由于種群M被拋離出取種耳勺后做平面斜下拋運動，分析可得

x=vptcosθ

(4)

(5)

式中x——種群M在水平方向位移，mm

y——種群M在豎直方向位移，mm

θ——種群M被拋離出取種耳勺瞬時速度與水平方向夾角，(°)

t——種群M下落時間，s

g——重力加速度，9.8 m/s2

將式(3)代入式(4)，解得種群M下落時間為

(6)

將式(6)代入式(5)，整理得種群M的軌跡方程為

(7)

其中，由文獻[25]可知，l1=40 mm，l2=60 mm，α=36°。利用Matlab軟件編寫繪圖程序，改變參數(shù)ω1、ω2與θ的值，繪制不同工作轉速下水稻種群的投種軌跡，如圖5所示。

圖5 水稻種群投種軌跡示意圖Fig.5 Diagram of seed throwing trajectory of rice seeds

為滿足所設計導種管具有輔助監(jiān)測和導種成穴功能，結合水稻種群投種軌跡曲線形式，設計導種管由信號采集弧段和垂直導種段兩部分組成。為保證水稻種群與傳感器充分接觸并沿導種管內壁成穴落至田面，需對導種管結構尺寸及傳感器安裝部位進行確定。

由圖5可知，若將信息采集弧段設置在種群水平方向投種位移較小處，種群較為集中，有利于種群與傳感器充分接觸，但此時種群距離田面較高，致使種群接觸傳感器后下落時間增長，種群籽粒易分散，導致成穴性差；若將信息采集弧段設置在種群水平方向投種位移較大處，可減少種群接觸傳感器后的下落時間，但此時種群的速度較大，其在導種管內易反彈，造成傷種。綜合以上分析，確定導種管的水平長度為132 mm，豎直高度為260 mm，弧段寬度為55 mm，下種口內徑為20 mm，如圖6a所示。

圖6 PVDF壓電薄膜傳感器安裝示意圖Fig.6 Diagram of PVDF piezoelectric film sensor installation

由于PVDF壓電薄膜具有柔軟堅韌與耐沖擊的特點，且不易受水影響，故采用兩片長、寬和厚分別為75、25 mm和52 μm的PVDF壓電薄膜并列貼附于導種管信號采集弧段的內壁作為傳感器，位置如圖6b所示。

2 監(jiān)測指標控制算法確定

由于水稻穴直播機是以多粒穴播的方式進行播種作業(yè)，故其可能會發(fā)生兩種情況下的漏播或重播現(xiàn)象，即穴粒數(shù)重播、穴粒數(shù)漏播、穴距重播和穴距漏播。

2.1 穴粒數(shù)重播和穴粒數(shù)漏播監(jiān)測算法

監(jiān)測系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜作為信號采集傳感器，其晶體內部的壓電效應可將稻種沖擊傳感器的力學量轉化成電信號輸出。由于壓電薄膜符合機械自由、電學短路的邊界條件，故其滿足第一類壓電方程

D=d0σ+εTE0

(8)

式中D——電位移，C/m2

d0——壓電常數(shù)矩陣

σ——應力，Pa

ε——介電常數(shù)矩陣

E0——電場強度，N/C

當PVDF壓電薄膜作為傳感器時，其外界電場E0為0，此時對應的第一類壓電方程為

D=dijσ

(9)

式中下標i表示產生極化電荷方向，即垂直于X、Y、Z軸的面法線方向，i=1、2、3；下標j表示作用力方向，即沿X、Y、Z軸正應力方向，j=1、2、3；垂直于X、Y、Z軸平面內切應力方向，j=4、5、6。

圖7 PVDF壓電薄膜極化示意圖Fig.7 Diagram of PVDF piezoelectric film polarization

對于PVDF壓電薄膜，極化方向為厚度方向，故切應力對應的壓變系數(shù)為0。同時薄膜很薄，無法從側面引出電極，通常引出的是Z軸方向上的電荷，如圖7所示。此時壓電方程可簡化為

Dz=d31σxx+d32σyy+d33σzz

(10)

