精密播種控制系統研究進展

王昊禹　孟玄　李園杰　屈哲　李祥付

摘要：播種是農業生產最重要的環節，精細農業是現代農業向著全自動化和智能化發展的必然趨勢。以精密播種為主題，綜述了國內外高校、科研院所和廠商研發的具有代表性的系統平臺的研究進展，包括農機信號總線、農用機械衛星導航系統、精密播種控制系統，并提出了精細農業在播種環節未來的發展方向：加快研究并推廣變量播種系統的使用、設計新型或改進現有光電式播種質量監測傳感器提高其適用性，同時繼續加大農機農藝的融合，最終減少人工投入，提高機械的農田工作效率和質量。

關鍵詞：精細農業;智能化;控制系統

0 引言

精細農業是由國外率先提出的一種高效、高質量農業生產方式。國外精細農業正式實踐起源于約1996年，在1997年度收獲季里，美國有約3%的聯合收割機上安裝使用了產量監控裝置[1]。國內，汪懋華[2]最早提出將“Precision Agriculture”譯作“精細農作”（即精細農業），指出其核心是獲取不同農田小區域內的作物產量和影響作物生長因素后對不同地塊進行“變量處理”，即“處方農作”。

精密播種技術屬于精細農業的分支，是指使用精密播種機械，按照待播作物相對應的播種農藝要求，如播量、播深、播距等將種子播入土壤中的播種方式。相較于傳統播種方式，精密播種具有著播量精確、播深播距穩定、節省種子等多種優勢。本文綜述了具有代表性的精密播種技術，并提出了精密播種未來的研究方向，為深入研究精細農業提供了參考。

1 總線技術在農業機械領域的應用

總線負責數據傳輸，常用的總線包括IIC總線、SPI總線、RS485總線以及CAN總線等，各類總線技術在農業機械領域的應用為農用機械控制系統高效處理大量信息、提高播種質量打下了基礎。

1.1 IIC和SPI總線技術

IIC總線和SPI總線往往用于實現控制系統中的某個模塊化功能。IIC（Inter-Integrated Circuit，集成電路總線），由Philips公司提出，目的是讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊設備，通訊時僅使用SDA和SCL兩根數據線就可以完成數據傳輸，但傳輸速度較慢。

SPI（Serial Peripheral interface，串行外圍設備接口）由Motorola公司提出，使四根數據線進行數據傳輸和時鐘校時等工作，相對IIC來說速度更快，是一種高速全雙工通信總線。

盧文景[3]使用IIC通信協議進行了樹莓派和51單片機的數據通訊，實現了物聯網種植系統中IIC傳感器的數據采集。陳曉棟[4]使用AT86RF212無線傳輸模塊實現了780MHz無線通訊模塊的設計，使用SPI配合天線進行無線通信。

由于在精密播種的過程中，往往面臨著數據量大、拓展性要求高、數據實時性強的特點，所以一般不用采用這二者做大量的瞬時數據傳輸，多用于小型模塊化功能實現以及和存儲器如EEPROM、FLASH等進行數據交換。

1.2 RS485總線技術

RS485 總線為半雙工通信方式，主從無法同時進行通訊，在傳輸距離和可拓展節點數等性質上優于RS232。但是當RS485的系統節點數目過多時，會出現數據交換較慢、占用CPU資源較高等問題。針對該問題，王書根等[5]提出一種針對串行鏈路的通訊方法，在上位機與各從站節點間增加主站，能夠提高系統獨立性，加快系統從故障中恢復的速度。RS485由于組網較為方便，在多節點通訊中使用廣泛，郭慶等[6]設計了基于RS485總線的環境監控系統，盧嫚[7]基于RS485總線通信基礎上實現了溫室監測系統中多個節點環境因子的采集和遠距離通信。

由于RS485總線存在通信的吞吐量較低、實時性較差、從機的系統開銷大且從機間通信難度大等缺點，現在農用機械中使用較為廣泛的為CAN總線。

1.3 CAN總線技術

CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）由BOSCH公司提出，現在已經成為了國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線具有通訊速度快、傳輸距離遠、系統穩定性強等多種優勢。其最早應用時解決了汽車控制系統中大量傳感器數據交換的問題，由于精密播種高拓展性和大量數據的要求，CAN總線被逐步引入到農機中，并形成了完善的農用拖拉機控制協議國際標準ISO11783。

現在，CAN總線已經發展至農用拖拉機控制系統的方方面面，包括：（1）耕作和播種;（2）施肥和植物保護;（3）產量監控;（4）機械導航等。胡煉等設計了分布式插秧機導航控制系統，分別用3 個從節點實現了插秧機的轉向控制、變速控制以及插秧機具升降控制，該插秧機還搭配了差分定位技術，能夠在較高精度下自主完成路徑跟蹤、轉向、變速以及插秧等操作。目前，CAN總線因其極強的可拓展性和不會因為節點出現故障而導致整體系統癱瘓的明顯優勢成為了最具有潛力的農用機械總線技術。

