播種監控技術研究現狀與展望

摘要：播種監控是評價播種質量的重要手段，是實現播種智能化的關鍵技術，有利于降低人工勞動強度，提高農作物質量和產量。通過介紹影響播種質量的三個重要環節：排種器排種、漏播補種、播深控制國內外監控技術研究現狀，重點分析機械機電式、光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式、機器視覺式監測原理特點、研究重點及應用領域。分析發現，我國播種監控技術存在缺乏高性能傳感器，精度不能滿足高速播種精準監測要求；缺少播種信息與時間、空間信息融合的算法研究，控制器動態響應性能不佳；監控系統相關標準缺失導致播種信息采集、監測指標指向不明，規范性較弱等問題。并展望未來發展趨勢。電機、液壓馬達等新型排種驅動控制技術應用在提高排種精度的同時也為變量播種的實現提供可能；傳感器創新設計、控制算法優化、監控標準體系建立以及多優勢學科技術融合，播種監控系統有望實現商品化；播種監控系統集合農機作業數據精準感知、智能決策管理、精準服務全環節，未來必將向著更加智能化的方向發展。

關鍵詞：播種監控；排種器；漏播補種；播深控制

中圖分類號：S233.2" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0345?08

Research status and prospect of sowing monitoring technology

Yang Changmin Zhao Bangtai Cheng Fangping Zhang Wei Wang Yipeng Liu Lin

（1. Sichuan Academy of Agricultural Machinery Sciences， Chengdu， 610066， China;

2. Agricultural Machinery Technology Extension Service Station of Linshui County， Guang'an， 638500， China）

Abstract： Seeding monitoring is an important means to evaluate seeding quality and a key technology to realize seeding intelligence， which is conducive to reducing manual labor intensity and improving crop quality and yield. By introducing the three important links that affect the quality of seeding，including seeding by seeding device， seeding by missing seeding， sowing depth control and the research status quo of monitoring technology at home and abroad， the paper focuses on the analysis of the mechanical electromechanical， photoelectric sensing， capacitive sensing， piezoelectric sensing， machine vision monitoring principle characteristics， research focus and application fields. It is found that there is a lack of high?performance sensors in the technology of sowing monitoring in China， and the precision can not meet the requirements of high?speed sowing precision monitoring. The dynamic response performance of the controller is poor because of the lack of algorithm research on the fusion of seeding information with time and space information. The lack of relevant standards in the monitoring system leads to problems such as the collection of sowing information， the unclear direction of monitoring indicators， and the weak standardization. By looking forward to the future development trend， the application of motor， hydraulic motor and other new type of seeding drive control technology not only improves the seeding accuracy， but also provides the possibility for the realization of variable seeding. The innovative design of sensor， optimization of control algorithm， establishment of monitoring standard system and integration of multi?advantageous disciplines are expected to commercialize the seeding monitoring system. The sowing monitoring system integrates accurate perception of agricultural machinery operation data， intelligent decision management and accurate service， and will develop in a more intelligent direction in the future.

Keywords： sowing monitoring; seed feeder; missed seeding and reseeding; sowing depth control

0 引言

隨著農業技術發展，精量播種機被廣泛用于農業生產，有效提高了播種效率。因農田作業環境復雜，加上播種過程具有一定的封閉性，人眼無法直觀看到播種狀態，播種過程中排種器易出現種箱排空、導種管堵塞等造成“斷條”和漏播現象，若不及時調整或進行漏播補種，將嚴重影響播種質量[1]。同樣，播種過程中播種深度不一致，種子出苗不整齊，后期株間土壤水分、養分競爭大，產量低[2]。

因此，在精量播種機上配備監控系統，實現播種故障報警、工作參數和作業質量實時監測，及時調整播種狀態，可有效節約人力成本、保證播種質量，提高作物產量。

監控系統包含監測和控制兩方面，在播種環節主要體現在排種性能監測、漏播補種和播深控制。本文圍繞排種器排種、漏播補種、播深控制環節，綜述播種監控技術在國內外的研究現狀，指出我國播種監控技術存在問題，展望未來發展趨勢。

