基于線陣傳感器的小麥播種機播量監測系統的設計與試驗

張咪

河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450000

播種機極大地提高了農業播種的效率，但在實際操作過程中存在種子流動難以判斷的問題，如種子缺少、管道堵塞等，很難第一時間判斷出來，容易造成種子漏播，降低播種質量[1]。播種機播量監測系統則能代替機手的直覺判斷，及時發現故障問題并給出聲光報警，具備較高的實踐推廣價值。傳感器是播種機播量監測系統的和諧部件，目前使用較多的是光電傳感器。隨著我國農業現代化進程的加快，播種機播量監測系統的研究受到諸多學者的關注。戈天劍等設計了一種氣吸式玉米播種機排種監測系統，主要部件為紅外光電傳感器和嵌入式微處理器，利用無線網絡進行數據傳輸，若有管道堵塞或種箱排空的故障出現，則會給出聲光報警及參數顯示，有效加強了單粒式播種的質量[2]。趙立新等設計了一種基于變距光電傳感器的小麥精播施肥一體機監測系統，主要控制模塊為PLC，利用變距光電傳感器對播種機的行走速度進行監測，通過PLC 控制調節電機轉速和傳感器值，并實時顯示在觸摸屏終端上，根據試驗結果，該系統能夠將單粒式播種量誤差控制在2%以內[3]。譙睿等針對三七播種機的漏播、重播等問題，設計了一種基于激光傳感器的三七播種機播量監測系統，落種信號檢測電路為加法電路，排種信號通過磁鐵片轉化為霍爾脈沖信號，試驗結果表明，該系統對于單粒式播種有著極高的漏播、重播故障檢測準確率[4]。從當前播種機播量監測系統的研究現狀看，應用范圍主要是單粒式播種，即種子在管道中是一顆顆依次通過，而對于多粒式播種較難監測。本文設計了一種基于線陣傳感器的小麥播種機播量監測系統，能夠監測多粒式播種的復雜情況，進一步完善當前常用播種機播量監測系統的功能。

1 小麥播種機播量監測系統的結構與工作原理

本系統裝置的結構如圖1 所示。硬件殼體長200 mm，寬80 mm，高70 mm，以點光源作為發射端，波長為640 nm。監測區域長50 mm，寬25 mm，高70 mm。發射端和接收端的凸透鏡焦距、直徑皆為50 mm，在發射端凸透鏡焦點上布置點光源，形成一束平行光，能夠照射不同的監測位置。在接收端凸透鏡焦點上布置線陣傳感器，確保平行光束可以在線陣傳感器感光區域中匯聚。由于種子通過監測區域的時候，會將一部分光線遮擋掉，以光強控制的輸出電壓出現變化，進而使得線陣傳感器的信號產生變化，系統軟件根據信號計量和監測播種情況。此外，系統還可以根據種子量變化的監測數據，判斷是否存在種箱排空故障。

2 小麥播種機播量監測系統設計

2.1 硬件設計

本系統的控制核心采用英銳恩公司生產的32 位單片機，型號為EN8P432，主要是通過時鐘信號和串行輸入信號對線陣傳感器進行控制，然后由監測軟件讀取線陣傳感器輸出電壓數據，實現信號數據的采集。監測軟件的液晶顯示屏采用京東方生產的HT121X01-100 顯示屏，用以顯示小麥播量的實時信息。本系統的聲光報警模塊硬件由蜂鳴器和LED 燈組成，當系統監測到播種機故障時，聲光報警模塊會及時發出預警，提醒機手進行故障的查找與排除（圖2）。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 System hardware structure

2.2 軟件設計與監測算法

2.2.1 軟件設計EN8P432 單片機的工作模式為“定時中斷”，讀取線陣傳感器數據的間隔時間為1 ms，根據數據與初始基準值的比較結果：當某一位數據與基準值之差＞閾值，則系統會判斷該數據相應光線有種子遮擋，該值在系統中計為“1”，反之則計為“0”。通過Visual Studio 對終端觀測軟件進行設計，系統觀測界面見圖3。EN8P432 單片機對采集到的線陣傳感器數據進行統計分析，并將結果反饋給終端觀測軟件，在觀測軟件中根據時間序列進行顯示，主要是小麥種子通過線陣傳感器感知區域的圖像數據。圖3 中為單粒種子的通過圖像，考慮到小麥種子的多粒式播種，從終端觀測軟件中截取2 顆小麥種子同時通過線陣傳感器的圖像（圖4）。

