玉米精量播種監測系統的設計與試驗

楊長江，孟志軍,，梅鶴波，羅長海，董建軍，付衛強

(1.黑龍江八一農墾大學 電氣與信息學院，黑龍江 大慶 163319；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

0 引言

精播技術以其省種和增產的優點在玉米種植過程中廣泛應用。播種作業過程全封閉是玉米精播機的特點之一，但在農田復雜的作業環境下，很容易出現導種管堵塞、地輪排種軸機械傳動系統故障及種箱排空造成的漏播現象，嚴重影響播種質量[1]。為避免這些情況發生，需在機車后方專門分配人員對玉米精播機工作狀況和作業質量進行監測，以及時發現播種機作業故障。這樣不僅工作量大，工作效率低，且監測結果缺乏實時性和準確性，加之傳統播種監控系統只具有本地監測功能，作業數據利用率低[2]。因此，在玉米精播機上配備性能可靠的作業監測系統，實現玉米精播機工作參數和作業質量的本地實時監測、故障報警及數據遠程評估，可有效減少由于漏播造成的糧食經濟損失[3]，提高數據利用率。

目前，國內外對于播種質量的監測方式主要有電容式[4-5]、壓電式[6-7]及光電式[8-11]等幾種方式。其中，光電式監測方式因其在響應速度、監測準確度和性價比等方面的優勢，一直在播種監測方式中占有主要地位。光電式傳感器中，以對射式最為普遍，即在導種管管壁上開孔，將光電傳感器的發射與接收探頭分別安裝在導種管兩側形成對射，種子下落時對光 線產生遮擋，獲得種子下落信號[12]。這種方式監測性能可靠，但同時破壞了導種管的固有結構，可能造成改變種子正常下落軌跡和著床位置偏移等問題，影響播種效果，且對射傳感器需光路對齊，否則監測效果不佳。

基于光電傳感器監測的高可靠性，本文針對現有監測方式存在的缺點，以反射式光電傳感器為播種質量監測手段，設計了玉米精量播種監測系統，實現實時監測播種質量與漏播故障診斷。

1 系統整體方案

玉米精量播種監測系統由單片機總控制模塊、機具狀態傳感器、衛星定位模塊、播種單體監測子模塊、排種管監測傳感器、地輪與排種軸轉速傳感器、種箱料位傳感器、故障報警模塊、人機交互模塊、GPRS DTU模塊及遠程服務器等組成。

該系統主要對玉米精播機的播種量、播種速度、播種面積、地輪轉速、排種軸轉速、種箱料位、機具升降狀態及作業位置等指標實時監測[13]，并根據監測指標分析精播機漏播故障原因，協助駕駛員排除故障，且可實現作業玉米精播機遠程監管，數據及時可靠。

排種管監測傳感器采用反射式光電傳感器原理，種子下落信號以脈沖形式傳出；轉速傳感器選用霍爾傳感器，分別安裝在玉米精播機地輪和排種軸上，將轉速以脈沖形式傳出；種箱料位傳感器采用光電測距原理，置于種箱頂部，當料位低于臨界值時發出脈沖信號；機具狀態傳感器采用傾角傳感器，安裝在動力機械下拉桿上，通過下拉桿的升降姿態判斷玉米精播機是否處于作業狀態。各傳感器采集來的數據通過播種單體子監測模塊處理后，上傳至總控制模塊進行故障識別與診斷，并通過人機交互模塊顯示，供駕駛員查看，同時連接遠程服務器，提供作業數據遠程查看管理。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 System design block diagram

2 系統硬件電路設計

2.1 硬件設計思路

系統采用模塊化設計，以玉米排種單體為單位分設子模塊，用于采集該單體的傳感器數據。并進行簡單處理分析，故障報警與漏播故障診斷由單片機總控制模塊完成處理。其中，故障診斷所需的理論種距、地輪直徑、排種盤每周排種數等相關參數設置，可通過人機交互控制面板輸入實現。