式中Dz——垂直于Z軸表面的電位移，C/m2

d31、d32——極化方向與外力方向垂直的壓電常數(shù)，C/N

d33——極化方向與外力方向平行的壓電常數(shù)，C/N

σxx——沿X軸方向應力，Pa

σyy——沿Y軸方向應力，Pa

σzz——沿Z軸方向應力，Pa

由于薄膜受力主要在厚度方向，故式(10)可進一步簡化為

Dz=d33σzz

(11)

根據(jù)胡克定律可知，在材料的線彈性范圍內有

σ=Eε

(12)

式中E——PVDF壓電薄膜彈性模量，Pa

ε——應變

此時PVDF壓電傳感器的輸出電荷可表示為

Q=DzS=d33σzzS=d33EεS

(13)

式中Q——PVDF壓電薄膜輸出電荷，C

S——PVDF壓電薄膜表面積，m2

由于PVDF壓電薄膜具有平板電容器結構[26]，可得

(14)

式中U——PVDF壓電薄膜輸出電壓，V

C——PVDF壓電薄膜電容，F(xiàn)

由式(14)可知，當PVDF壓電薄膜表面積一定時，輸出電壓與應變成正比。但在實際工作過程中，由于壓電薄膜自身存在遲滯、蠕變等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關系。由于稻種與傳感器接觸為瞬時沖擊，故可將產生的沖擊力視為靜態(tài)力[27]。為保證監(jiān)測系統(tǒng)的精準性與可靠性，應探究所選用PVDF壓電薄膜傳感器的靜態(tài)響應特性，對其輸出電壓與應變的線性關系進行標定。通過在PVDF壓電薄膜表面添加不同質量的砝碼，使之產生不同應變，測出其在不同應變下的輸出電壓。采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集最高輸出電壓和相應應變[28]，利用Excel軟件得到PVDF壓電薄膜靜態(tài)標定曲線，如圖8所示。

圖8 PVDF壓電薄膜靜態(tài)標定曲線Fig.8 Static calibration curve of PVDF piezoelectric film

由圖8可知，在靜態(tài)力作用下，PVDF壓電薄膜輸出電壓與應變之間線性相關程度較高，且呈線性增長趨勢，表明所選用的PVDF壓電薄膜傳感器滿足監(jiān)測系統(tǒng)設計要求。

為保證PVDF壓電薄膜傳感器采集信號的有效性及監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，探究排種器高速作業(yè)條件下PVDF壓電薄膜傳感器與第M穴稻種沖擊后的穩(wěn)態(tài)恢復情況。取排種器最優(yōu)工作轉速范圍內的最大工作轉速n=35 r/min[29]，并使排種器轉動一圈(對應6穴稻種)，通過LabVIEW虛擬儀器輸出6穴稻種沖擊傳感器產生的模擬電壓隨時間變化的脈沖波形圖，如圖9所示。由圖9可知，相鄰兩脈沖之間無明顯干擾信號，表明PVDF壓電薄膜傳感器與第M穴稻種沖擊后可迅速恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，可對第M+1穴稻種沖擊信號進行有效采集，且所選用PVDF壓電薄膜傳感器頻率響應寬，在10-5～109Hz范圍內響應平坦[30]，可以采集連續(xù)的沖擊信號。

圖9 6穴稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器輸出波形圖Fig.9 Output waveform of PVDF piezoelectric film sensor impacted by six hole rice seeds

由排種器工作原理可知，稻種對PVDF壓電薄膜傳感器的沖擊力與排種器工作轉速、沖擊傳感器的稻種粒數(shù)有關。為探究實際工況下稻種粒數(shù)對傳感器模擬電壓的影響，對相同工作轉速(10 r/min)下不同稻種粒數(shù)(1～10粒)沖擊PVDF壓電薄膜傳感器時產生的模擬電壓進行標定，結果如圖10所示。

圖10 相同轉速下不同稻種粒數(shù)標定曲線Fig.10 Calibration curve of different rice seed amounts at the same speed

由圖10可知，當排種器工作轉速一定時，稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器產生的模擬電壓與稻種粒數(shù)的數(shù)學模型呈單調遞增變化規(guī)律。根據(jù)水稻穴直播農藝要求及機具實際作業(yè)情況，合格穴粒數(shù)為5～8粒之間的動態(tài)值[31]，故對不同轉速下5～8粒稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器產生的模擬電壓進行極限閾值(Vmin和Vmax)選定，如圖11所示。

