基于壓電沖擊法的水稻穴直播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王金武 張 曌 王 菲 姜業(yè)明 周文琪

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提升，水稻穴直播種植方式逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。該種植方式可使植株結(jié)構(gòu)更加合理，與水稻插秧相比具有節(jié)本增效的優(yōu)點(diǎn)，是一種省工、省力、省時(shí)的高效水稻種植方式[1-3]。水稻穴直播機(jī)將經(jīng)催芽與包衣的稻種以多粒穴播方式播入田中，排種器作為水稻穴直播機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了機(jī)具的播種質(zhì)量。目前水稻穴直播機(jī)播種過程普遍處于封閉狀態(tài)，僅憑人的感觀無法直接監(jiān)測(cè)機(jī)具作業(yè)質(zhì)量[4-6]。若機(jī)具出現(xiàn)重播或漏播現(xiàn)象，則會(huì)造成植株通風(fēng)性差、成苗率低，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益[7-10]。因此，在滿足水稻穴直播作業(yè)條件下，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

目前國(guó)外對(duì)旱田播種監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究較多。法國(guó)庫恩NODET氣吸式播種機(jī)上的響鈴式排種故障報(bào)警器[11]，在發(fā)生故障時(shí)以敲擊鈴罩的方式不斷發(fā)出聲響，進(jìn)行報(bào)警；澳大利亞AEE公司為氣力播種機(jī)設(shè)計(jì)了一種報(bào)警器[12]，其利用紅外線傳感器監(jiān)控輸種管中種子的排量，當(dāng)輸種管停止輸種時(shí)，報(bào)警器立即進(jìn)行聲光報(bào)警。雖然國(guó)外播種機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)智能化程度及可靠性較高[13-17]，但監(jiān)測(cè)對(duì)象局限于旱田播種機(jī)，而對(duì)于水稻穴直播監(jiān)測(cè)技術(shù)研究較少。

隨著機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的迅速發(fā)展[18-20]，近年來，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)水稻穴直播監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了探索。崔紅光等[21]采用光電法設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的水稻穴直播機(jī)漏播監(jiān)測(cè)裝置，該裝置雖可在機(jī)具出現(xiàn)漏播時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但傳感器位于導(dǎo)種管下種口處，易受水田泥漿影響，造成下種口堵塞，影響直播作業(yè)，且該監(jiān)測(cè)裝置僅對(duì)穴距漏播進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并未對(duì)穴粒數(shù)漏播或重播現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[22]依托型孔輪式排種器設(shè)計(jì)了水稻穴直播機(jī)光電漏播檢測(cè)裝置，該裝置采用灌注方式固定在排種管上，有效保證了光電傳感器的光路傳播并防水防塵，但裝置在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)，減少了有效檢測(cè)區(qū)域面積，影響檢測(cè)準(zhǔn)確率。

針對(duì)上述問題，本文依托課題組所設(shè)計(jì)的彈射式耳勺型水稻穴直播排種器，在保證成穴播種的前提下，基于壓電沖擊法設(shè)計(jì)適應(yīng)水田環(huán)境的水稻穴直播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試與田間性能試驗(yàn)，以期改善水稻穴直播作業(yè)質(zhì)量。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 研究載體

彈射式耳勺型水稻穴直播排種器作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究載體，其具體工作原理見文獻(xiàn)[23]，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由容種箱、取種耳勺、擋桿、扭轉(zhuǎn)彈簧、柱銷、旋轉(zhuǎn)底座、導(dǎo)種管、柔性護(hù)種輥、輥?zhàn)⑤伡芎颓宸N毛刷等部件構(gòu)成，其工作過程可分為舀種、清種、護(hù)種和投種4個(gè)階段，本研究基于排種器投種階段，完成導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定PVDF壓電薄膜傳感器安裝部位，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化提供前期基礎(chǔ)。

圖1 彈射式耳勺型水稻穴直播排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of rebound dipper rice hill-direct-seeding metering device1.容種箱 2.取種耳勺 3.擋桿 4.扭轉(zhuǎn)彈簧 5.柱銷 6.旋轉(zhuǎn)底座 7.導(dǎo)種管 8.柔性護(hù)種輥 9.輥?zhàn)?10.輥架 11.清種毛刷 Ⅰ.舀種弧段 Ⅱ.清種弧段 Ⅲ.護(hù)種弧段 Ⅳ.投種弧段

1.2 結(jié)構(gòu)與工作原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括Arduino Uno開發(fā)板(內(nèi)含ATmega328P MCU控制器)、導(dǎo)種管(內(nèi)壁附著PVDF壓電薄膜傳感器)、電荷放大整形器、12 V直流電源、可調(diào)直流降壓穩(wěn)壓器、I/O傳感器擴(kuò)展板、紅藍(lán)LED報(bào)警燈、電磁式有源蜂鳴報(bào)警器、HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊和藍(lán)牙無線串口傳輸APP，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural diagram of monitoring system

