玉米免耕播種機工作性能自動監測技術

解佰一,唐麗敏,李麗麗

(東豐縣二龍山鄉綜合服務中心,吉林 東豐 136318)

0 引言

保護性耕作技術是指采用少耕和免耕等技術,減少對土壤翻耕的干擾,可以保護土壤理化結構和微生物生活環境,為作物提供良好的生長環境[1-3]。由于保護性耕作技術將秸稈殘茬覆蓋在土壤地表,容易對后續播種機械造成干擾,導致機械堵塞及排種困難等故障,進而影響播種質量,難以保證作物產量及品質。

為了提高免耕播種機工作質量,應設計一種免耕播種機工作性能檢測系統,對免耕播種機工作質量和工作狀態進行實時監測,當出現機械故障時及時報警,提高免耕播種質量與效率。

1 播種機械檢測技術國內外研究現狀

隨著信息技術和電子技術的快速發展及廣泛應用,農業機械化信息技術也得到了廣泛應用,農業數據信息處理技術逐漸成熟。播種環節是農業生產中的基礎環節,直接影響后續作物產量的提升,目前針對播種機械的智能監測技術逐漸趨于多樣化發展,如光電感應技術和機器視覺技術等[4]。

1.1 國外發展進展

國外方面,歐洲部分國家、美國、加拿大等國家在播種機械檢測技術方面處于領先地位。其中,德國、荷蘭、瑞典等國家的播種機械制造商在技術研發方面具有很高的水平。例如,Kverneland Group公司推出了一種名為“IntelliSeed”的播種控制系統,可實現對種子的精確計量和投放,提高播種精度和效率。美國的約翰迪爾公司開發了一種稱名“SeedStar”的播種控制系統,可以根據不同作物和播種條件進行自動調整;日本研發了一種基于光電感應技術的精密排種器排種檢測裝置,該裝置可以通過精密控制種子下落的時間和角度,實現精準的種植。具體來說,該裝置通過內置的光電感應器,能夠實時監測種子的下落情況,并通過微調控制種子下落時間和角度,保證種子精準地落在目標位置。這種精密排種器排種檢測裝置主要應用于高精度農業種植,如蔬菜、水果等作物的種植。相比傳統的手工播種方式,該裝置可以大幅提高種植的準確性和效率,同時減少人工勞動強度和成本。此外,該裝置還可以配合GPS、地理信息系統等技術,實現更加精準的農業種植管理。

1.2 國內研究現狀

國內方面播種機械檢測技術也取得了一定的進展。各大農機廠商如中聯重科、一拖集團、山東金普、河北金邦等紛紛推出了自動化播種機械,并在播種機械控制系統的研發方面進行了一系列嘗試。同時,各大農業高校和科研機構也積極探索播種機械檢測技術。例如,中國農業大學的王德根教授團隊研發了一種基于圖像處理和機器學習的玉米種子數量檢測系統,可以實現對播種數量的實時監測和調整。該系統利用高分辨率相機對播種后的玉米種子進行拍照,然后采用圖像處理和機器學習技術實現對種子數量的實時監測和調整,從而確保播種質量和效率。這些機械利用傳感器、控制器、執行機構等技術實現了播種深度、種子間距、播種速度等參數的自動化控制。

綜上所述,播種機械檢測技術在國內外都得到了廣泛的關注和應用。未來,隨著人工智能、云計算等技術的不斷發展,播種機械檢測技術將會更加成熟和智能化,為農業生產的高效、精準、可持續發展提供更多支持。

2 虛擬儀器技術

隨著農業生產向精準化、智能化和信息化方向發展,機械播種質量逐漸提高,但是由于檢測設備與儀器質量及工作性能參差不齊,不能很好地滿足農業生產要求。針對以上問題,虛擬儀器技術應運而生。

2.1 概念

虛擬儀器技術(Virtual Instrument,VI)是由美國國家儀器公司在1986年提出的新的儀器開發概念,主要是指利用高性能的模塊化硬件,基于高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用[5-6]。靈活高效的軟件能夠為用戶創建完全自定義的用戶界面,模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成,滿足對同步和定時應用的需求,用戶可以通過自行設置和調節虛擬儀器等工作參數滿足自身測控需求,利用顯示模塊實現人機交互功能,具有性能高、擴展性強、開發時間少,以及出色的集成等應用優勢[7]。