1 播種監測技術

對于播種監測，最初為人工監測和機械機電式監測。20世紀80年代以后，出現電子監測技術，根據其對種子感知原理，可分為光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式、機器視覺式[3]，不同類型監測裝置適用于不同類型種子和不同參數監測，表1為不同監測方式對比。

1.1 機械機電式

排種器性能最初采用肉眼觀察及人工測定播下種子的粒距，使用最早也最多的方法是帆布帶法[4]，圖1為人工監測示意圖。

德國某公司使用的帆布帶試驗臺帶有可調的自動噴油和刮油裝置，減少人工涂油、清種工序，提高了試驗臺的自動化水平[5]。國內，張波屏等[6]設計的移動式排種器試驗臺，首次采用沙盤固種，避免黃油帶來的污染，種子可重復使用，但試驗臺成本較高，同時沙盤長度受環境條件限制。機械機電式種子感知方法主要是依靠機、電、液的測控方式對種箱充種狀態或排種器工作狀態等進行監測，若出現異常則報警[7]。法國生產的NODET氣吸式播種機最先安裝機械式報警裝置，在播種過程中若出現異常，安裝在主動套上的彈片會帶動小錘來回敲擊鈴鐺發出報警，提醒作業人員[5]。

人工監測浪費種子、污染環境。機械機電式監測能夠直觀反映排種結果，可對種箱及排種器工作狀態進行監控，但不能監測播種量、播種頻率、漏播、重播等指標，近年來逐步被電子監測手段取代。

1.2 光電傳感式

光電傳感式通過下落種子對傳感器發射端光線進行遮擋使兩端電壓信號發生改變，變化信號經處理后成為可被控制器識別的脈沖信號，由此判斷排種情況，光電傳感式監測如圖2所示。

國外對播種光電傳感式監測研究較早，且在播種機產品中實現，應用于田間生產。前蘇聯CynH-8型播種機采用光電傳感器對種箱內種子高度進行監測，當種子的高度在設定的最低水平線以下或種子高度長時間無變化時，駕駛室內的指示燈會被點亮，同時觸發蜂鳴器，實現聲光報警，避免大面積漏播。美國Cyclo-500型播種機配套的播種質量監控系統，采用光電傳感器能實時監測播種機行進速度、株距、播種量等作業參數。Wrobel[10]研制的一款基于光電傳感器的精量播種監控系統，可顯示播種機的作業面積和前進速度等信息，可監測不同類型籽粒播種參數，精度較高。

國內對光電傳感式監測研究主要集中在提高探頭布置密度、減少光場死角，增加自清潔除塵裝置以及提高小粒徑種子落種感知精度等方面。

楊長江等設計的監測系統采用反射式光電傳感器，采用3個廣角120°的草帽型紅外發射管作為發射端，紅外線經排種管內壁反復漫反射，可保證光場完全覆蓋排種管內部，減少監測盲區，實現了玉米播種過程的實時監控。試驗測試表明：系統對玉米種子識別度高，故障報警診斷準確率97.5%，性能可靠。紀超等[9]為提高監測系統對多塵作業環境適應性，設計了以旋轉式透明防塵罩為核心的自清潔除塵裝置，增強探頭的抗塵性能。模擬灰塵粘附工況，播種總量監測精度達98.1%，具備良好的抗塵效果。吳南等[10]將2個光纖傳感器分別安裝在排種口和導種管下部，監測相鄰種子時間間隔來確定粒距，提高了重播率的監測精度。丁幼春等[11]利用薄面激光與硅光電池的光伏效應原理設計了一種中小粒徑種子流監測裝置，解決了油菜、小麥等中小粒徑種子在播種過程中難以兼容檢測的難題，田間試驗表明，正常排種頻率范圍內，油菜種子的監測準確率不低于98.6%，小麥種子的監測準確率不低于95.8%。

