中小粒徑種子播種檢測技術研究進展

丁幼春，王凱陽，劉曉東，劉偉鵬，陳禮源，劉溫伯，杜超群

中小粒徑種子播種檢測技術研究進展

丁幼春，王凱陽，劉曉東，劉偉鵬，陳禮源，劉溫伯，杜超群

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

播種檢測技術是實現播種智能化的關鍵技術之一，可為變量播種提供基本的技術支撐。該研究分析了國內外中小粒徑種子播種檢測技術進展及相應檢測裝備，重點闡述了中小粒徑種子感知方法，主要包括機械機電報警檢測法、機器視覺檢測法、光電傳感檢測法、電容傳感檢測法、壓電傳感檢測法，并對不同檢測方法優劣進行分析；同時圍繞播種機故障監測、播量、播種頻率、行距、株距、漏播、重播等評價指標，明確了播種檢測的主要內容，結合精準農業要求為不同播種模式提出對應播種檢測指標；進一步分析了為解決漏播問題的變量補種技術和播種檢測信息傳輸技術的研究概況。在系統總結和分析播種檢測相關技術的基礎上，提出在精準農業背景下對中小粒徑種子播種檢測的發展要求，展望未來中小粒徑種子播種檢測技術發展趨勢。

農業機械；檢測；精量播種；傳感原理；中小粒徑種子

0 引 言

中小粒徑種子是指平均直徑小于7 mm的種子，主要包括油菜、小麥、苜蓿、三七、部分豆類及蔬菜種子等，中小粒徑種子多為經濟型作物，隨著中國農業產業調整，農作物種植逐漸向多元經濟型轉變，中小粒徑種子作物生產被普遍認為是一個發展潛力大、市場前景好的朝陽產業[1]。

對于中小粒徑種子，田間播種時播種機播種過程多處于封閉狀態，農機駕駛員難以對播種狀態進行直觀判斷，在復雜的田間環境下排種器不可避免出現因漏播所導致的稀疏缺苗、斷條等情況，嚴重影響播種質量，以油菜播種為例，油菜精量排種器在最佳工作狀態時仍存在2%～4%漏播[2]，按照現有機播面積166.7萬hm2測算[3]，漏播面積達3.3萬hm2～6.7萬hm2，相當于油菜減產6.9萬～13.8萬噸，通過后期在漏播位置進行人工移栽補苗不僅增加勞動力成本，且幼苗的生長差異也會影響作物產量。因此對中小粒徑種子播種過程進行檢測，出現漏播狀況及時進行補種，可有效保證作物播種質量，達到節本增效的目的。

中小粒徑種子作物與大粒徑種子作物相比，其排種頻率較高（如油菜排種頻率約20～40 Hz，小麥排種頻率約100～300 Hz），在對中小粒徑種子作物進行檢測時，因排種頻率較高，種子序列性差，單粒種子難以準確區分，同時還存在因種子粒徑較小其穿越感應區域時產生的種子信號微弱及易存在檢測盲區等難點，上述原因導致了難以對中小粒徑種子進行精確檢測。針對上述問題，國內外相關企業、高校開展了中小粒徑種子作物播種檢測裝置研制，對于播種檢測裝置，依據其對種子感知原理，可分為機械機電式、機器視覺式、光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式[4]，不同類型播種檢測裝置對不同類型種子、不同作業環境適應性不同。同國外相比，國內播種檢測裝置針對性強，對于不同作物如油菜、苜蓿、綠豆等作物均研發了對應播種檢測裝置，解決了播種過程中的播種檢測問題，但由于國內播種檢測裝置尚沒有市場化，缺少行業標準指導[5]，各機構自行研制的播種檢測裝置在播種信息采集、檢測指標、傳輸過程中規范性較弱，一定程度上阻礙了中小粒徑種子播種檢測裝置大面積推廣。

隨著精準農業發展，北斗定位、物聯網、5G等新興技術在農業領域應用愈發深入[6]，將新興技術應用于播種檢測，可實現播種過程的全程可視，同時可為配套的變量播種和漏播補種提供支撐。對中小粒徑種子播種過程實時檢測的研究，是未來中小粒徑種子播種技術的重要發展方向，是播種機械化邁進播種智能化的一項關鍵技術。目前國內外中小徑粒徑種子播種檢測模式多為“播種檢測裝置+監測顯示終端”，播種檢測裝置在對播種信息進行采集后將播種信息傳輸至監測顯示終端，于監測顯示終端對播種信息進行顯示，該模式下播種檢測信息多為一次性信息，僅將其進行展示沒有對播種信息進行進一步挖掘，同時采集的播種信息如播種頻率沒有反饋至播種機，難以實現變量作業。結合現有物聯網技術，應用“播種檢測裝置+監測顯示終端+播種信息物聯網控制平臺”的模式，實現播種信息的遠程傳輸、云存儲及數據挖掘，同時于“播種信息物聯網控制平臺”之上建立播種決策控制模型[7]，將播種檢測裝置采集的播種信息作為模型輸入，依據該模型決策出機具作業控制參數并反饋至播種機具，控制機具變量作業，是未來播種檢測的重要發展方向。

本文在分析國內外中小粒徑種子播種檢測裝置的基礎上，對目前中小粒徑種子播種檢測裝置采用的感知方法、檢測指標、變量補種技術和播種檢測信息傳輸技術3個方面進行闡述，分析現階段中小粒徑種子播種檢測的技術難點和存在問題，展望未來中小粒徑種子播種檢測技術的發展方向。