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of monitoring system

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。由排種器工作原理可知，被彈射出取種耳勺的稻種具有一定的初速度，在重力的作用下沖擊貼附于導(dǎo)種管內(nèi)壁的PVDF壓電薄膜傳感器，PVDF壓電薄膜由于受到?jīng)_擊力而發(fā)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其上、下表面出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，從而生成電壓信號(hào)。信號(hào)經(jīng)放大整形電路進(jìn)行放大與整形處理，形成脈沖波，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器送入ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)，形成模擬量輸出。當(dāng)排種器發(fā)生漏播或重播故障時(shí)，PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào)大小或時(shí)間間隔超出理論閾值范圍，從而驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路工作進(jìn)行聲光報(bào)警，稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器后，沿著導(dǎo)種管內(nèi)壁下滑，成穴落至水田田面，完成直播作業(yè)。

1.3 導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證被彈射入導(dǎo)種管內(nèi)的稻種順利地沖擊到傳感器，使ATmega328P MCU控制器采集到模擬電壓信號(hào)，須對(duì)排種器投種過程進(jìn)行理論分析，尋求稻種被彈射出取種耳勺后的運(yùn)動(dòng)軌跡，確定導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高稻種對(duì)PVDF壓電薄膜傳感器的有效沖擊概率并保證稻種成穴播至田面。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，投種過程稻種下落模型可簡(jiǎn)化為平面斜下拋運(yùn)動(dòng)[24]。以取種耳勺內(nèi)水稻種群為研究對(duì)象，將種群視為統(tǒng)一質(zhì)點(diǎn)M，其質(zhì)心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別以種群水平運(yùn)動(dòng)方向和豎直運(yùn)動(dòng)相反方向?yàn)檎较?，建立XOY坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 投種過程稻種受力分析Fig.4 Stress analysis of rice seed in process of seed throwing

取種耳勺脫離柔性護(hù)種輥壓制作用，排種器進(jìn)入投種階段，在旋轉(zhuǎn)底座帶動(dòng)下取種耳勺繞柱銷快速旋轉(zhuǎn)并與擋桿碰撞，稻種被拋離出取種耳勺，則

(1)

式中ω1——柱銷相對(duì)底座轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

ω2——種群M相對(duì)柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

l1——柱銷相對(duì)底座等效回轉(zhuǎn)半徑，mm

l2——種群M相對(duì)柱銷等效回轉(zhuǎn)半徑，mm

vO′——柱銷相對(duì)底座轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，mm/s

vO″——種群M相對(duì)柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，mm/s

種群M被拋離出取種耳勺時(shí)的瞬時(shí)速度為柱銷相對(duì)旋轉(zhuǎn)底座中心轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度與稻種相對(duì)柱銷中心轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度的合速度，為簡(jiǎn)化分析，忽略空氣阻力影響以及種群M與取種耳勺舀種部?jī)?nèi)壁的摩擦，由余弦定理可得

(2)

式中vp——種群M被拋離出取種耳勺瞬時(shí)速度，mm/s

α——取種耳勺與擋桿接觸時(shí)，取種耳勺與旋轉(zhuǎn)底座安裝臂夾角，(°)

將式(1)代入式(2)，得

(3)

由于種群M被拋離出取種耳勺后做平面斜下拋運(yùn)動(dòng)，分析可得

x=vptcosθ

(4)

(5)

式中x——種群M在水平方向位移，mm

y——種群M在豎直方向位移，mm

θ——種群M被拋離出取種耳勺瞬時(shí)速度與水平方向夾角，(°)

t——種群M下落時(shí)間，s

g——重力加速度，9.8 m/s2

將式(3)代入式(4)，解得種群M下落時(shí)間為

(6)

將式(6)代入式(5)，整理得種群M的軌跡方程為

(7)

其中，由文獻(xiàn)[25]可知，l1=40 mm，l2=60 mm，α=36°。利用Matlab軟件編寫繪圖程序，改變參數(shù)ω1、ω2與θ的值，繪制不同工作轉(zhuǎn)速下水稻種群的投種軌跡，如圖5所示。

圖5 水稻種群投種軌跡示意圖Fig.5 Diagram of seed throwing trajectory of rice seeds

為滿足所設(shè)計(jì)導(dǎo)種管具有輔助監(jiān)測(cè)和導(dǎo)種成穴功能，結(jié)合水稻種群投種軌跡曲線形式，設(shè)計(jì)導(dǎo)種管由信號(hào)采集弧段和垂直導(dǎo)種段兩部分組成。為保證水稻種群與傳感器充分接觸并沿導(dǎo)種管內(nèi)壁成穴落至田面，需對(duì)導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)尺寸及傳感器安裝部位進(jìn)行確定。

