油菜精密排種器智能檢測系統設計研究

呂 青 ，付全有

（湖南農業大學，湖南 長沙 410000）

1 研究目的及意義

我國作為世界油菜生產、加工、銷售大國，油菜種植范圍非常廣泛，全國各省份均有不同程度的分布，主要產區集中在長江流域，種植面積占全國的70%。油菜不僅可以加工食用油，在化工、醫藥等領域也有廣泛應用。油菜生產多數采用人工操作，勞動強度大，作業效率低，勞動力成本不斷提高，受多重不利因素影響，我國油菜生產效益低下，生產規模減小。根據國家統計局的數據，2012—2018 年油菜籽種植面積持續呈現減少趨勢，2018 年油菜籽種植面積一度減少至6 550.61 khm2。

我國油菜種植方式主要有人工撒播、育苗移栽和機械化直播三種方式。人工撒播機械化水平低，浪費大量種子，消耗大量勞動力；育苗移栽實現株距均勻分布，但移栽的方式費時費力，工作量大，效率低，難以實現機械化；機械化直播是使用油菜播種機將油菜種子直接播種到田里，節省了大量勞動力，同時提高了生產效率，保證了株距均勻性，方便了后期的田間管理與油菜收獲，是提高油菜發展水平的重要途徑。

隨著油菜生產機械化程度的提高，油菜籽單位面積產量從2012 年的1 864.78 kg/hm2不斷提高，2020年單位面積產量達到2 076.82 kg/hm2，如圖1所示。

圖1 2012—2020年油菜籽單位面積產量

2 精密排種器檢測與監控系統國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

美國、加拿大、澳大利亞等國家積極研究排種器監測技術，在傳感器觸發信號、圖像處理、智能控制等方面取得了一定成果。美國賓夕法尼亞州立大學研究團隊采用了機器視覺技術，實現了對精準播種的監測。排種器監測裝置的相關研究在國外已經有了比較長的歷史。早在20 世紀50 年代，美國就開始研究利用光電技術監測播種的密度和位置。到了20 世紀70 年代，美國工程師William Lienweber 提出了精密播種機的概念，并利用計算機輔助設計技術實現了對種子的準確定位和控制，使得機械播種的精度得到了顯著提高。

2.2 國內研究現狀

我國精量播種研究起步較晚，隨著我國精量播種技術不斷創新，對精量播種器檢測系統的研究力度也在不斷增大。

丁幼春等通過利用高速攝影技術對種子投種軌跡進行提取，分別研究了投種軌跡與正壓力關系、投種軌跡與成穴性關系，為精量排種器投種口、導種管的設計提供了參考[1-2]。

張勤仕利用激光管作為發光元件，光敏二極管作為光敏元件，設計了光柵式排種檢測傳感器[3]。

王雪玲設計了一種基于時變窗口的漏播實時檢測與自補種系統，可有效準確地檢測出油菜精量排種器的不同漏播狀態類型，并及時驅動補種器進行補種[4]。

吳明亮等基于壓力傳感器設計排量調控檢測系統，直接檢測排種箱的質量變化，進而驅動排種軸電機轉動來實現對排量的調控[5-6]。

3 油菜籽精密排種器監測裝置的研究

3.1 研究內容

本文以油菜精密排種器智能檢測系統為研究對象，主要研究內容如下[7]。

1）油菜籽特性研究：選取油菜籽作為研究對象，對油菜籽特性進行研究，得到油菜籽下落時的運動軌跡，確定傳感器的安裝位置和傳感器檢測的高度和幅寬。

2）監測系統的設計：選擇合適的傳感器及單片機型號，用仿真軟件模擬傳感器工作過程，獲取播種時的漏播和重播情況[8]，搭建蜂鳴器及顯示屏，實現人機交互讀取到播種實時情況。