1 中小粒徑種子感知方法研究

自20世紀80年代，國內外對播種檢測開展了相關研究，且隨著精準農業的推進，更有針對性的研制了針對小麥、油菜、三七及部分蔬菜種子的播種檢測裝置[8-11]。對于這些播種檢測裝置，其對種子的感知方法可分為：機械機電式、機器視覺式、光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式等。

1.1 機械機電式

機械機電式種子感知方法屬于間接感知法，主要通過搭建硬件檢測電路對種箱充種狀態或對排種器運行狀況進行檢測，若出現種箱排空或排種器工作異常則進行報警。田間播種機上最早開始應用的播種檢測裝置為機械式報警器，如法國在NODET氣吸式播種機上研制的一種機械響鈴報警系統，當排種器無法正常工作時，主動套的上彈片隨著主動套旋轉，當彈片轉過撐起的擋片時，彈片彈起并帶動其上的小錘敲響金屬元件發出響聲進行警告，該系統只能對排種器工作狀態作出簡單判斷[12]。由于播種機在田間作業時工作環境噪聲較大，操作者有時難以準確接收到報警聲。在此基礎上，英國S870型播種機上配備了一種機電信號報警系統，該系統利用彈簧加壓的膠木滾輪緊貼在排種帶上，并在排種帶的帶動下轉動，滾輪的輪緣側邊同時裝有與滾輪相通的金屬片，播種指示燈觸點與帶金屬片滾輪緣側邊接觸時變亮，當排種帶正常播種時，滾輪勻速轉動，指示燈有規律的變亮，若排種故障，排種帶不轉或速度不均勻，指示燈亮滅無規律，對播種過程中的故障進行示警。此外有學者在播種機種箱內安裝了種量極限電信號的測試裝置，如在種箱內安裝帶有圓球頭的浮動桿探測種子在種箱內的高度。當種量下降時，探測桿隨之下降，達到設定的最低位置時連通電路，信號燈發亮并發出聲音警報[13]。與機械式播種檢測裝置相比，機電式播種檢測裝置增加了聲音報警模塊與指示燈顯示模塊，實現對種箱內種子高度進測定。

機械機電式種子感知法，兼容性較好，可對各類型種子種箱及排種器工作狀態進行監控，但由于其原理限制，僅能對種箱充種狀態及排種器是否正常運轉進行監控，對于進一步量化的播種檢測信息如：播種量、播種頻率、漏播、重播參數不能測定。

1.2 機器視覺式

機器視覺種子感知方法是指利用工業相機實時獲取種子下落的時間、空間信息，并利用圖像處理技術精準識別種子，得到單粒種子下落速度、粒數、粒距、下落軌跡、相鄰種子時間間隔等信息。

隨著機器視覺與圖像處理技術的發展，20世紀90年代，Drake等[14]結合高速攝影技術與圖像處理技術測量種子從排種器下落時的運動情況，并對其分析處理。Nataragjan等[15]利用圖像處理技術對排種器種子落種垂直方向的二維波動進行了分析研究。2006年，安卡拉大學的Karayel等[16]利用高速攝影系統設計了一種用于監測小麥、大豆、棉花精量排種器的排種性能檢測系統，通過獲取種子間距均勻性和種子脫落速度，計算獲得精量排種器的排種性能指標。Yazgi等[17]采用高速攝影技術對排種過程種子的運動軌跡及排種均勻性進行研究，從而為優化排種器參數設計提供可靠理論依據。Navid等[18]通過在播種機前方一米處的傳送帶上安裝高速攝影儀采集番茄種子圖像，輸送到計算機并利用Matlab軟件對圖像信息進行處理，獲得播種過程中漏播指數、重播指數和播種均勻性3個排種器參數指標，以便于對排種器的播種狀態進行判斷。

21世紀初，吉林工業大學胡少興等[19]提出了一種采用圖像處理手段檢測排種器充種性能的方法，研制了檢測多目標種子高速運動計算機圖像處理系統，建立了根據種子邊緣、面積以及種子間距評估排種器充填性能的適用算法。馬旭等[20]運用計算機圖像處理技術對種子動態圖像分析，采用圖像增強、平滑、銳化及分割等預處理方法，提出了一種根據種子面積和種子間距特征評估排種器性能的方法。廖慶喜等[21]通過高速攝影彌補光電傳感器檢測的誤差，提出一種精密排種器性能檢測的新方法，將光電傳感與高速攝影同時用于精密排種器的性能檢測。聶永芳等[22]將機器視覺技術運用于小麥條播排種器的性能測試，對小麥排種器排種的均勻性和排種量可進行有效檢測。齊龍等[23]針對超級稻播量少，易出現空穴的問題，利用CCD相機實時連續拍攝穴盤圖像，建立與穴盤相對應的掩模圖像，并通過圖像識別算法識別穴盤空穴情況，為后期人工精準補種提供支撐。譚穗妍[24]等基于機器視覺和BP神經網絡，對超級雜交水稻秧盤每穴上的種子進行檢測，建立BP神經網絡超級稻檢測模型，實現了對多粒粘連稻米的準確檢測，滿足精密育秧播種流水在線監測要求，為精密播種作業提供參考。盧彩云等[25]設計了一種小麥條播排種器排種性能檢測試驗臺，采用數碼相機采集樣本種子圖像，并利用圖像處理技術獲取樣本種子數量，評估排種器排種性能。趙鄭斌[26]等針對穴盤精密播種存在重播、漏播及播種性能不穩定的問題，利用雙相機逐行掃描拍攝穴盤圖像，將拍攝的圖像結合視覺算法進行分析，識別穴盤播種時穴盤充種狀況。綜上分析，在機器視覺式種子感知方法中，對圖像中種子的精準快速識別是關鍵。

