玉米精量播種機播種質量監測與調控系統設計

潘超然

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農業農村部關于農業機械的十四五規劃指出，我國農機具配置結構已經日趨合理，農業機械化與信息化、智能化需完成進一步融合，進一步改善農機化作業條件，促進農業機械化進入高質量發展期。近年來我國的農業機械化普及率持續提升，農業機械產品的種類和工作質量持續優化，農民對于農業機械的認可度明顯增強。播種是玉米生產的重要環節，新型播種機具有寬幅、高效、精確、省種的特點，十分適合在規模化農業生產中應用。但單純依靠機械結構進行播種常因為缺種、輸種管堵塞等原因造成漏播，若漏播現象不能被及時發現，可能導致大面積漏播而影響玉米產量。因此在現階段精量播種機技術的基礎上，結合傳感器技術監測播種質量，能有效改善精量播種機性能和可靠性，為提升玉米機械化生產流程，促進玉米產量提升具有積極意義。

1 玉米播種質量的監測技術

1.1 典型技術及理論

從近年來的相關研究和實踐應用來看，播種質量的監測主要以電氣控制技術為基礎，以傳感器技術和邏輯分析技術為核心，結合玉米種子的結構特點開展播種質量的監測。對于玉米播種質量的監測工作集中于播量統計和播種位置統計，其典型技術包括以下幾類。1)光電監測技術。主要是利用光電傳感器進行監測，隨著技術的發展，根據光線信號的不同，光電傳感器可分為紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等幾類。光電傳感器主要是利用點對點發射與接收光信號監測播種情況，當播出的種子遮擋光信號會使光信號產生變化，控制系統將傳感器的光信號轉換為電信號，用以掌握播種狀態，并對播種機進行控制與優化。2)壓電監測技術。主要是利用玉米種子下落過程與傳感器監測原件碰撞產生的壓強變化獲取播種信息，隨著工業電控技術的發展，壓電傳感器的種類也得到擴展，現階段在農業生產中應用較多的的壓電傳感器包括PVDF壓電信號傳感器、壓電陶瓷壓敏傳感器等。3)電容監測技術。主要是利用玉米種子播出后經過傳感器過程中引起電容極板介電常數產生變化，導致傳感器內部電容值改變實現計量。4)視覺檢測技術。主要是在播種位置增設攝像設備實時獲取播種圖像，結合計算機技術快速分析圖像信息，以確定播種質量，并輔助確定播種位置[1]。

1.2 相關研究與探索

為進一步利用精量播種機提高耕地利用率與玉米產能，我國農機生產企業和科研工作者對播種質量檢測技術和方法開展了大量探索和實踐。吳曉慶[2]針對玉米精量播種漏播檢測展開研究，結合玉米漏播的常見原因，設計了一套玉米精量播種漏播檢測系統，提出了一種基于播種時間間隔檢測法的漏播檢測方法，并以該方法為基礎，設計了漏播補償系統，經試驗驗證，漏播檢測系統對排種總量的檢測精度超過96%，排種合格指數最高達到98.47%。馬彪[3]對2BYQD-4A1型電控玉米免耕播種機進行了技術優化，以直流電機代替地輪作為播種驅動方式，并在播種單體上安裝有播種監測模塊和播深測量模塊，利用卡爾曼濾波融合遺傳PID控制算法實現播種驅動電機速度閉環控制，通過雙路超聲波傳感器采集播種深度值，該技術播種監測精確度高，能有效提高播種質量。從國外播種機產品技術來看，John Deere、MC ELECTRONICS等國際化農機企業的先進播種機產品已經配套了較為成熟的播種監測系統，如圖1所示為意大利MC ELECTRONICS公司為播種機配套的監測系統，該系統能實現對每個排種器的獨立監測，并對播種異常進行提示控制[4]。

圖1 MC ELECTRONICS公司播種機監測系統

2 監測系統功能設計

2.1 開發環境及控制流程

玉米播種質量檢測系統的開發采用國際通用KEIL MDK編譯器開發，以C語言作為程序編制語言，使用標準庫函數進行程序編寫，程序控制可靠性高，程序修正與升級簡單快捷。結合傳統精量播種機在玉米播種作業過程易出現的排種質量問題，設計了如圖2所示的玉米播種質量檢測系統主程序控制流程，以此為基礎進行軟件控制功能的細化和開發。