3.2 技術方案

油菜籽排種器排種工況監測裝置的安裝位置選擇：在實際生產中，為了提高整個排種器的工作效率和性能，應該將排種工況監測裝置安裝于緊靠在開溝器上方的位置，通過這樣的安裝方式，可以最大限度地保證監測裝置對于排種工況的實時監測，并及時發現問題、解決問題，保證排種器的順利運行。

光電傳感器由發射端和接收端兩個互相獨立的部分組成。發射端內置直徑為10 mm 的紅外線發射二極管，其波長為850 nm，發射角度為45°，針對監測裝置的特殊性，采用了長方體結構的設計，其尺寸為45 mm×35 mm×40 mm，通過安裝焦距為17.5 mm的凸透鏡，實現了光線的聚焦和監測精度的提升。接收端則采用了緊密排列的寬度為2 mm 的貼片式紅外接收二極管，通過串聯連接成一字型，用于接收發射端發出的紅外光信號，并且將其轉化為電信號輸出，通過檢測信號電位差的變化來確定目標的存在與否。

該光電傳感器具有溫度穩定性好、噪聲干擾小、體積小、反應速度快等特點，發射端和接收端都安裝有塑料防塵罩，以有效防止塵土附著等外界干擾因素影響光電傳感器的性能，同時方便清潔。該光電傳感器可以實時監測種子落地質量和顆粒均勻度，監測裝置俯視圖如圖2所示。

圖2 監測裝置俯視圖

該排種器排種工況監測裝置的整體裝配圖如圖3所示。

圖3 監測裝置整體裝配圖

3.3 裝置工作原理

在正常工作狀態下，紅外光線通過凸透鏡后被平行照射至接收端。通過監測裝置排放的光線，可以實現對油菜籽的排種監測，當種子通過監測裝置完全遮擋一個或多個紅外接收二極管時，接收端會產生電平變化，并將該電平信號傳輸至單片機中。通過單片機的計算，可以根據電平信號統計種子下落時間間隔，并結合增量式編碼器測得機具的前進速度，進而得出實際株距[9]。

相對于設定的理論株距，結合相應數據的分析可以得出漏播率、重播率以及播種量等信息。因此，監測裝置對于油菜籽的排種過程監測起著至關重要的作用，可以幫助農業生產者實現更為精確和高效的油菜籽排種作業。

監測裝置通過單片機獲取相鄰兩粒種子下落時間間隔t，計算時采用t與播種機行進速度v的乘積，即vt，作為實際粒距的監測值。

參考GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，運用監測裝置對比理論粒距與實際粒距進行分析，并根據如下判斷標準對重播或漏播情況進行判定。

若vt≤0.5d，則視為重播；若vt>1.5d，則視為漏播。其中，d為播種理論株距（m），可以通過監測系統的按鍵模板進行設定。

這樣得出的實際粒距信息、漏播率、重播率等數據可用于指導油菜籽種植行業決策，提高農業生產效率和效益。

理論排種量的計算方式為1 min 內排種軸的轉數與排種盤的孔數的乘積。

與此同時，監測系統還能夠記錄播種過程中1 min 內計算得到的播種粒數，即實際排種量，通過將其與理論排種量比較，計算出報警系數[10]。

排種軸的轉速可以通過下式計算得出：

式中，n為排種軸轉速（r/min），i為傳動比。

在農業生產監測過程中，監測裝置能夠通過采集光電傳感器的監控數據，并將其傳輸給嵌入式系統進行處理[11-12]。程序執行過程中，嵌入式系統會定期檢測報警系數P是否超出設定范圍，以及是否出現漏播或重播現象。如果檢測到超出設定范圍或者存在漏播或重播現象，系統會發出聲或光報警，提醒操作人員及時采取處理措施。

此外，如果單片機監測到播種機的行進速度為0，則系統會判定播種機已停止工作并停止對播種過程的監測。這些功能的實現可以在很大程度上提高播種的準確性和穩定性，有效地降低播種過程中的風險和損失。