基于機器視覺對排種器排出的種子進行感知，對所檢測的種子外形規則和大小沒有嚴格要求，尤其適用于試驗室環境，可對排種器排出種子的落種位姿、落種速度、落種粒數、種子粒徑等信息進行分析，但由于其對環境要求較高、成本昂貴、結構較為復雜，難以應用于田間實際作業的實時監測。

1.3 光電傳感式

光電傳感式種子感知方法是種子播種檢測中技術最成熟、應用范圍最廣的一種感知方法。一般光電式傳感器由發射端和接收端組成，播種過程中由排種器排出種子對光電式傳感器發射端發射的光線進行遮擋使接收端兩端電壓信號發生改變，對變化的信號進行調理，形成可被控制器識別的脈沖信號，控制器對脈沖信號進行采集并分析，從而得出播種總量、排種頻率、漏播重播情況等相關檢測指標。

國外，1982年，澳大利亞A.E.E有限公司研制了一種利用紅外傳感器對種子進行檢測的播種檢測裝置[27]，該裝置通過安裝于各行導種管上的紅外傳感器對種子在排種管內的下落狀態進行監測，若出現堵塞，監控器立刻啟動指示燈進行警告并顯示故障情況，從而有效獲取播種過程中的播種信息。Karimi等[28]基于光敏二極管研制了紅外傳感系統，該系統可檢測播種時種子通過導種管的質量流量。意大利MC Electronics公司研制了一種基于紅外光的對射式播種檢測裝置[29]，該裝置通過種子下落時遮擋發射端的紅外光線從而使接收端的電壓信號發生改變，控制系統通過采集變化的電壓信號并進行相應處理，從而實現對小麥、大豆、玉米等大中粒徑種子的精準檢測，同時其配套的屏幕顯示裝置可以對排種總量、漏播率、播種面積、株距、單位面積播量等參數進行實時展示，并通過語音信息對堵塞或故障情況進行示警。

除上述光電式播種檢測裝置，國外還有美國Dickey-John公司[30]研發的光電通用型播種檢測裝置、Lan等[31]設計的光電式種子間距測量系統以及內布拉斯加大學設計的基于光電傳感器的排種間距檢測系統等播種檢測裝置[32]。

國內，何培祥等[33]、錢珊珠等[34]、史智興等[35]、鄭一平等[36]分別基于紅外光電對射傳感器、紅外光敏二極管、半導體紅外發光二極管、雙路激光逆向直射光電傳感器等元件對水稻、小麥等不同作物種子研制了播種檢測裝置，實現對各類型種子的精準測定。車宇等[37]采用紅外檢測技術設計了對射式播種檢測裝置，并據此研制了免耕播種機播種質量紅外監測系統，可對播種作業過程中發生堵塞、漏播、缺種等故障狀況時進行聲光報警。邱兆美等[38]利用具有面檢測特性的感光器件研制了播種檢測裝置，實現對播種量和漏播情況的實時監測，并完成對播種數據的實時計數、顯示和報警，實現播種作業過程的全程監測和結果的可視化。胡飛等[39]基于光纖傳感器研制了針對小粒徑種子的播種檢測裝置，在此裝置基礎上利用LabVIEW開發了單粒精密播種監測系統，于LabVIEW平臺開發上位機監測軟件，可對粒徑1 mm以上的單粒種子進行準確檢測。張繼成等[40]基于光電傳感技術，以紅色高亮度發光二極管和光敏電阻為種子信號感知器件，利用單片機作為種肥信號采集平臺，研制了光敏式種肥監測裝置。丁幼春等[41]基于薄面激光-硅光電池研制的中小粒徑種子播種檢測裝置，解決了油菜、小麥等中小粒徑種子在播種過程中難以兼容檢測的問題，該播種檢測裝置在播種過程中可實時顯示油菜或小麥等種子的播種數量及排種頻率，并通過指示燈指示播種狀態。

光電傳感式傳感檢測裝置具有成本低、無接觸傳感、信號響應快等特點，但在田間復雜工況下，田間粉塵可能會對光敏器件附著，導致感光器件響應靈敏度下降，進而致使檢測精度下降，同時感光區域的光層厚度限制，也會導致多粒種子信號的混疊，導致檢測精度降低。

1.4 電容傳感式

電容傳感式播種檢測裝置其檢測原理為當種子下落經過安裝在排種管內的電容傳感器時，傳感器極板間介質的等效介質常數發生改變，從而使傳感器的輸出電容值發生變化，建立該變化與種子數量間的關系模型，即可實現對種子的檢測。多年來電容傳感器一直廣泛應用于含水率、液位和料位等檢測，近年來才被逐漸引入播種檢測領域。

2009年，Kumhala等[42-43]利用物料密度對介電常數的影響，設計了基于電容傳感器的甜菜、土豆產量在線測量裝置。2013年，Taghinezhad等[44]研制了一套基于電容傳感器的甘蔗排種器播種檢測裝置，可實現對甘蔗籽播種過程檢測，該裝置包括矩形平行板電容器、檢測控制單元、信號處理電路等，該裝置可有效獲取甘蔗機播種作業過程中的漏播指數與重播指數。

周利明等[45]基于電容傳感器設計了棉花精密播種機播種檢測裝置，該裝置由電容棉籽流量傳感器、電容信號調理電路組成，可對棉花播種過程中出現的漏播或排種管堵塞進行報警。同時，周利明等[46]為改善玉米播種機排種監測的可靠性，設計了快速高精度電容播種檢測裝置，該裝置通過獲取相鄰種子電容脈沖峰值間隔并計算脈沖積分面積，可得到播種的排種量、漏播率以及重播率等參數。陳建國等[47]基于電容法設計了一種小麥播種量檢測裝置，通過對同時下落的種子數量與電容變化量之間的線性關系進行建模，并利用時間窗口采樣統計分析，建立了播種量實時檢測模型，并提出了基于排種輪轉速和采樣頻率關系的補償算法，使得檢測裝置能夠有效對小麥播量進行統計。田雷等[48]基于E型極板式電容傳感器研制了玉米播種檢測裝置，該裝置通過對檢測電容值的比較與分析，可以對排種器工作中種箱排空、種管阻塞、漏播、正常播種進行實時監測。