與傳統儀器相比,虛擬儀器的使用更加靈活和便捷,可以自由組合硬件和軟件,實現儀器設備功能的多樣性,可以降低系統開發時間和生產成本。例如使用USB等無線局域網絡等多種方式實現與外接設備的連接和信息傳輸,保證數據傳輸的便捷性,避免傳統儀器使用過程中由于單一連接方式限制了系統與外接設備連接的不便性。傳統儀器與虛擬儀器的特點對比如表3所示。本研究選取美國國家儀器公司研發的LabVIEW用于虛擬儀器的技術開發,在程序開發過程中可以使用流程圖作為程序編寫手段。

表3 傳統儀器與虛擬儀器的特點分析

2.2 應用現狀

虛擬儀器技術因其開發周期短、使用成本低及靈活性強等應用優勢在農業工程領域已經得到了廣泛的應用與發展。如北京林業大學基于LabVIEW軟件進行農業機械發動機故障檢測;中國農業大學基于LabVIEW軟件設計一種谷物收獲及故障判別系統,可以實時獲取谷物聯合收獲機相關工作參數,如谷物喂入量、機器行進速度和谷物損失量等;東北農業大學基于LabVIEW軟件和ZigBee系統設計一種溫室遠程監控系統,實現溫室環境中環境信息和土壤信息的自動監測。

3 系統設計方案及硬件選擇

3.1 電容式接近開關傳感器

電容式接近開關傳感器安裝在免耕播種機的排種器金屬鐵管中,可以沿著金屬鐵管調節其安裝高度,主要用于播種過程中播種質量檢測。該傳感器由振蕩電路、放大電路和開關電路組成,當種子進入感應區域后,振蕩器在磁場作用下發生變化,并通過A-D轉換將信號傳遞給數據采集設備。

3.2 拉壓力傳感器

壓力傳感器安裝在播種機種箱側壁。本研究選擇S型拉壓力傳感器測定播種機牽引阻力,傳感器型號為HSTL-BLSM,其主要技術參數如表4所示。

表4 HSTL-BLSM拉壓力傳感器技術參數

3.3 上位PC機

由于LabVIEW虛擬儀器程序占用內存較小,本研究采用有線傳輸的方式與免耕播種機連接,選擇便攜式筆記本PC機,型號為聯想Thinkbook14(01CD),操作系統為Windows10,內存容量為8 GB,CPU類型為Intel i7,內存類型為DDR4。

4 田間試驗

4.1 試驗方法

本研究以玉米播種為研究對象,配套拖拉機動力為6.5 kW,可以同時進行2行玉米免耕播種作業,穩定田間作業速度為2～5 km·h-1,種子播深為30～35 mm。播種小區長度為40 m,播種間距為400 mm,播種量參數為520 kg·hm-2。

4.2 結果與分析

種箱排空檢測結果如表5所示,每次試驗重復三次,結果表明,系統可以對玉米免耕播種作業過程中種箱排空檢測準確率達到100%,能夠精準地對機具故障位置進行報警。

表5 玉米免耕播種機種箱排空試驗結果

播種質量檢測指標主要包括重播率和漏播率,試驗過程中以人工計數為對照,試驗結果如表6所示。結果表明,系統對重播率的測定精度為97.4%,對漏播率的測定精度為98.1%,檢測精度可以滿足田間生產要求。

表6 播種質量試驗結果

5 結論與展望

本研究針對保護性耕作后免耕播種影響后續播種質量,基于LabVIEW虛擬儀器平臺設以一種免耕播種機工作性能監測系統,對關鍵部件進行設計與選型,并通過田間試驗驗證系統的工作穩定性,主要測定指標包括重播率和漏播率等,并且系統能夠準確地對種箱排空情況進行報警。研究結果可以為免耕播種機的設計提供技術參考。

未來,應增加更多指標檢測項目,如施肥質量和施肥深度等,增強傳感器的田間抗干擾能力,消除田間環境對傳感器的干擾,提高信號傳輸精度與數據傳輸穩定性要求。