光電傳感式適用于漏播監測，具有靈敏度高、測量速度快、成本低等特點，是最早且最多在實際中應用的排種監測方法。但在農田環境下，灰塵粘附易造成監測精度降低，對于重播監測，誤差較大，也無法監測種子破碎率。

1.3 電容傳感式

電容傳感式監測為當種子下落時經過電容傳感器兩極板時，引起電容值變化，變化經處理輸出為控制器可識別的數字信號，實現對種子的監測，近年來才被逐漸引入播種監測領域，電容傳感式監測如圖3所示。

德國Taghinezhad等設計的電容傳感裝置，實現監測大豆、小麥作物排種的均勻性[12]，判別播種的間距是否合格。Noltingk[13]設計了一種環形電容傳感器，其監測靈敏度比對置式的傳感器更佳。

國內針對電容傳感器受溫度影響和寄生電容干擾檢測精度下降的問題，開展了研究。周利明等[14]設計一種基于AD7745數字轉換器和單片機的高精度微電容傳感監測裝置。電容傳感器與調理電路采用短線連接，減少寄生電容對測量精度的影響，裝置用于小麥播種機排種量監測。試驗結果表明，在不同的排種速度下，傳感器最大測量誤差為2.2%。許健佳等[15]設計一種基于PCap02的電容式微水檢測系統，利用芯片內置的溫度傳感器對外界溫度進行補償，克服了電容傳感器存在寄生電容的缺陷，系統實時性強，線性度好，測量精度高。

電容傳感式監測具有工作穩定、可靠性高、抗粉塵污染能力強等優勢。但單粒種子在通過電容傳感器時，引起電容值變化微小，因此對于小粒徑種子監測分辨率不高，不適用于微小粒徑種子監測和精確計數。電容傳感式監測目前僅限于實驗室研究，還達不到實際使用的要求。

1.4 壓電傳感式

壓電傳感式監測為種子下落時與壓電傳感器發生碰撞，使壓電傳感器兩端產生信號變化，該變化經調理后變為可識別的脈沖信號，獲取落種信息，圖4為壓電傳感式監測示意圖。

國外Hoberge等[16]開發了頭部壓電傳感器和軟管壓電傳感器，頭部壓電傳感器可以監測整個種子流，軟管壓電傳感器可以監測每個軟管中的堵塞情況。

壓電傳感式監測精度與傳感器安裝方式和有效感應區間相關性較大。國內針對壓電傳感器易受感應結構影響開展研究。張霖等[17]設計了基于壓電傳感器的種子計數系統，利用壓電陶瓷片監測種子撞擊懸臂梁后產生的振動變換為電壓信號，經信號處理電路輸入單片機進行計數。系統選用合適的高分子材料和安裝方式，使之擁有較好的阻尼比，達到較高的精度，單粒測量誤差小于0.4%。丁幼春等[18]基于壓電薄膜設計了沉槽基板一壓電薄膜感應結構，將碰撞信號的衰減時間從9 ms縮短至1 ms，提高了對高頻種子流監測的時間分辨率，沉槽基板設計，有效抵抗了機械振動帶來的干擾影響，實現了對油菜種子的準確監測。

壓電傳感式多用在種子堵塞監測，結構簡單、靈敏度高。但壓電傳感式監測是接觸式監測，要求種子與壓電感應器發生碰撞，碰撞會影響種子下落軌跡，改變入土位置，對播種均勻性有影響，因此壓電傳感式也多應用于氣力式精量排種器以及低頻排種監測。

1.5 機器視覺式

機器視覺法通過視覺相機對下落種子進行高速攝像，通過圖像處理系統，獲取種子位置、數量等信息。對圖像中種子的精準快速識別是機器視覺法的關鍵，圖5為機器視覺法監測示意圖。