電容檢測式傳感檢測裝置具有工作穩定、可靠性高、抗粉塵污染能力強等方面的優勢。但因單粒種子在通過電容傳感器時，引起電容值變化微小，對于單粒種子檢測分辨率不足，不適合種子精密計數。

1.5 壓電傳感式

壓電傳感式傳感檢測裝置其檢測原理為當種子下落與壓電元件發生碰撞，壓電元件兩端發生信號變化，通過對這種變化的信號進行調理，可將下落的種子信號轉換為可供使用的脈沖信號，從而獲取落種信息。利用壓電式傳感器研制的播種檢測裝置，其檢測精度與壓電傳感器感應靈敏度、輸出波形規整度、壓電傳感器有效感應區間、及安裝方式等參數均有關，因此在設計基于壓電式播種檢測裝置時，應選擇合適壓電傳感元件并配套設計合理安裝結構。

張曌[49]基于PVDF壓電薄膜設計了水稻種子播種檢測裝置，該裝置可對水稻穴播過程中的漏播、重播指標進行有效監測。王樹才等[50]采用壓電傳感器研制了玉米精密排種器播種檢測裝置，該裝置將單粒排種落粒物理量轉化為電信號，通過單片機精確檢測每兩次落粒之間的時間間隔，實現對玉米精量排種器排種合格率、重播率、漏播率等性能參數的檢測。張霖等[51]利用典型的彈簧-質量-阻尼系統理論對懸臂式壓電陶瓷片的振動頻率和阻尼進行分析，選擇合適的粘彈性材料和安裝方式，設計了一種基于壓電原理的綠豆播種檢測裝置。吳明亮等[52]借助壓力傳感器直接檢測排種箱質量變化，實現對油菜的播量實時檢測，同時根據獲取的實時播量，調控排種器轉速進而控制播種量。黃東巖等[53]基于聚偏二氟乙烯壓電薄膜傳感器設計了玉米播種檢測裝置，將從排種器下落的單粒玉米物理量轉化為脈沖電壓信號，通過對脈沖信號處理可得到播量、頻率、漏播率等相關參數。趙博[54]等為實現氣流輸送播種機播種質量的快速準確檢測，設計了一種基于壓電陶瓷的弧形陣列式播種檢測裝置，通過多次種子碰撞試驗，最終確定了壓電感知單元的材料與結構尺寸，該檢測裝置可對排種過程中的堵塞進行可靠報警。段婷[55]針對苜蓿播種時輸種管堵塞，種箱排空的問題，基于壓電檢測元件，設計了播種檢測裝置，當苜蓿種子出現漏播或種箱排空時，該裝置即可進行聲光報警。丁幼春等[56]基于壓電薄膜設計了一種油菜精量排種器播種檢測裝置，該裝置采用沉槽基板設計，可有效降低機具振動對壓電信號的干擾，可對油菜精量排種器排出的油菜種子進行準確檢測。

壓電傳感檢測法具有成本低廉，在低頻排種頻率條件下檢測準確的特點，但由于壓電傳感器件易受振動影響，安裝時對安裝結構要求較高，同時壓電式播種檢測裝置受其檢測原理限制，必須要求種子與壓電感應區發生碰撞才能進行檢測，碰撞會導致種子下落序列發生改變，對播種均勻性造成影響。

2 中小粒徑種子播種檢測指標

播種機作業過程中，應用各類型傳感檢測裝置對播種機播種狀態進行檢測，其中是否出現導種管堵塞或種箱排空是基本的檢測指標，為進一步評估播種質量，又提出播量、播種頻率、行距/株距、漏播、重播等指標。實際生產中通過對各指標的測算，可對播種質量進行有效評估。

2.1 堵塞及排空

在播種過程中，因排種量大、塵土堆積或排種器故障等原因，可能造成堵塞現象發生，堵塞發生時，如及時停車疏通，會造成大面積漏播。目前對播種過程中堵塞的檢測多采用紅外發光二極管和紅外光敏二極管組成對射式光敏傳感器，通過對光敏傳感器兩端的電壓變化進行監測，進而對堵塞狀況進行判斷[57-58]。

播種機長時間進行播種作業時，種箱會出現排空。針對種箱排空狀態，多于種箱內安裝光敏傳感器，當種箱排空時，光敏傳感器持續受到光照，其輸出電壓或通斷狀態發生改變，對這種變化進行監測即可對種箱充種狀態進行監測[59]。

2.2 播量指標

根據相關農藝標準，中小粒徑種子播量指標多定義為畝播量，以油菜種子為例，農業農村部《2018—2019年度冬油菜生產技術指導意見》指出，每畝地需播種油菜200～400 g才能滿足播種密度要求。

實際生產中畝播量的監測多為間接監測，首先通過試驗得出種子數量與質量之間的關系（如千粒質量），種子傳感檢測裝置在檢測出播種數量后，結合種子數量與質量關系即可得出播種量，同時配套播種機上的測速模塊計算播種機播種面積[60]，將播種面積與播種量結合即可得出畝播種量指標，對播量的監測可從宏觀角度對播種質量進行評判。