2 農用機械衛星導航系統

農用機械衛星導航系統主要由全球衛星定位系統、控制器、車輛底盤等構成，是精細農業最重要的環節之一，可以提高生產效率、減少人工投入。上世紀末，Thomas Bell等[8]在John Deere 7800型拖拉機平臺上開展了基于載波相位差分定位系統的自動駕駛拖拉機試驗，實驗結果表明其系統航向角的精度為1°，水平偏差為2.5cm，有著較高的定位精確度。國內，胡煉和羅錫文等[9]設計了DGPS自動導航控制系統如圖一所示，其機器位置信息的獲取使用RS232總線，其余功能節點的通訊均使用CAN總線，在拖拉機行進速度為 0.8m/s時，直線跟蹤的最大誤差小于0.15m，平均跟蹤誤差小于0.03m。

目前，我國農機自動駕駛系統大多由非農機制造企業研制，主要功能是通過北斗衛星定位實現拖拉機直線作業路線的自動跟蹤行走。以合眾思壯“慧農”北斗農機自動駕駛產品為例[10]，該產品主要組成包括：便攜式或固定式基站、GNSS定位裝置、姿態傳感器、智能駕駛控制器、轉向輪角度傳感器、壓力傳感器、液壓轉向電磁閥組和顯示終端等。其直線控制精度達到了2.5cm，可支持的作業速度為3～16km/h。

近年來，我國衛星導航系統發展迅速，2020年6月23日，北斗三號組網的最后一顆衛星發射成功，標志著BDS（BeiDou Navigation Satellite System，中國北斗衛星導航系統）組網順利完成，北斗衛星的建設對于我國國家安全起到了重要作用。

3 精密播種控制系統

3.1 播種變量控制技術

早期的機械式播種機往往使用地輪驅動排種軸帶動所有排種盤進行轉動，近年來，精密排種器已經開始由純機械式向著電控單體式進行轉變。電驅排種器的研究促進了變量播種控制系統的發展，使得同一播種機的不同排種器能夠按照不同的密度進行播種，從而提高播種質量，減少種子浪費。播種機常常配有多行排種器單體，如果想要對每個排種器的播種工況進行控制同時了解每個排種器的工作情況，主要有以下兩種方式：（1）分別對每個排種單體都使用獨立的單片機或其他小型微機模塊進行控制;（2）設計多點可拓展式控制系統，將各個排種單體和主控制單元進行主從方式的連接。不難看出，雖然兩種方式都具有較強的可拓展性，但是第一種方式對系統資源沒有很好的達成利用，而且明顯提高了系統設計的冗余度。因此，在實際機械上多采用第二種方式來進行系統的布置。

如本文第一章所述，在農用信號總線標準制定后，基于CAN總線的變量播種控制系統已經成為了精密播種領域的熱點問題。早期機械式排種器基本都采用了地輪驅動的方式，在播種時易出現打滑，此時則會導致播種質量的下降。為了解決這個問題，早期精密播種機使用編碼器測速的方式來代替地輪進行速度的獲取，但在高速時依然不能夠很好地控制排種精度[11-13]。由于衛星定位技術精度的發展，GPS代替編碼器進行測速的方式被證明更加適合高速時精密播種的要求。已經有學者通過研究表明，傳統地輪排種器驅動方式可以由電驅驅動排種單體的方式替代。

3.2 播種質量監測技術

為了對播種質量進行實時觀測，機器需要在排種器上安裝播種監測系統。播種監測的方法有很多，常用的方法為使用安裝在落種管處的光電、電容式傳感器以及高速攝像機來進行種子的通過性測量[14-15]，并根據車輛的行走速度以及兩粒種子下落的時間間隔來判斷是否有種子出現了重播漏播等現象。光電傳感器價格低廉，廣泛應用于各類播種監測機構中，但由于農機具工作環境較為惡劣，在工作一段時間后傳感器會因為灰塵覆蓋等原因而導致失靈。使用高速攝像機和圖像處理技術的方式能夠精確捕捉小型種子，同時可以辨認出種子重疊的情況，但價格昂貴，較難推廣使用。設計一種高精度低成本的新型監測方式，或者通過硬件與算法的重新部署從而改進光電監測的缺點將成為未來播種質量監測系統研究的方向。

4 結語

得益于GPS衛星定位技術的民用化、農用化，農用機械有了可以支撐其快速精確作業的平臺。同時，高速精密排種器和播種監測系統也不斷發展，用衛星測速帶動排種器進行工作的方式成為了減少傳統播種機地輪打滑問題的有效解決方案。隨著研究的不斷推進，精密播種系統的數據吞吐量和對可拓展性能的要求逐漸增加，傳統小型設備總線已無法滿足其性能要求，而CAN總線因其在大量數據處理領域的優越性成為了現在大型精密播種控制系統中最常用的信號總線。

變量播種系統目前仍處于研發階段，需要加大對該系統的投入，相關技術包括處方圖的生成技術、變量播種的農機通用平臺開發等。光電傳感器的優缺點上文已提及，此處不再重復描述，需要對傳統的光電式監測機構進行改進或者設計新型監測傳感器，從而達到在長時間的工作條件下穩定監測的目的。氣力式排種器雖然研發較早，但是并未大量普及，相關機構要加快農機更新換代。農業工作者還應當持續推進農機農藝的融合，最大化利用農業機械，提高工作效率。

參考文獻

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