圖11 模擬電壓閾值選定Fig.11 Selection of analog voltage threshold

故可確定針對機具發(fā)生穴粒數(shù)重播和穴粒數(shù)漏播時的監(jiān)測算法為：ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)讀取每穴稻種沖擊傳感器產生的模擬電壓信號Vi，并與各工況下預置的兩個極限閾值進行比較判斷。若Vi>Vmax，則判定為穴粒數(shù)重播；若Vi

2.2 穴距重播和穴距漏播監(jiān)測算法

根據(jù)NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規(guī)范》中穴播機性能評價指標及實際播種作業(yè)對穴距和前進速度的要求，得

(15)

v——機具前進速度，m/s

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》可知，當實際株距小于或等于0.5倍理論株距時為重播；實際株距大于1.5倍理論株距時為漏播，介于二者之間為合格，即

(16)

(17)

(18)

d——實際株距，m

將式(15)～(18)合并整理可得

(19)

(20)

(21)

為簡化分析，將每穴稻種視為一個整體，忽略稻種沖擊傳感器后的下落時間，則機具在不同工況下作業(yè)的穴距為

di=Δtiv

(22)

式中di——實際穴距，m

Δti——不同工況下相鄰兩穴稻種實際下落時間間隔，s

將式(22)代入式(19)～(21)中整理得

(23)

(24)

(25)

3 監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)硬件以嵌入在Arduino Uno開發(fā)板上的ATmega328P MCU控制器為微處理器，外圍電路主要由穩(wěn)壓電源電路、信號采集電路、聲光報警電路和藍牙無線串口傳輸電路構成。系統(tǒng)總電路圖如圖12所示。

3.1.1穩(wěn)壓電源電路設計

采用12 V直流鋰電池作為系統(tǒng)供電電源，由于各模塊所需的工作電壓不同，故降壓芯片選用降壓型開關電壓調節(jié)器LM2596S，先將12 V輸入電壓降至5 V，再通過低壓差電壓調節(jié)芯片LM1117-5獲得3.3 V的輸出電壓，以滿足各模塊對供電電壓的要求，電路圖如圖13所示。

3.1.2信號采集電路設計

如圖14所示，水稻種群沖擊PVDF壓電薄膜傳感器所產生的模擬電壓信號通過電解電容與電阻組成的穩(wěn)壓旁路，形成穩(wěn)定的脈沖信號；放大整形電路采用雙運算放大器LM358，脈沖信號經放大整形后經D/A轉換器轉入ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)。放大整形電路設有變阻器，工作時可通過調節(jié)電阻值來抑制外部干擾信號，進而提高監(jiān)測精度。

圖12 監(jiān)測系統(tǒng)總電路圖Fig.12 Schematic of monitoring system total circuit

圖13 穩(wěn)壓電源電路圖Fig.13 Schematic of stabilized voltage supply circuit

圖14 信號采集電路圖Fig.14 Schematic of signal acquisition circuit

3.1.3聲光報警電路設計

機具在播種作業(yè)期間，若系統(tǒng)檢測到故障時，ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)通過輸出帶有間隔的高低電平驅動紅、藍LED發(fā)光模塊閃爍；同時，通過脈沖寬度調制方式持續(xù)輸出占空比不同的PWM波，控制蜂鳴器工作，實現(xiàn)聲光報警功能，如圖15所示。

圖15 聲光報警電路圖Fig.15 Schematic of acousto-optic alarm circuit

3.1.4藍牙無線串口傳輸電路設計

采用HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊(內嵌CSR BC417143藍牙芯片，波特率范圍為4 800～1 382 400 b/s，有效傳輸距離10 m，傳輸速率3 Mb/s)實現(xiàn)信號的無線傳輸功能，內置LDO集成低壓差線性穩(wěn)壓器，外接旁路電解電容和使能電路如圖16所示，可起到降壓穩(wěn)壓、負載短路保護與反接保護的作用。本系統(tǒng)通過AT指令將模塊設置在自動連接工作模式下的從機模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖16 HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊電路圖Fig.16 Schematic of HC-05 embedded serial communication module circuit