圖3 系統觀測界面Fig.3 The interface of system observation

圖4 兩顆小麥種子的數據圖Fig.4 S Data map of two wheat seeds

從圖4 中可以看出，2 顆小麥種子的獨立區域較為明顯，方便種子計數和識別。圖3 與圖4 都有個別“0”出現在連續“1”中，數據連續性有所阻斷。產生該現象的原因主要是小麥種子表明有少量的散射光產生，使得局部區域的亮度有所上升，導致光強的變化差值難以超過閾值，形成一定的干擾，這些因素應在后續處理中去除。

2.2.2 監測算法 根據小麥種子通過線陣傳感器的圖像數據，同時結合EN8P432 單片機的功能特性，對小麥種子的監測算法進行設計，計算流程如下：EN8P432 單片機每1 ms 讀取一次數據，關閉中斷，對相關變量進行定義和初始化，采集線陣傳感器的數據并進行二值化，針對干擾因素進行數據濾波，從左到右以此對每一個像素點進行掃描，記錄下連續“1”的所有區域，將這些區域與上一行數據的對應區域進行對比，判斷兩類數據是否連通，如果連通則判斷為同一顆種子，如果不連通則種子數量加1，對當前的數據進行保存，結束流程。

由于干擾因素導致數據連續性阻斷，因此設計了數據濾波算法：對每位數據掃描，若某一位數據為“0”，而前后的數據都是“1”，則將該數據改成“1”，以確保“1”區域數據的連續性。種子計數算法：設每個數據左、右、上方都連通的區域記為一顆種子，若不連通則判斷另一塊區域為新的種子。

3 監測試驗

3.1 試驗臺搭建

試驗臺使用鋁型板材制作，試驗電機為24 v 直流減速電機，為播種機的連接軸提供所需動力，連接軸的轉速由數字轉速表測量與顯示。監測系統裝置安裝在播種機的正下方，連接播種管道。因為本系統每1ms 掃描一次，如果小麥種子通過的速度過快，則可能會有漏檢的情況出現，所以要對播種機和監測系統裝置垂直的距離進行限制，確保小麥種子落下速度比系統設置的最高監測速度低。

3.2 單粒種子的監測試驗

選用中熟型濟麥22 號小麥種子，每千粒的重量平均為11.23 g，種子含水率約為10%，小麥種子的體積在23 mm3～30 mm3之間。使用機投方式試驗單粒播種，投放的高度為160 mm，每一次播種的數量為300 粒，前后重復4 次，對本系統監測到的播種數量進行記錄。根據試驗結果，系統對4 次操作監測到的播種數量都是300 粒，監測準確度達到了100%。

3.3 種子播量的監測試驗

首先進行種子播量的計數監測試驗。按照小麥播種機的轉速范圍規范[5]，本次試驗采用的轉速分別為20 r/min、30 r/min、40 r/min。將2000 粒中熟型濟麥22 號小麥種子放進播種機，每一次試驗都排盡播種機中的小麥種子，每一種轉速都反復試驗10 次，得出監測系統的計數結果：20 r/min 轉速下平均為1966 粒，準確度98.30%；30 r/min 轉速下平均為1957 粒，準確度97.85%；40 r/min 轉速下平均為1942 粒，準確度97.10%。從計數監測結果可以看出，當轉速上升時，準確度呈下降趨勢，但下降幅度不大。

其次進行連續播種條件下的準確度試驗。轉速20 r/min 時試驗10 min；轉速30 r/min 時試驗20min；轉速40 r/min 時試驗30 min。監測結果如表1 所示。

表1 連續播種條件下的準確度統計Table 1 Accuracy statistics under the condition of continuous seeding

從表1 的統計結果可以看出，在連續播種條件下，不同轉速的準確度皆＞97%，且隨著時間的增加，準確度也有所提高。

3.4 故障報警試驗

在播種軸的轉速為20 r/min 時，當系統運行穩定之后，將種子全部排空并讓播種機繼續工作，觀察系統能否發出排空報警。然后堵上監測系統裝置與播種機的連接口，啟動電機，觀察系統能否發出堵塞報警。兩種故障報警均試驗10 次，結果每次都能發出正常的聲光報警。

4 結論

基于線陣傳感器的小麥播種機播量監測系統，相對于目前常用的小麥播種機播量監測系統來說，既能實現單粒式播種監測，也能實現多粒式播種監測。根據試驗結果：當單粒播種的投放高度為160 mm 時，本系統的監測準確率達到了100%；將轉速設置為20 r/min、30 r/min、40 r/min 時，種子播量的監測準確度都超過了97%，但是轉速上升時，準確度有所下降，其中在轉速為20 r/min 的時候，準確度最高；在連續播種條件下，不同轉速的準確度都超過了97%，且隨著時間的增加，準確度有所提高。在故障報警方面，每次試驗都能發出正常的聲光報警。試驗結果表明，本系統與小麥播種機的結合，能夠有效監測出小麥播種量，有較大的推廣價值。