2.3 播種頻率指標

播種機排種器單位時間內排出的種子數目為播種頻率，播種頻率可有效反映播種機在播種過程中播種速率大小，通過對播種頻率的實時監測，可進一步衡量播種機播種質量。

不同類型作物種子根據農藝要求播種頻率不同，如油菜按照現行農藝標準其播種頻率約20～40 Hz，該頻率條件下的種子監測使用基于光電原理或壓電原理的播種檢測裝置均具有較好檢測效果。而對于小麥，其播種頻率較高，播種頻率可達100～300 Hz，基于光電或壓電原理的傳感檢測裝置在進行檢測時，由于傳感原理及種子信號調理電路的限制，導致其難以對高頻種子流進行精確檢測。為解決高頻播種情況下對中小粒徑種子的精確檢測，針對未來油菜高頻播種，丁幼春等[61]提出了一種將高通量種子流分流為多路低通量種子流并行檢測的方法，并研制了高通量油菜種子流傳感檢測裝置，實現了油菜高頻排種時的精確檢測，此原理可為其他作物高頻排種或顆粒肥的精確檢測提供一定思路。

2.4 行距/株距指標

作物播種時，需保持一定行距與株距，合理的行距株距使得作物在生長過程中可獲取充分光照及養分，提高植物光合作用速率，因此在播種中對行距、株距的調節是保障作物增產增收的重要手段。

行距指田間兩行農作物之間的間距，不同作物播種行距差別較大，如油菜播種行距一般為10 cm，小麥播種行距一般為15 cm。播種時行距多為固定值，合理的行距既保證了作物正常生長的需求，還為后期機械化收獲提供了便利。

株距主要指同一播行內相鄰兩作物的間距，是衡量作物田間分布情況的重要參數，同時播種機排種器在進行精密播種與穴播時，株距將作為衡量排種器性能優劣的重要參考指標。

對株距檢測可分為播種前、播種時、播種后，播種前檢測是指利用人工黃油帆布帶檢測法或機器視覺等技術對排種器落種間距進行檢測[62-64]，具有代表性的是黑龍江省農機研究院與中國農機院呼和浩特分院基于人工黃油帶檢測法研制的JPS－16播種機試驗臺[65]，該試驗臺可進行各種大中小型播種機及機械式、氣力式排種器播種情況實況模擬，并可完成精播、穴播與條播排種器落種株距的測定；播種時檢測是指利用套接于導種管的傳感檢測裝置，計算相鄰兩粒種子通過傳感檢測裝置的時間差，并結合播種機前進速度進行測算，即可得出株距信息；播種后檢測是指當作物出苗后，利用遙感技術對出苗田塊進行取樣分析進而得出相應株距信息，華中農業大學趙必權等[66]利用低空無人機配合超高分辨率遙感相機對油菜出苗區域進行采集，通過對采集的高分辨率圖像進行識別，區分出圖像中油菜植株信息，可有效識別油菜植株數量，并可對油菜株距進行測算。

2.5 漏播/重播指標

相鄰兩粒種子由出種管排出至種溝時間間隔不同，在相同作業速度下造成播種株距不同，據此可將整個播種過程株距樣本進行分類，得到漏播、重播及合格3個區域，根據《GB/T6973—2005單粒（精密）播種機試驗方法》計算可得到漏播指數、重播指數、合格指數作為試驗評價指標[67]，具體計算公式如下：

丁幼春等[68]為快速準確地反映不同漏播狀態類型，針對油菜精量排種器漏播實時檢測問題，在界定了“稀疏缺苗”和“斷條”2 種不同漏播類型的基礎上定義了稀疏缺苗系數與斷條系數，分析了兩系數的二維平面分布，提出了一種采用排種盤轉速與排種脈沖同步檢測、排種頻率與時間間隔雙重閾值約束的檢測方法，該方法不僅有效解決了小粒徑精量排種器重播條件下漏播的檢測，而且對播量不足進行了約束，提高了漏播檢測的實時性。

上述播種檢測指標多維度評估了播種機播種質量，為農戶對農田管理提供了一定依據，同時隨著播種環節智能化的推進，將播種檢測指標信息傳輸至云端，并在云端進行相應決策對播種機播種狀態進行指導也將是播種檢測指標未來的應用之處。

3 播種檢測配套技術

3.1 變量補種技術

播種機播種過程中出現漏播故障時，如不能及時發現并采取補種措施，會造成播種質量降低，后期進行人工補苗提高作物種植成本，因而變量播種技術研究隨之出現，變量補種系統多由播種檢測裝置和變量補種裝置組成，當播種檢測裝置檢測到漏播發生，檢測裝置將漏播指數實時傳輸至變量補種裝置，變量補種裝置配合機具作業速度及漏播指數，結合相應農藝要求，開展變量補種，實現“漏多少種，補多少種”，保證播種作業質量。

針對小粒徑種子作物變量補種，丁幼春等[69]設計了油菜籽漏播螺管式補種器，同時針對油菜籽氣力式精量排種器產生的漏播情況，設計了油菜精量排種器變量補種系統[70]，該補種系統由漏播檢測裝置、排種盤測速裝置、變量補種裝置及補種監測顯示裝置組成，各裝置間指令和數據采用無線方式進行有序實時傳輸，經測試，該套系統在油菜精量排種器出現漏播時，可及時準確補種。陳剛等[71]研究的免耕精密播種機漏播補償系統，采用等待補種、實時充種的方式，根據補種過程各動作時間關系，控制電磁閥和補種系統排種器動作時間，實現適時補種。吳南等[72]針對免耕播種機存在的漏播問題設計了補種系統，該系統以漏播補償監測系統為核心將步進電機與補種器的排種軸直連，通過控制步進電機的轉速和轉角實現漏播補種。