系統總控制模塊處理核心選用的是STM32F407ZGT6芯片，芯片內設總線矩陣，即使在多個高速外設同時運行期間，系統也可以實現并發訪問和高效運行，主頻高達168MHz，更有多達140個具有中斷功能的I/O端口，滿足系統的實時性需求。

依據系統所需實現的功能及相應硬件原理，設計系統電路。系統電路由單片機、I/O接口、故障報警模塊、人機交互模塊、GPRS DTU模塊、排種管監測模塊及相應的調整電路等組成。采集4路相應的精播機作業狀態信號與播種機位置信息，即衛星定位信號、機具狀態信號、排種軸轉速信號、地輪轉速信號、種箱料位信號和排種管排種狀態信號，通過單片機數據處理模塊實現對玉米精播機的作業速度、作業面積、播種量、漏播率及故障診斷信息等數據的計算和監測功能。

2.2 排種管監測傳感器設計

排種管監測傳感器采用反射式光電傳感器原理設計。由于玉米種子顆粒較小，且在播種過程中屬于高速移動狀態，在排種管內的運動軌跡也具有隨機性，因此所使用的傳感器必須實現無盲區監測。為此，設計了如下排種管監測傳感器電路與封裝方式。該傳感器采用3個廣角120°的草帽型紅外發射管作為發射端，紅外線經排種管內壁反復漫反射，可保證“紅外光場”完全覆蓋排種管內部，同時在發射管下方并行設置3個接收管，以確保檢測的準確性。傳感器工作結構原理圖如圖2所示，監測電路原理圖如圖3所示。

當種子下落時，改變排種管內原有的“光場”環境，并聯的3個接收管電壓改變，信號經運放處理后，輸出種子下落脈沖信號；有種子下落時輸出低電平，無種子下落時輸出高電平。

1.排種器 2.排種管 3.管箍 4.傳感器 5.玉米種子 6. 光電接收管 7光電發射管

圖3 光電傳感器監測電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring circuit of photoelectric sensors

3 系統軟件程序設計

根據系統要實現的功能及對精播機工況基礎信息的采集要求，系統軟件需要為單片機內嵌監控及故障評估軟件，使用C語言編程，即完成作業速度、作業面積、播種量及漏播率等信息的采集計算和漏播故障原因的診斷評估。

3.1 排種漏播判定程序設計

系統漏播的判定標準是凡種子實際粒距大于1.5倍理論粒距即為漏播[14]。在計算時，理論粒距等于機車行進速度(Vt)與排種管傳感器檢測到兩粒種子下落信號理論間隔時間(t0)的乘積；實際粒距則等于機車行進速度(Vt)與實際種子間隔時間(t0)乘積，因此粒距關系可以等效為下落脈沖信號間隔時間的關系。

3.2 漏播故障診斷模塊程序設計

系統漏播故障診斷評估條件由地輪轉速、衛星定位速度、排種軸轉速、機具狀態和排種管排種狀態等多項狀態綜合判定，程序流程圖如圖5所示。設置機具狀態為傾角傳感器的作業“0”位置參考面，該參考面是指動力機車和精播機正常安裝連接并置于同一水平面時下拉桿與水平面之間的夾角平面。

機車行駛速度的判定方式是由衛星定位速度與地輪速度綜合判定，有效減小了由于衛星定位漂移或地輪打滑造成的速度誤判。

作業開始時，駕駛員根據當前土地軟硬程度和自身可容忍漏播程度或相對滑移率，預設排種軸、地輪與機車作業速度的相對值上下限，則相對滑移率為

式中δ—地輪相對滑移率(%)；

S—地輪行走過的實際距離(m)；

R—地輪半徑(m)；

n—傳動輪在行程S內的轉數。

系統設置了排種軸、地輪與行走速度相對值的上限和下限，當實時數據超過限值時觸發報警；當種箱料位低于下限值時觸發報警；當機具狀態為空閑，排種軸存在轉速或排種管監測到仍有種子落下時，觸發報警；播種狀態下排種管空管或堵塞時觸發報警。系統可在任意報警情況下進行故障分析，并通過屏幕顯示故障診斷結果；系統采集到的所有數據均可通過遠程實時查看，信息及時可靠。