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分主要包括Arduino Uno開發(fā)板程序編寫軟件與藍牙無線串口傳輸APP，通過編寫監(jiān)測控制程序及安卓應用程序代碼，完成信號采集與數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)直播作業(yè)過程的實時無線監(jiān)測。

3.2.1Arduino Uno開發(fā)板軟件程序設計

在基于Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境下的Arduino IDE軟件上編寫Arduino程序代碼控制系統(tǒng)多路模塊電路，編譯并上傳至微控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)工作模塊、相關寄存器和I/O口初始化設置以及傳感器數(shù)據(jù)采集與預處理，具有良好的可移植性和靈活的擴展性。系統(tǒng)程序流程如圖17所示。

圖17 監(jiān)測系統(tǒng)程序流程圖Fig.17 Flow chart of monitoring system program

3.2.2藍牙無線串口傳輸APP設計

為實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸，代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算機端通信軟件作為監(jiān)測系統(tǒng)的顯示終端，需建立HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊與安卓手機間完整的通信路徑。易安卓開發(fā)平臺(E4A)是基于谷歌Simple語言的可視化開發(fā)環(huán)境下的編程工具，通過Basic語法編寫安卓應用程序，代碼采用純中文編寫[32]。利用易安卓開發(fā)平臺自主設計開發(fā)適用于安卓系統(tǒng)的手機藍牙無線串口傳輸APP，可實現(xiàn)實時接收并顯示由HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊所發(fā)射的ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)串口數(shù)據(jù)信息，并進行相關操作。APP界面及程序代碼如圖18所示。

圖18 藍牙無線串口傳輸APP界面與程序代碼Fig.18 Bluetooth wireless serial port transmission APP interface and program code

4 試驗結果與分析

4.1 靈敏度臺架測試

為探究不同排種器工作轉速下監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度的變化規(guī)律，開展監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度臺架測試，測試地點為東北農業(yè)大學排種性能實驗室；測試品種為龍慶稻3號，稻種需催芽至破胸露白，后經晾曬至含水率為26.34%～29.62%；測試裝置為彈射式耳勺型水稻穴直播排種器、監(jiān)測系統(tǒng)、JPS-12型排種器性能檢測試驗臺和計算機等，如圖19所示。

圖19 監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度臺架測試裝置Fig.19 Sensitivity bench test of monitoring system1.彈射式耳勺型水稻穴直播排種器 2.監(jiān)測系統(tǒng) 3.計算機 4.驅動電動機 5.安裝臺架

由前期預試驗可知，當排種器工作轉速高于35 r/min時，排種合格率逐漸降低，無法滿足監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度測試的要求，故取排種器工作轉速范圍為10～35 r/min(對應機具前進速度為0.54～1.89 km/h)，通過JPS-12型排種器性能檢測試驗臺的計算機控制面板設置不同的排種器工作轉速，各工況下選取120穴作為被測對象，記錄監(jiān)測系統(tǒng)的響應次數(shù)，結果如表1所示。

由表1可知，所選取的120穴稻種的平均穴粒數(shù)在5～8粒動態(tài)區(qū)間內，符合水稻穴直播農藝要求，在此條件下，各工況下系統(tǒng)靈敏度均不小于90.83%，表明穴粒數(shù)對系統(tǒng)靈敏度影響較小。通過臺架預試驗可知，在適宜寒地水稻直播作業(yè)的合理含水率范圍內(25%～30%)，稻種含水率對系統(tǒng)靈敏度無任何影響。綜合分析可知，該系統(tǒng)可對沖擊到PVDF壓電薄膜傳感器的稻種進行信號采集，可靠性較高。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度測試結果Tab.1 Sensitivity test results of monitoring system

4.2 田間試驗

為探究所設計的水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能，于2018年5月7—10日在黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)試驗田進行田間試驗，如圖20所示。