目前中小粒徑種子變量補種技術的研究多集中于高校，市面上成熟的變量補種系統鮮見。對于中小粒徑作物種子變量補種技術研究主要存在以下難點：中小粒徑種子尺寸較小，精確檢測較為困難，難以準確得出漏播指數；變量補種裝置接收到漏播指數時，存在一定滯后，導致補種裝置補種不及時。基于上述原因，目前中小粒徑種子變量補種系統多為科研探究，距實際推廣應用仍有一段距離，因此還需對中小粒徑種子變量補種技術進行進一步研究，確保變量補種系統在檢測到漏播后能迅速準確補種。

3.2 播種信息傳輸技術

中小粒徑種子播種檢測裝置可對播種機播種信息進行獲取，為更好利用獲取的播種信息，應用現有技術對播種信息進行傳輸，傳輸至云服務器，可實現云端存儲或云端決策，大大提高了播種過程智能化。播種信息傳輸至云服務器處理終端的模式可分為有線傳輸方式和無線傳輸方式。

3.2.1 播種信息有線傳輸

在播種作業過程中，由于工作環境惡劣，為保證播種監測信息能有效傳輸，可選擇有線傳輸方式進行信息傳遞。有線傳輸具有抗干擾能力強、故障率低等特點，是確保播種信息能準確、有效傳輸的必備手段。在當前播種檢測系統中，多采用有線方式進行信息傳輸。有線傳輸包括CAN總線技術、RS485總線技術等。

CAN總線最初是為解決汽車產業中多電子控制系統信息交互而產生的現場總線技術，由于其高性能與高可靠性，目前已被廣泛應用于工業自動化、醫療、裝備等領域。近年來，在播種檢測信息傳輸中運用CAN總線技術也逐漸增多，丁友強等[73]基于CAN總線設計了一套玉米精量播種機監測系統，采用CAN總線分布式控制方式完成主控制器和各個播種單體之間的指令傳輸。盧彩云等[74]為實現小麥播種作業性能的實時監控，設計了一種基于CAN總線的小麥精密播種機實時監控系統，將光電傳感器采集的播種信息通過CAN總線傳輸至播種監測終端并實時顯示。金鑫等[75]利用CAN總線，采集2BFJ-24小麥精量播種機變量施肥機稱量傳感器、肥料堵塞傳感器、漏播檢測傳感器及前進速度傳感器信息并進行處理，實現了播種檢測信息的穩定傳輸。楊碩等[76]設計了一種具有CAN總線接口的播種監測ECU，裝備有CAN總線接口的播種監測ECU在接收到播種監測傳感器感應的種子信息后將播種檢測信息通過CAN總線傳輸至排種驅動控制器單元，進行變量排種。林二東等[77]基于CAN總線設計了大豆播種檢測系統，通過CAN總線實現檢測裝置與控制器之間的播種信息傳輸。

RS485總線是串行通訊標準之一，具有抗噪聲干擾性強、長距離傳輸、多節點傳輸等特點。周利明等[78]為解決大型寬幅條播機作業質量檢測的問題，開發了一種基于RS485總線的播種機種肥監測系統，利用RS485總線實現了多節點數據傳輸，便于數據擴展。

除以上兩種有線播種信息傳輸方式，各企業、專家、學者根據自身研制的播種監測系統設計了配套的有線傳輸線路。如意大利MC Electronics公司研制的播種檢測系統能夠對玉米、小麥等播種株距、單位面積播種量、播種面積進行顯示。國內苑嚴偉等[79]、丁幼春等[80]研制的播種檢測裝置所檢測的播種信息均通過有線方式傳輸。

3.2.2 播種信息無線傳輸

實現播種信息無線傳輸主要依靠各無線傳輸模塊，按照無線傳輸模塊通訊距離遠近可將播種信息傳輸技術分為無線局域網技術和無線廣域網技術。

無線局域網技術主要包括Bluetooth，Wi-Fi，Zigbee，三者相關技術參數如表1。

國內學者應用無線局域網技術開發了相應播種檢測系統。譙睿等[81]在三七播種檢測系統中增加了藍牙無線通訊模塊，可將檢測到的各導種管的播種信息傳輸至10 m內的上位機終端。李進鵬[82]設計的播種檢測系統，在上位機檢測顯示終端和下位機種子播種上均安裝藍牙串口適配器，檢測裝置采集的，通過藍牙適配器傳輸至上位機，上位機對接收的播種信息進行實時顯示。王金武等[83]在所設計的檢測系統中集成了藍牙串口通訊模塊，實現了信號的無線傳輸，并開發了適用于安卓系統的手機APP。

張勤仕[84]通過WiFi無線模塊將油菜播種質量信息發送到上位機系統，上位機軟件以Android APP的方式安裝于手機中，人機界面友好，可顯示各行播種粒數、畝播種量等信息。崔紅光等[85]設計的水稻直播機播種信息無線檢測系統，構建了基于Zigbee的無線傳感器網絡監測節點，通過路由節點上傳數據，將播種信息于液晶顯示屏展示并通過蜂鳴器報警。趙繼成等[86]基于Zigbee技術設計了播種信息無線檢測系統，所測播種信息由無線傳輸模塊與單片機進行串口通信，再由單片機對數據進行分析處理后用液晶顯示模塊實時顯示。宮鶴[87]基于ZigBee設計了玉米漏播補種系統，在主排種器后加裝一個由步進電機驅動的副排種器，當漏播發生時，漏播信號由種子播種檢測裝置通過ZigBee無線傳輸模塊傳輸至副排種器，副排種器開始補種。劉志欣等[88]基于無線傳感網絡技術和PLC控制技術，設計了一個基于ZigBee的播種檢測信息無線監控系統，該系統利用光電播種檢測裝置采集播種信息，檢測裝置將采集的播種信息通過ZigBee發送到PLC，進而控制播種機行進速度及排種軸轉速，實現播種狀況的實時調控，使播種機行進速度與排種頻率相匹配。