由圖5可知，若將信息采集弧段設(shè)置在種群水平方向投種位移較小處，種群較為集中，有利于種群與傳感器充分接觸，但此時(shí)種群距離田面較高，致使種群接觸傳感器后下落時(shí)間增長(zhǎng)，種群籽粒易分散，導(dǎo)致成穴性差；若將信息采集弧段設(shè)置在種群水平方向投種位移較大處，可減少種群接觸傳感器后的下落時(shí)間，但此時(shí)種群的速度較大，其在導(dǎo)種管內(nèi)易反彈，造成傷種。綜合以上分析，確定導(dǎo)種管的水平長(zhǎng)度為132 mm，豎直高度為260 mm，弧段寬度為55 mm，下種口內(nèi)徑為20 mm，如圖6a所示。

圖6 PVDF壓電薄膜傳感器安裝示意圖Fig.6 Diagram of PVDF piezoelectric film sensor installation

由于PVDF壓電薄膜具有柔軟堅(jiān)韌與耐沖擊的特點(diǎn)，且不易受水影響，故采用兩片長(zhǎng)、寬和厚分別為75、25 mm和52 μm的PVDF壓電薄膜并列貼附于導(dǎo)種管信號(hào)采集弧段的內(nèi)壁作為傳感器，位置如圖6b所示。

2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)控制算法確定

由于水稻穴直播機(jī)是以多粒穴播的方式進(jìn)行播種作業(yè)，故其可能會(huì)發(fā)生兩種情況下的漏播或重播現(xiàn)象，即穴粒數(shù)重播、穴粒數(shù)漏播、穴距重播和穴距漏播。

2.1 穴粒數(shù)重播和穴粒數(shù)漏播監(jiān)測(cè)算法

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜作為信號(hào)采集傳感器，其晶體內(nèi)部的壓電效應(yīng)可將稻種沖擊傳感器的力學(xué)量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出。由于壓電薄膜符合機(jī)械自由、電學(xué)短路的邊界條件，故其滿足第一類壓電方程

D=d0σ+εTE0

(8)

式中D——電位移，C/m2

d0——壓電常數(shù)矩陣

σ——應(yīng)力，Pa

ε——介電常數(shù)矩陣

E0——電場(chǎng)強(qiáng)度，N/C

當(dāng)PVDF壓電薄膜作為傳感器時(shí)，其外界電場(chǎng)E0為0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的第一類壓電方程為

D=dijσ

(9)

式中下標(biāo)i表示產(chǎn)生極化電荷方向，即垂直于X、Y、Z軸的面法線方向，i=1、2、3；下標(biāo)j表示作用力方向，即沿X、Y、Z軸正應(yīng)力方向，j=1、2、3；垂直于X、Y、Z軸平面內(nèi)切應(yīng)力方向，j=4、5、6。

圖7 PVDF壓電薄膜極化示意圖Fig.7 Diagram of PVDF piezoelectric film polarization

對(duì)于PVDF壓電薄膜，極化方向?yàn)楹穸确较?，故切?yīng)力對(duì)應(yīng)的壓變系數(shù)為0。同時(shí)薄膜很薄，無法從側(cè)面引出電極，通常引出的是Z軸方向上的電荷，如圖7所示。此時(shí)壓電方程可簡(jiǎn)化為

Dz=d31σxx+d32σyy+d33σzz

(10)

式中Dz——垂直于Z軸表面的電位移，C/m2

d31、d32——極化方向與外力方向垂直的壓電常數(shù)，C/N

d33——極化方向與外力方向平行的壓電常數(shù)，C/N

σxx——沿X軸方向應(yīng)力，Pa

σyy——沿Y軸方向應(yīng)力，Pa

σzz——沿Z軸方向應(yīng)力，Pa

由于薄膜受力主要在厚度方向，故式(10)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

Dz=d33σzz

(11)

根據(jù)胡克定律可知，在材料的線彈性范圍內(nèi)有

σ=Eε

(12)

式中E——PVDF壓電薄膜彈性模量，Pa

ε——應(yīng)變

此時(shí)PVDF壓電傳感器的輸出電荷可表示為

Q=DzS=d33σzzS=d33EεS

(13)

式中Q——PVDF壓電薄膜輸出電荷，C

S——PVDF壓電薄膜表面積，m2

由于PVDF壓電薄膜具有平板電容器結(jié)構(gòu)[26]，可得

(14)

式中U——PVDF壓電薄膜輸出電壓，V

C——PVDF壓電薄膜電容，F(xiàn)