3.4 控制系統總體設計

該農業生產監測系統采用STM32F103ZET6 單片機和LM2576 降壓芯片以及LM393AD 電壓比較器作為核心搭建而成。

系統硬件結構包括監測模塊、測速模塊、語音報警模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊和LED 報警模塊等。其結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構

系統的電源來自拖拉機的蓄電池，系統的控制面板上的按鍵模塊可以對理論株距、測速輪直徑、滑移率、傳動比、測速周期和報警系數的范圍進行設置。其液晶顯示模塊可以實時顯示單行播量、總播種量、播種機行進速度、漏播率和重播率。此外，LED 報警模塊與播種通道對應，若某一行或多行出現漏播或重播現象，則對應的LED 燈會閃爍報警，并且蜂鳴器會發出語音報警。

油菜籽排種器監測電路如圖5 所示，該油菜籽排種器監測電路主要由紅外發射二極管、紅外接收二極管和LM393AD 電壓比較器等器件組成。系統采用LM393AD 電壓比較器作為電子元器件，以提高監測過程的可靠性和穩定性，并可以同時處理兩路信號以提高工作效率。

圖5 排種器監測電路

該系統還可以通過調節滑動變阻器R3 來調節傳感器靈敏度，以滿足不同品種的種子經過時對精度的不同要求。

此外，采用一個0.1 μF 電容C1 來濾除采集信號過程中的雜波，并保護電壓比較器的正常工作。

以上是該農業生產監測系統的電路設計方案和實現細節。

4 結論與討論

該油菜籽排種器工況監測裝置使用紅外線檢測裝置來獲得每一粒種子下降過程中產生的信號脈沖，并將其轉換為電信號，然后加以記錄，用來監測油菜籽排種器工況是否出現漏播、重播等不利情況，記錄每一行的播種量等指標。

1）該排種器監測裝置的優點主要包括：

①提高種植效率。排種器監測裝置監測精度高，無需人工干預，可以大大提高種植效率。

②減少浪費。監測裝置能夠準確監測每一顆種子的位置和數量，避免了傳統播種方式中難以避免的浪費和重復種植。

③降低勞動強度。排種器監測裝置能夠自動完成種子的監測和排種，不需要人工干預，降低了勞動強度，提高了工作效率。

④提高種植質量。監測裝置能夠精確控制數量和位置，保證了種子的均勻分布，從而提高了種植質量。

2）該排種器監測裝置的缺點主要包括：

①費用高昂。由于采用了較為先進的技術，排種器監測裝置價格相對較高。

②對操作人員要求較高。監測裝置需要專業人員進行安裝和調試，對操作人員要求較高，且需要嚴格按照操作說明正確定位和調試每一步操作。

③適應性有限。由于不同作物的種子特征不同，監測裝置在適應性方面存在一定局限性。

④信號干擾。此裝置對于信號干擾的適應性表現得不太理想。

綜上，盡管排種器監測裝置還存在一些局限和缺陷，但其在提高種植效率、減少浪費、減小勞動強度、提高種植質量等方面的優勢仍然使得其在農業領域具有較大的應用潛力。

3）排種器監測裝置的改進設計需要從多個方面來考慮，以下是一些可能的方向和設想：

①提高精度。可以從傳感器的選擇和放置位置等方面入手，選擇更精準的傳感器并優化其放置位置，從而提高監測精度。

②降低成本。可以從控制系統硬件改進和單片機軟件優化等方面入手，盡可能地使用價格低廉但性能不錯的器件，以達到降低成本的目的。

③提高穩定性。可以通過改進傳感器的設計、優化信號濾波和放大電路等措施提高監測裝置的穩定性，降低誤差和干擾的影響。

④增加監測功能。可以增加監測功能來豐富裝置的應用場景，例如監測作物的生長情況、溫濕度等環境參數等。

⑤引入智能化技術。可以利用計算機視覺、深度學習等人工智能技術來實現智能化操作和決策，進一步提高排種器監測裝置的自動化程度和作業效率。