表1 常見短距離無線傳輸技術及其參數

除上述3種無線傳輸技術，在農機播種信息的無線短距離傳輸中以nRF24L01模塊為代表的射頻通信技術也被廣泛使用。李丹等[89]為實時檢測播種機工作性能，設計了一種用于對播種機性能檢測的無線檢測系統，該系統應用nRF24L01無線傳輸模塊，對玉米播種機播種過程種的種子重播、漏播進行聲光報警。王潤濤等[90]利用nRF24L01模塊，實現了播種機播種作業過程中的播種參數的無線傳輸，將播種參數通過nRF24L01模塊傳輸至LCD12864液晶進行顯示。丁幼春等[91]設計的油菜精量聯合直播機播種檢測系統，利用nRF2401無線傳輸模塊采用“多對一”傳輸方式，將油菜播種檢測信息傳輸至播種檢測顯示終端，終端可實時顯示多路播量信息、排種性能指標信息以及各路排種頻率曲線。

無線廣域網技術主要包括蜂窩移動通信技術（2G3G4G5G），尹彥鑫[92]利用無線傳輸網絡，對播種機的每一個檢測位置部署具備數據采集及傳輸能力的無線傳輸網絡節點，各網絡節點將采集到的播種檢測信息以無線傳輸方式匯聚于總節點，總節點將采集的播種信息轉發至遠程計算機監控中心，實現播種機播種作業信息的遠程監測。

隨著未來播種過程智能化程度的提升，制定統一的播種檢測信息采集標準，將有線及無線信息傳輸手段相結合，保證播種檢測信息的可靠傳輸。

4 發展趨勢建議

近年來，國內中小粒徑種子播種檢測研究進展迅速，針對不同作物研制不同類型播種檢測裝置，為實現播種智能化提供了技術支撐。然而，從當前研究現狀來看，尚存在以下問題，在后續研究中應著重解決。

1）高速播種精準檢測問題

目前中小粒徑作物播種機作業速度較慢，其相應播種頻率較低，隨著未來農機裝備發展，高速、寬幅播種機成為趨勢。因此為滿足播種時植株密度農藝要求，需提高播種機排種器播種頻率，為保證高頻播種質量，需對高頻種子播種過程進行精準檢測。在進行中小粒徑種子高頻播種精準快速檢測時，面臨以下兩個問題：其一，當播種頻率過高時，單位時間內穿越播種檢測裝置感應區內種子數目增多，對感應元件檢測分辨率及種子信號調理條路處理信號處理時間提出更高要求；其二，因播種頻率較高，兩?；騼闪Ｒ陨戏N子同時穿越感應區概率增大，此時，播種檢測裝置難以準確分辨，一般將兩?；騼闪Ｒ陨系姆N子檢測為一粒種子。綜上，為解決中小粒徑種子高頻播種精準快速檢測，可考慮將高頻種子分流為多路低通量種子流并行檢測，對高頻種子進行精準快速檢測。

2）多類型種子檢測適應性問題

中小粒徑種子類型眾多，其相應物理特征也有較大差別。目前對不同粒徑種子進行檢測時需研制對應特制檢測裝置，造成檢測裝置種類繁雜，難以形成統一標準。

因此對于不同類型種子，研究基于相同傳感方法的檢測裝置，在進行不同類型種子檢測時，僅需簡單調整檢測電路元件參數或不做任何調整，即可實現對不同粒徑種子的兼容檢測。研制具有廣適性的播種檢測裝置，解決不同種子檢測適應性問題，可為播種檢測標準化推進提供便利工具，同時也利于播種檢測裝置的大面積推廣與使用，為智能化播種信息采集提供技術基礎。

3）播種檢測標準構建問題

針對不同類型播種方式，其相應播種指標不盡相同，利用播種檢測裝置進行檢測時，會得到不同參數。目前國內還沒有建立完整的播種檢測標準體系，制約了播種檢測技術發展。對不同播種方式構建對應播種檢測標準，可更加科學對播種質量進行評估。未來播種方式主要包括：精量播種、精密播種等。針對精量播種，評估精量播種播種性能指標主要應包括播量、播種均勻性；對于精密播種，評估精密播種性能指標主要包括播種粒數、粒距等指標，同時為實現智能化播種，對于每一粒種子的時間、空間信息也應進行采集。除對不同播種方式各自典型的播種檢測指標進行檢測，各播種方式共有的檢測指標如播種頻率、漏播率、重播率、播深、作業速度等，應作為作物播種檢測的基礎指標。因此結合不同地區作物種植模式，配套區域性地方播種檢測標準，可有效推動播種智能化發展。

當前播種監測信息主要包括播種量、播種頻率、播種間距、穴粒數、播種面積、作業速度等傳統參數指標，隨著精準農業的推進對于播種信息的需求日益豐富，為每一粒種子標記時間、空間信息，可對播種田塊的播種狀態分布圖進行繪制，能夠更好評估播種質量優劣，為后期針對性補種、間苗提供便利。目前對于播種信息融合的研究鮮有涉及，播種信息與時間、空間信息融合的算法研究及相應硬件平臺搭建是一個可深度挖掘且具有實際意義的命題。