圖2 玉米播種質量檢測系統主程序控制流程

2.2 控制邏輯與細節功能

2.2.1 PID控制

對于播種質量的檢測以PID控制算法作為邏輯判斷依據，由于對于玉米的精量排種質量監測不具有復雜的邏輯判斷需求，主體工作在于分析和判斷播種數量、播種深度兩項關鍵指標，因此，通過PID的邏輯判斷理論值與系統輸出值之間的差值，并以此為輸入值進行比例、積分、微分的分析，形成最終的控制方案，PID控制基礎邏輯如圖3所示。

圖3 PID控制基礎邏輯

2.2.2 功能與界面設計

操作界面是人機交互的媒介，其能夠將系統獲取的播種機工作質量數據直觀顯示出來，并便于駕駛操作人員對監測與調控系統進行調整，專業技術人員也能通過人機交互界面進行程序升級與修正。如圖4所示為玉米播種監測與控制系統的人機交互界面，能夠顯示各個排種器的工作參數和對應開溝器的開溝深度參數，并將漏播率通過柱狀圖顯示。控制系統可根據漏播情況提出警示或修正電機運轉狀態，做到漏播問題及時修正，若系統控制修正未解決問題，則發出二次警報，提醒駕駛員玉米播種過程可能出現大面積漏播，方便駕駛員及時人工檢修調整。

圖4 玉米播種監測與控制系統的人機交互界面

2.2.3 遠程監測與數據傳輸

現代化智能農機作業需要更好的人性化設計，隨著互聯網、移動終端的普及和廣泛應用，智能監測系統也應配套相應的遠程數據傳輸、數據查看、管理等功能。因此，在播種機監測系統獲得相關數據，或調控功能執行相關決策的同時，以監測終端作為數據的發送端，將數據和決策信息上傳至云端。利用TCP / IP 協議的 8080 端口可在云端實現對數據的調取、查看。

3 硬件選擇與設計

3.1 播種量統計傳感器

對比常用的光電、壓電、電容、視覺四類傳感器技術，分析了四者之間的優缺點，其中電容傳感器穩定性不佳，易受到干擾；壓電傳感器需要種子與傳感器產生碰撞，易導致播種后的下落軌跡產生變化，影響播種位置；視覺傳感器對環境要求過高，且成本高，實時性不好。因此，選用性價比更高的DINEL964S激光光電傳感器。

3.2 播深測量傳感器

播深測量傳感器適合選用非接觸式傳感器，如超聲波傳感器、激光傳感器等。結合玉米播種大田環境，作業過程產生的粉塵會嚴重影響激光傳感器的精度，超聲波傳感器相對而言對于粉塵、遮擋等的抗干擾能力更強，適合在測量播種深度時使用。為降低大田環境中不利因素產生的影響，選用具有能夠對聲波速度自動進行補償功能的US-150P超聲波傳感器，以提高檢測精度。

3.3 電機選擇

電機是排種器性能控制的驅動力裝置，也是核心裝置，為提高控制的穩定性，選用直流無刷電機作為驅動電機，能更好地適應田間作業時的振動和惡劣環境，能滿足播種過程持續的高負荷作業要求。本次選擇的直流無刷電機為57CAC1258-235EF9，額定功率為0.15 kW，額定轉速為3 000 r·min-1，配套25∶1減速器。

4 調控邏輯分析

4.1 漏播調控

當傳感器發現漏播并持續一定時間，系統自動檢測排種器運轉狀態，若排種器轉速異常，無刷電機自動增大轉速使排種器達到標準運轉速度，此時光電傳感器監測排種量，若200 s后排種量仍不合格，則向駕駛員發出警報，提醒駕駛員對輸種管、排種器型孔、種箱種子量進行檢查。

4.2 播深調控

當超聲波傳感器監測到播種深度持續不合格，則開始對比周邊播深，若平均播深不合格，則系統控制液壓泵增加播深，若單一位置播深不足，則判定為開溝器磨損或損壞，提醒駕駛員進行檢修。

5 結語

綜上所述，在現階段玉米精量播種機技術基礎上，結合電氣控制和傳感器技術對播種質量進行監測，并利用監測技術指導決策和調整機械工作狀態，能有效提升播種質量。與國外播種機相比，我國的監測技術應用較少，機械技術仍處于自動化階段，智能化特征仍不明顯。未來應加強對播種機監測技術的實踐應用，持續優化播種質量，提高耕地利用率與糧食產出。