免耕播種機播深智能監控系統的設計

于守先,侯天寶,李德新

(東豐縣大陽鎮綜合服務中心,吉林 東豐 136306)

0 引言

免耕播種技術是保護性耕作技術的主要組成部分,主要是指在地表存在大量秸稈殘茬的基礎上進行作物播種作業[1-3],但是由于地表平整度較差,免耕播種機工作穩定性和播深質量都受到較大影響。播深一致性是播種質量的重要評價指標與技術參數,播深一致性直接影響作物的生長及產量的提升[4]。

在播種過程中,依靠人工進行播種作業質量監測存在勞動強度高、工作效率低等問題,在播種過程中容易發生機器堵塞造成大面積重播、漏播等現象[5]。隨著農業機械自動化和智能化的發展,利用傳感器、單片機等智能控制系統實現對農業機械的智能監測與調控是目前的主要發展趨勢與研究重點。因此,基于智能監測裝置實現對免耕播種機播種質量的監測是提高免耕播種機工作效率的重要環節,直接影響保護性耕作技術的大面積推廣與應用。

1 國內外研究進展

1.1 國外研究進展

國外對免耕播種機研究起步較早,在20世紀40年代開始大量理論研究與試驗分析,后期隨著電子信息技術在農業生產中的快速發展,已經研制出較多相對成熟的智能監控系統。如美國生產出一款精密播種機電子監控系統,傳感器類型較多,可以實現多個部件工作信息的監測與采集,但是結構較為復雜,傳感器容易受到田間高溫和灰塵的影響。后期,布盧農業大學基于視覺識別技術,研制出一種精密播種機作業制導系統,實現對播種的實時監測,可以極大地提高播種機工作質量與工作效率。

1.2 國內發展現狀

在免耕播種機監控系統研究中,盡管我國研究起步較晚,但是隨著電子信息技術的快速發展,我國不同生產企業和科研高校將信息技術與播種機結合,對免耕播種機監控系統進行了深入研究,也取得了較大的研究進展,并且設計了多種結構,如平行四連桿仿形機構、安裝限深輪等方法實現結構優化,并且通過液壓調節裝置控制播種深度,基于多種傳感器實現對播種深度的調節與控制。

2 免耕播種機播深實時監控系統整體設計

2.1 系統組成及功能

本研究選擇免耕播種機型號為2BMZF-2,適合在秸稈覆蓋的地表上進行播種作業,配合22～37 kW牽引機車,主要由機架、牽引梁等作業機構組成,可以一次性完成施肥、播種、覆土和鎮壓等作業環節。主要技術參數如表1所示[6]。

表1 2BMZF-2免耕播種機技術參數

免耕播種機實時監控系統主要包括播深信息采集模塊、通信模塊、報警模塊和顯示模塊等。各部分功能如下:

1)顯示模塊。用于操作人員進行參數設置和免耕播種機各個系統實時信息的顯示。

2)播種深度信息采集。主要是在免耕播種機工作過程中對播種深度數據經過濾波電路和數據轉換模塊進行分析和處理。

3)報警模塊。本研究采用聲光報警模塊檢測免耕播種機工作過程中實際播種深度與設定播種深度的差異性,超過設定閾值后發出警報。

4)通信模塊。通信模塊連接APP,將監測信息傳輸至移動客戶端。

5)電源模塊。采用車載12 V蓄電池電源經過降壓轉換后供電。

2.2 播深信息采集模塊

播種深度信息監測采用單片機進行數據采集,經過微處理器將數據通過通信模塊傳輸至移動終端。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊主要是實現數據傳輸,其工作性能直接影響免耕播種機監控系統數據監測穩定性和準確性。其主要功能是將單片機采集的田間信息快速、高效地傳輸給上位機。為了保證數據信息在田間高溫、灰塵等惡劣環境中傳輸穩定性,應該保證通信模塊工作低功耗。因此,本研究選取ESP8266WiFi模塊作為免耕播種機監控系統的通信模塊。

2.4 報警單元

本研究選擇聲光報警器作為報警模塊,采用PNP三極管組成電流放電器,進而驅動報警蜂鳴器和LED燈。

2.5 GPS定位模塊

免耕播種機田間工作采用GPS定位器實時獲取免耕播種機工作位置,在系統中采用ATGM336H,可以為用戶提供厘米級別的控制精度。

2.6 電源模塊設計

免耕播種機監控系統采用12 V直流電壓,但是系統工作只需要5 V電壓,因此采用電源轉換芯片對電流進行降壓。

3 播深實時監控系統軟件設計

系統采用C語言和匯編語言進行編程,程序編譯工具為KEIL C51軟件。C語言具有豐富的庫函數,具有多種高級語言特點,存在可讀性和移植性強等應用優勢,被廣泛用于各種系統開發。型號為STC89C516RD單片機作為主控單元,程序編寫完成后將C語言代碼寫入單片機內部。

4 田間試驗與分析

4.1 播種深度測定方法

作物播種深度采用《免耕播種機質量評價技術規范》,當田間播種深度≥3 cm時,播種深度誤差為±1 cm,田間播種深度<3 cm時,播種深度誤差為±0.5 cm。評價標準如表2所示。

表2 免耕播種機播種深度評價標準 單位:%

播種深度評價參數計算公式如式(1)(2)(3)和(4)所示

(1)

(2)

(3)

(4)

式中η—播種深度合格率,%;

n—播種深度合格數;

N—播種深度測量點數;

hi—播種深度測量值,mm;

Sh—播種深度標準差,mm;

Vh—播種深度變異系數,%。

4.2 結果與分析

在田間試驗中,設定不同作業速度,分別為4,6,8和10 km·h-1,設定作物播種深度為35 mm,選取25個采集點作為試驗數據,同時記錄人工測量播深數據,進行對比與分析,數據分析結果如表3所示。結果表明,免耕播種機田間監控系統數值差異性較小,測定較為穩定,系統監控和人工測量之間的誤差大部分在5%以內,表明該系統可以實現播種深度的有效測量。

表3 統計數據分析 單位:mm

5 結論與展望

5.1 結論

針對免耕播種機播種過程中存在的播深質量低、播深一致性差等問題,本研究基于智能控制技術提出一種免耕播種機智能監控系統,實現對播種深度的監測,通過田間試驗驗證可知,系統監測播種深度與人工監測誤差較小,可以實現對免耕播種機播種深度的實時監控。

5.2 展望

未來應增強免耕播種機智能監控系統APP監測信息多樣化發展,并且基于視覺注意機制等實現對人機交互界面的優化設計,保證系統向人性化和智能化方向發展;另一方面,在機械設計中,應該使用液壓裝置實現對播種深度和開溝器的精準調節,促進免耕播種機向精密免耕播種機方向發展。