Leemans等[19]開發的計算機視覺監測系統，通過視覺相機識別種粒下落，對排種器工作狀態監測并引導播種機作業。Karayel等用高速攝影技術，通過獲取種子間距均勻性和種子下落速度[20]，計算獲得小麥、大豆、棉花排種器的排種性能指標。

國內，陳進等[21]建立了基于高速攝像系統的精密排種器性能監測系統，通過排種圖像處理，提取了種子的特征值，試驗結果表明機器視覺監測與人工監測排種合格指數相對誤差小于1%。廖慶喜等[22]結合光電傳感器監測裝置與高速攝影技術，提高了排種器性能監測的可信度，彌補光電傳感器無法判斷種子破碎而引起監測結果誤差的缺陷。齊龍等[23]應用計算機監測技術，研制了超級稻高速連續育秧播種空穴視覺監測系統，根據穴孔結構特點設計了相對應的掩模圖像，根據掩模圖像分析實現對空穴進行在線監測和后續補種。

機器視覺監測對種子外形和大小沒有嚴格要求，可以識別出破碎種子和微小粒徑種子，相較于其他監測方式，有著更高的監測精度。但機器視覺監測受光線、振動等影響大，對環境要求較苛刻，對計算機處理算法和存儲容量要求高，結構復雜，一般僅用于實驗室環境下的排種監測。

2 漏播補種技術

盡管監測裝置能有效監測排種質量，但大田作業環境下難免發生漏播，當播種監測裝置監測到漏播發生，并將漏播情況反饋至補種系統，實現補種，能極大提高作物出苗一致性，保證產量。

Krihna等[24]從漏播監測算法上進行深度優化，研制了一種漏播監測與補種系統，提高了排種狀態監測的實時性和補種速度，實現排種器漏播后及時補種。Yamani等通過對種子排序編碼進行優化補種研究，當監測設備和控制器監測到漏播信號后，會有一粒新的編碼種子進行補種[25]，播種質量得到了顯著的提高。

國內針對漏播自補種和輔助補種進行了研究。漏播自補種采用排種器變加速方式實現補種。高速補種要求電動機具有快速、穩定的加速性能，但同時高速狀態下排種器的磨損和充種性能會有所下降。朱瑞祥等[26]設計了一種大籽粒漏播自補種裝置，通過激光傳感器進行漏播監測，當出現排種漏播時，啟動超越離合器超越旋轉實現補種，試驗表明，漏播自補種裝置平均補種率為92.98%。趙淑紅等[27]針對玉米勺式排種器出現漏播問題，設計了一種變速補種系統，該系統采用光電傳感器在偏離出種口20°位置進行提前監測，漏播發生時由步進電動機改變排種器轉速越過空種槽達到實時補種。張曉輝等[28]研制了基于單片機的播種機工況自動補播式控制系統，以AT89C51單片機為核心，編制系統控制程序，當監測到漏播時，啟動微型步進電機帶動排種器繼續排種完成補種，解決了小麥漏播和補種問題。

漏播輔助補種是在原播種機基礎上外加一個輔助的補種裝置[29]，包括增加副排種盤、副排種器或者設計新型的補種結構實現補種。輔助補種需合理設計補種裝置安裝位置，結合高精確的補種控制算法才能實現精準補種。李士軍等[30]采用主排種器和副排種器并排的方式，主排種器由地輪帶動，副排種器由步進電機帶動，在副排種器下方有一個擋種板，當光電傳感器監測到漏播時，中央處理器驅動步進電機控制副排種器轉動并帶動擋種板打開實現補種。

以播種監測為基礎的變量補種技術有效解決了田間漏播的發生，進一步保證了播種質量。目前國內多數是在已有排種裝置的基礎上，加裝一套補種裝置，兩套排種裝置相互獨立，造成排種裝置尺寸大、結構復雜，并且因種子下落路徑不同，存在補種位置滯后、準確性差的問題，距實際推廣應用仍有一段距離。