3.3 人機交互控制面板設計

系統人機交互功能采用ALIENTEK的4.3寸TFTLCD模塊實現。該模塊顯示屏分辨率為800×480，且自帶驅動，最高刷屏速度可達78.9幀/s，支持多點觸摸，堅固耐用。系統在首次上電時進行固件掃描，確認傳感器是否正常連接完畢，已連接行顯示綠色，未連接行顯示紅色；當工作中某行出現故障，則該行背景紅綠閃爍。

系統采用基礎參數開放式設計，需人工進行參數錄入，主要參數包括滑移率、理論株距、行距、地輪直徑、排種器每周排種粒數及機具狀態“0”參考面設置，同時在主界面上需顯示作業基礎信息供作業人員實時查看。界面如圖6所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

圖5 漏播故障診斷模塊流程圖Fig.5 Flow chart of fault diagnosis module

4 試驗測試與結果分析

為驗證該玉米精量播種監測系統的監控效果及可靠性，搭建完成了以玉米精播機排種單元為核心、多個輔助單元協同工作的實驗臺。采用可控電機模擬地輪，通過鏈條連接排種器，為排種器提供排種動力；采用可控電機帶動傳送帶，模擬播種作業時地面與播種機間的相對位移；采用一端穿釘固定整體姿態可調的鋼條模擬動力機械下拉桿；采用市場上常見的5檔12勺的勺輪式排種器和先玉335玉米種子進行試驗。試驗包括排種監測精度實驗和故障診斷試驗，結果如表1、表2所示。

表1 排種量監測精度實驗結果Table 1 Test results of flow ratem on itor

表2 重播監測精度實驗結果Table 2 Test results of flow ratem on itor

4.1 排種監測精度試驗

排種監測精度試驗分兩部分進行：首先進行排種量準確性試驗，采用人工單粒投種，檢測該系統對種子的識別性能及排種量的計算準確性；其次進行重播監測準確性試驗。設置系統的作業速度為0.9km/h，采用人工投種方式，控制種子投放時間，模擬重播現象，檢測系統的重播監測精度。

重播可分為兩種形式的重播：一是單子落種間隔小于0.5倍理論時間間隔，二是“雙子同落式”重播，即兩粒種子同時下落。表2中，前3組為第1種重播方式下試驗結果，后3組為第2種重播方式下試驗結果。

4.2 故障診斷系統試驗

通過調節試驗臺上各故障診斷傳感器的狀態，或使用脈沖發生器人工制造模擬作業故障，查看系統的故障診斷精度，試驗結果如表3所示。

表3 故障診斷系統實驗結果Table 3 Test results of fault diagnosis system

試驗結果表明：該系統對單粒玉米種子的監測精度達98.8%，性能可靠。系統存在的不足主要是對于“雙子同落式”重播的判斷準確率較低，即在垂直方向無先后的兩粒種子，主要原因是光電傳感器不能區分同時經過光區的兩粒種子，因此準確率不高。在實際作業中，種子由排種器排出后，會與排種管內壁發生碰撞，出現兩粒種子同時經過傳感器光區的情況較少，具有較高的實用性。

5 結論

1)設計了玉米精量播種監測系統，系統采用反射式光電傳感器作為排種監測手段，彌補了對射式光電傳感器的缺點，實現了對玉米精播機播種過程的實時監控及漏播故障診斷報警功能。

2)試驗測試表明：系統對玉米種子識別度高，故障報警診斷準確率97.5%，性能可靠，具有較高的實用性。