4）前沿科學技術應用于播種檢測的問題

物聯網、大數據、云計算及5G技術為工業賦能，讓工業生產更加智能，同樣新興科技手段也逐漸進入農業領域，將新興技術手段應用于播種檢測領域，由播種檢測裝置采集的播種狀態信息通過5G上傳至云端數據庫，根據不同田塊構建不同區域播種信息數據庫，對上傳的播種信息進行分析并做出決策反饋到播種機具上，調整作業模式，實現智能化播種。

5）播種檢測信息深度挖掘與應用問題

國內針對不同作物研制了相應播種信息采集裝置，多數信息采集裝置采集的播種信息均為一次性信息，僅對播種質量信息進行實時檢測，采集的信息在播種作業結束后便被丟失。因此將播種信息上傳至云服務器進行存儲與決策，可真正實現播種過程智能化。播種檢測裝置實時發送排種頻率及定位等信息，將上傳的信息作為云服務器播種決策模型輸入參數，經決策后可得出播種機作業速度，將該速度信息反饋至播種機，即刻實現播種機變量作業；同時，通過對同一地區相同作物播種信息進行采集，將該作物播種信息上傳至云服務器，構建區域性作物種植信息數據庫，結合大數據處理、深度學習技術，將天氣、田塊肥力、播種質量信息進行融合，可對區域作物產量及適收期進行預測。

5 結　論

中小粒徑種子作物發展潛力大、市場前景好，本文對中小粒徑種子播種檢測的感知方法、檢測指標、配套技術及發展趨勢展開論述，主要得到以下結論。

1）實際生產中，針對不同作物不同作業場景，選擇合適感知方法研制播種檢測裝置實現中小粒徑種子的精準檢測。

2）播種檢測指標多維度評估了播種質量，量化的指標為大田農作物管理提供一定依據，并為未來智能化農機播種決策提供支撐。

3）以播種檢測為基礎的變量補種技術有效解決了田間漏播的發生，保證了播種質量；播種信息傳輸技術的應用，為播種信息化進程的推進奠定基礎。

4）未來中小粒徑播種檢測技術研究可以從以下方面開展：高速播種精準檢測、多類型種子通用性檢測、播種檢測標準構建、前沿科學技術播種檢測融合、播種檢測信息深度挖掘。

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Research progress of seeding detection technology for medium and small-size seeds

Ding Youchun, Wang Kaiyang,, Liu Xiaodong, Liu Weipeng,Chen Liyuan,Liu Wenbo, Du Chaoqun

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

Small to medium-sized seeds are characterized by non-food crops with an average diameter of less than 7 mm, mainly including rape, wheat，alfalfa, panax ginseng, and cereals. Since crop cultivation is gradually changing from the original grain to the diversified economic type under the adjustment of agricultural industry in China, the small to medium-sized seed crop is generally expected to serve as a sunrise industry with more promising markets. However, it is difficult to monitor the sowing status because the seeder seeds thought tube is enclosed status, when small and medium-sized seeds are sown in the field. In addition, in the detection of small to medium-sized seed crops, the seeds sow frequency is higher compared with large seed crops (rape row frequency is about 20-40 Hz, wheat row frequency is about 100-300 Hz), and it is difficult to accurately distinguish single seeds because of the high row frequency and poor seed sequencing, and there are also difficulties in detecting small to medium-sized seeds because of the small seed size and the weak seed signal generated when the seeds cross the sensing area. The above reasons make it difficult to accurately detect small and medium sized seeds. Correspondingly, the quality of seeding depends seriously on the seed rower, where missing seeds can inevitably result in sparse seedlings and broken strips in the complex field environment. Once a missed sowing cannot be found in time, a large area to be missed can inevitably occur, especially for the wide high-speed seeder with a high operation speed and sowing width. Manual replenishment of seedlings at a later stage is also time-consuming and labor-intensive. Therefore, it is necessary to real-time monitor the sowing process of small and medium-sized seeds for the high quality of crop sowing. Alternatively, the state-of-art technology of seeding detection is widely expected to realize variable seeding in intelligent agriculture. In this study, a systematic review was performed on the progress of detection technology and corresponding equipment for small and medium-sized seeds in the international market. Five sensing methods were selected to clarify the benefits and limitations, including mechanical electromechanical alarm, machine vision, photoelectric, capacitive, and piezoelectric sensing detection. Meanwhile, seven evaluation indicators were selected to determine the sowing detection, including sower failure monitoring, sowing volume, sowing frequency, rowing spacing, planting spacing, missing sowing, reseeding. The specific indexes of sowing detection were proposed for different sowing modes in combination with precision agricultural requirements. Furthermore, a full overview was made on the leakage compensation and information transmission of sowing detection to avoid the sowing leakage. In addition, a systematic summary was given on the sowing detection related technologies, and the possible development requirements for small and medium-sized seed sowing detection in the context of precision agriculture. Future detecting trend was foreseen when sowing small and medium-sized seeds. Consequently, three aspects were elaborated, including the current detection, detection indexes, and sowing detection for small and medium-sized seeds. Technical difficulties were given using detection devices for small and medium-sized seed flow during this stage. The finding can provide a key technical support to sowing detection of small and medium-sized seeds.

agricultural machinery; detection; precision seeding; sensing principle; small to medium-sized seeds

丁幼春，王凱陽，劉曉東，等. 中小粒徑種子播種檢測技術研究進展[J]. 農業工程學報，2021，37(8)：30-41.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, et al. Research progress of seeding detection technology for medium and small- size seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 30-41. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004 http://www.tcsae.org

2020-12-17

2021-03-31

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）湖北省重點研發計劃項目（2020BAB097）

丁幼春，教授，博士生導師，研究方向為油菜機械化生產智能化技術與裝備。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004

S223.2+5

A

1002-6819(2021)-08-0030-12