圖20 整機配置與田間試驗Fig.20 Whole machine configuration and field experiment

由于Ⅰ擋速度較低，不符合實際田間作業(yè)要求，故田間試驗時，設定前進速度分別為0.50、0.90、1.28、1.67 km/h。首先，對不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度進行試驗，試驗方法與臺架測試方法相同，在不同工況下分別選取120穴進行統(tǒng)計，得到當工作轉速分別為10、18、26、34 r/min時，系統(tǒng)靈敏度分別為99.17%、95.83%、91.67%和90%，與臺架測試結果基本一致；在保證機具田間實際作業(yè)時監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度的前提下，進行監(jiān)測系統(tǒng)工作性能試驗。在各工況下選取300穴作為被測目標，統(tǒng)計經藍牙串口模塊傳輸至手機APP上的模擬電壓、相鄰兩穴稻種下落時間間隔與故障判斷記錄等數(shù)據(jù)信息，得到并記錄監(jiān)測系統(tǒng)判斷的重播穴數(shù)和漏播穴數(shù)，并與人工統(tǒng)計的實際重播穴數(shù)和漏播穴數(shù)進行對比，基于以上數(shù)據(jù)，計算得到不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)工作性能指標結果，如表2所示。其中部分指標的計算方式如下：漏播監(jiān)測精度為漏播報警穴數(shù)與漏播穴數(shù)的百分比；重播監(jiān)測精度為重播報警穴數(shù)與重播穴數(shù)的百分比；有效監(jiān)測精度為合格穴數(shù)、漏播報警穴數(shù)與重播報警穴數(shù)之和與應播穴數(shù)的百分比；絕對誤差為應播穴數(shù)、合格穴數(shù)的差值與漏播報警穴數(shù)、重播報警穴數(shù)之和的差值；相對誤差為絕對誤差與合格穴數(shù)、漏播報警穴數(shù)與重播報警穴數(shù)的百分比。

表2 監(jiān)測系統(tǒng)田間性能試驗結果Tab.2 Field performance experiment results of monitoring system

為直觀地分析各工況下監(jiān)測系統(tǒng)工作性能的變化規(guī)律，運用Excel軟件對不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)的漏播監(jiān)測精度、重播監(jiān)測精度和有效監(jiān)測精度的平均值進行擬合，曲線如圖21所示。

圖21 監(jiān)測精度平均值與前進速度關系曲線Fig.21 Relationship curves between mean monitoring rate and forward speed

由表2和圖21可知，監(jiān)測系統(tǒng)的重播監(jiān)測精度、漏播監(jiān)測精度及有效監(jiān)測精度平均值的最小值分別為81.79%、80.42%和97.67%，各監(jiān)測指標隨機具的前進速度增大而降低，分析其原因為當排種器工作轉速過高時，稻種被拋離出取種耳勺舀種部的瞬時速度與水平方向夾角θ增大，稻種水平位移減小，豎直位移增大，部分稻種無法沖擊到PVDF壓電薄膜傳感器，導致信號采集率降低，且系統(tǒng)靈敏度隨前進速度增大而略有降低，但系統(tǒng)的有效監(jiān)測精度仍大于95%，滿足水稻穴直播的監(jiān)測要求。

5 結論

(1)基于壓電沖擊法設計了水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了監(jiān)測系統(tǒng)結構及工作原理，對種群投種軌跡進行了研究，確定了導種管結構參數(shù)及PVDF壓電薄膜傳感器的安裝部位。根據(jù)水稻多粒穴播實際作業(yè)情況下可能出現(xiàn)的4種播種故障，確定了監(jiān)測系統(tǒng)針對各播種狀態(tài)的監(jiān)測算法。

(2)設計了監(jiān)測系統(tǒng)整體電路及外圍電路，編寫Arduino語言控制程序，并開發(fā)了藍牙無線串口傳輸APP，實現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)信號的采集、處理和無線傳輸。

(3)進行了監(jiān)測系統(tǒng)臺架靈敏度測試與田間性能試驗。臺架測試結果表明，在不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度均達到90.83%及以上，系統(tǒng)可實現(xiàn)對信號的有效采集。由田間試驗得到實際作業(yè)過程中系統(tǒng)的重播監(jiān)測精度、漏播監(jiān)測精度及有效監(jiān)測精度平均值的最小值分別為81.79%、80.42%和97.67%，滿足水稻穴直播的監(jiān)測要求。