3 播深控制技術

播種深度影響出苗時間和出苗率，適宜的播種深度，種子可獲得較好的水分和養分條件，減少大小苗現象導致的株間競爭。播深控制可分為被動控制和主動控制。被動控制技術為通過人工手動調節仿形部件與開溝器之間的相對垂直距離來調節開溝深度，不能很好適應起伏地面；主動控制技術利用傳感器實時監測播種作業深度，對比目標值，當超過設定值時，利用電液控制系統控制開溝器下壓力實現播種深度一致性，控制精度高、響應速度快[31]。

Jia等設計一款自適應耕作深度監控系統，采用地表適應性擺臂和光學編碼器測量擺臂的旋轉，把測得的角度轉換為耕作深度[32]。Nielsen等開發的播深測量系統由直線位移傳感器與超聲波傳感器組成，分別測量播種單體相對播種機機架的位置和機架相對地面的高度，綜合得出播深，試驗誤差在3 mm以內[33]。國外播深控制技術起步較早，技術成熟，已應用于實際生產。John Deere公司通過在開溝器的側面加裝橡膠限深輪，利用被動控制技術控制開溝器開溝深度，實現播種深一致[32]。德國Horsch公司通過安裝在播種單體上的力傳感器實時獲取播種單體對地表的壓力，采用液壓裝置改變播種單體對地表的下壓力，達到調節播種深度的目的。

國內，黃東巖等[34]在播種單體限深輪的內壁上安裝壓電薄膜傳感器，通過測量胎面形變量監測播種單體下壓力變化，進而得到播深變化。試驗結果表明，作業速度大于8 km/h時，播深合格率明顯高于被動作用式播深控制裝置。蔡國華等[35]設計了一種基于ATmega128單片機的開溝深度自動控制系統室內試驗臺，將超聲波傳感器安裝在開溝器底部，通過測量計算傳感器與地面的高度來確定播深，試驗臺可模擬動、靜態響應試驗，系統穩定。趙金輝等[36]設計的播深控制系統采用液壓缸調節四連桿仿形機構，通過PLC控制器和脈寬調制技術控制電磁閥流量，實現開溝深度實時控制。李玉環等[37]設計了覆土—鎮壓聯動監控裝置，利用壓力傳感器，監測種子上層覆土和鎮壓情況，采用電推桿實時調節覆土量實現播深自動調控，結果表明該控制系統響應時間為0.58 s，當播種作業速度為3～8 km/h時，播深合格率高于90%。

目前，播深控制傳感器包括角度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器等。國外測量播深時往往是多個傳感器結合在一起使用，通過測量多個物理量綜合得出。國外發達國家已成功研發并且應用播深控制設備，可以實時地通過傳感器及液壓、氣壓系統測量并調節播種深度。當前國內對播深主動控制技術研究較多，但實際應用較少，播種機仍主要依靠機械彈簧和平行四桿機構進行被動仿形，播深主動控制技術、播深控制的精度和一致性需要更進一步深入研究。

4 存在問題

經過多年發展，我國播種監控在排種監測、漏播補種、播深控制方面取得了諸多成果，但受傳感器技術、控制算法技術、數據共享技術等限制，播種監控系統精準性、穩定性、可靠性還有待進一步提高，商品化應用較少。

4.1 傳感器精度不能滿足當前播種精準監測要求

傳感器是實現排種堵塞、重播、漏播、補種、播深控制等監測的重要工具。當前我國缺乏國產化高性能傳感器，難以為監控信息采集提供支撐，制約了播種機監控系統發展。表現在：一是播種機精準、高速播種趨勢下，對傳感器性能提出了更高要求，傳感器在對微小粒徑種子、高頻排種、播深主動監測準確性方面有待提高；二是傳感器受材料、結構限制，在復雜田間環境下易因信號干擾等檢測精度和穩定性能下降，且使用壽命不長；三是國外高精度傳感器成本較高，限制了播種監控系統推廣應用。

4.2 播種監控系統控制算法需進一步優化

控制技術是實現播種監控、智能作業的關鍵技術，漏播補種的準確性、播深控制的實時性都離不開控制算法。當前我國缺少播種信息與其他信息，如時間、空間信息融合的算法研究，控制器動態響應性能不佳，播種監控不能滿足智能化控制的要求。表現在：國外已廣泛應用電驅控制排種，我國仍以地輪驅動方式為主；國外播種機智能監控系統完備，高端播種機控制器實現變量作業控制，我國播種監控功能單一、適應性窄；國外已實現播深自動控制，我國播深調控多采用單一變量構建調控模型，穩定性差。

4.3 播種監控系統相關標準缺失

不同類型播種方式，播種指標不同，播種監測參數不同。一方面，目前國內播種監測裝置缺少行業標準指導，播種信息采集、監測指標等指向不明，規范性較弱；另一方面，農機監測傳感器接口、控制、顯示及信息傳輸等多源數據融合存在現場通信協議不統一，難以實現數據高效共享，因此目前國內市場上，應用播種監控系統相關成果的案例非常少。

5 發展趨勢

5.1 新型排種驅動控制技術應用，為變量播種提供支撐

排種器驅動方式會影響排種精度，國內播種機排種器多采用地輪驅動，具有一定的局限性。隨著農業生產對播種機高速作業需求的日益增長，電機、液壓馬達等新型排種器驅動控制技術逐漸成為發展趨勢。新型排種驅動通過電磁式轉速傳感器、開關型霍爾傳感器、GPS北斗導航系統等采集播種機作業速度，控制電機、液壓馬達等轉速，從而實現對排種器轉速的精確控制。通過開展傳感器技術創新和自主研發，研究適合國內作物和播種環境的高性能傳感器，打破國外傳感器技術壟斷，可為我國變量播種提供支撐。變量播種機是未來播種機發展的重要方向，新型排種驅動控制技術應用不僅提高排種精度，也為變量播種的實現提供可能。

5.2 多優勢學科技術融合，播種監控系統有望實現商品化

通過進一步開展播種機播種部件獨立控制技術，實現漏播補種準確；開展信號采集、圖像處理等播種質量監測算法研究，提高監測靈敏度；加快制定統一的播種監測信息采集標準，構建以堵塞、重播、漏播、播深等為基礎指標的監測體系，融合不同播種方式各自典型的播種監測指標作為信息采集標準，快速、科學對播種質量進行評估；建立監測、控制、顯示等多環節信息接入標準和資源共享機制，有線、無線信息傳輸手段相結合，保障信息傳輸和數據共享，實現播種監控系統功能多樣性。通過傳感器創新設計、控制算法優化、監控標準體系建立，多優勢學科技術融合發展，將有利推動播種監控系統產品研發應用。加上政府層面，培育監控系統研發企業，開展監控播種機補貼，降低使用成本，播種監控系統有望從實驗室走向田間，實現商品化應用。

5.3 新興技術應用，播種監控系統朝智能化方向發展

隨著播種監控與物聯網、導航定位、5G、自動控制等新興技術的融合，播種信息的遠程傳輸、云存儲及數據挖掘研究進一步開展，將播種監測采集的氣象信息、土壤特性等作為模型輸入，依據該模型決策出機具作業控制參數，實現控制機具變密度、變深度作業。播種監控系統將集合農機作業數據精準感知、智能決策、平臺智能管理及精準服務全環節，播種監控系統朝智能化方向發展。

6 結語

農業生產向集約化、規模化、高效能發展，要求播種機精量播種，精確的播量和穩定的播深控制是精量播種機重要發展方向。播種智能監控是實現精量播種的核心技術，它包括機具作業相關信息智能感知、精準控制以及作業決策與管理。雖然我國播種監控技術起步較晚，與國外還存在一定差距，但其具有巨大發展空間和發展意義，應進一步開展深入的研究。

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