由式(14)可知，當(dāng)PVDF壓電薄膜表面積一定時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變成正比。但在實(shí)際工作過程中，由于壓電薄膜自身存在遲滯、蠕變等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關(guān)系。由于稻種與傳感器接觸為瞬時(shí)沖擊，故可將產(chǎn)生的沖擊力視為靜態(tài)力[27]。為保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性與可靠性，應(yīng)探究所選用PVDF壓電薄膜傳感器的靜態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)其輸出電壓與應(yīng)變的線性關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。通過在PVDF壓電薄膜表面添加不同質(zhì)量的砝碼，使之產(chǎn)生不同應(yīng)變，測(cè)出其在不同應(yīng)變下的輸出電壓。采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集最高輸出電壓和相應(yīng)應(yīng)變[28]，利用Excel軟件得到PVDF壓電薄膜靜態(tài)標(biāo)定曲線，如圖8所示。

圖8 PVDF壓電薄膜靜態(tài)標(biāo)定曲線Fig.8 Static calibration curve of PVDF piezoelectric film

由圖8可知，在靜態(tài)力作用下，PVDF壓電薄膜輸出電壓與應(yīng)變之間線性相關(guān)程度較高，且呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明所選用的PVDF壓電薄膜傳感器滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

為保證PVDF壓電薄膜傳感器采集信號(hào)的有效性及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，探究排種器高速作業(yè)條件下PVDF壓電薄膜傳感器與第M穴稻種沖擊后的穩(wěn)態(tài)恢復(fù)情況。取排種器最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大工作轉(zhuǎn)速n=35 r/min[29]，并使排種器轉(zhuǎn)動(dòng)一圈(對(duì)應(yīng)6穴稻種)，通過LabVIEW虛擬儀器輸出6穴稻種沖擊傳感器產(chǎn)生的模擬電壓隨時(shí)間變化的脈沖波形圖，如圖9所示。由圖9可知，相鄰兩脈沖之間無明顯干擾信號(hào)，表明PVDF壓電薄膜傳感器與第M穴稻種沖擊后可迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，可對(duì)第M+1穴稻種沖擊信號(hào)進(jìn)行有效采集，且所選用PVDF壓電薄膜傳感器頻率響應(yīng)寬，在10-5～109Hz范圍內(nèi)響應(yīng)平坦[30]，可以采集連續(xù)的沖擊信號(hào)。

圖9 6穴稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器輸出波形圖Fig.9 Output waveform of PVDF piezoelectric film sensor impacted by six hole rice seeds

由排種器工作原理可知，稻種對(duì)PVDF壓電薄膜傳感器的沖擊力與排種器工作轉(zhuǎn)速、沖擊傳感器的稻種粒數(shù)有關(guān)。為探究實(shí)際工況下稻種粒數(shù)對(duì)傳感器模擬電壓的影響，對(duì)相同工作轉(zhuǎn)速(10 r/min)下不同稻種粒數(shù)(1～10粒)沖擊PVDF壓電薄膜傳感器時(shí)產(chǎn)生的模擬電壓進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如圖10所示。

圖10 相同轉(zhuǎn)速下不同稻種粒數(shù)標(biāo)定曲線Fig.10 Calibration curve of different rice seed amounts at the same speed

由圖10可知，當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的模擬電壓與稻種粒數(shù)的數(shù)學(xué)模型呈單調(diào)遞增變化規(guī)律。根據(jù)水稻穴直播農(nóng)藝要求及機(jī)具實(shí)際作業(yè)情況，合格穴粒數(shù)為5～8粒之間的動(dòng)態(tài)值[31]，故對(duì)不同轉(zhuǎn)速下5～8粒稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的模擬電壓進(jìn)行極限閾值(Vmin和Vmax)選定，如圖11所示。

圖11 模擬電壓閾值選定Fig.11 Selection of analog voltage threshold

故可確定針對(duì)機(jī)具發(fā)生穴粒數(shù)重播和穴粒數(shù)漏播時(shí)的監(jiān)測(cè)算法為：ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)讀取每穴稻種沖擊傳感器產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào)Vi，并與各工況下預(yù)置的兩個(gè)極限閾值進(jìn)行比較判斷。若Vi>Vmax，則判定為穴粒數(shù)重播；若Vi

2.2 穴距重播和穴距漏播監(jiān)測(cè)算法

根據(jù)NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中穴播機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及實(shí)際播種作業(yè)對(duì)穴距和前進(jìn)速度的要求，得

(15)

v——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》可知，當(dāng)實(shí)際株距小于或等于0.5倍理論株距時(shí)為重播；實(shí)際株距大于1.5倍理論株距時(shí)為漏播，介于二者之間為合格，即

(16)

(17)

(18)

d——實(shí)際株距，m

將式(15)～(18)合并整理可得

(19)

(20)

(21)

為簡(jiǎn)化分析，將每穴稻種視為一個(gè)整體，忽略稻種沖擊傳感器后的下落時(shí)間，則機(jī)具在不同工況下作業(yè)的穴距為

di=Δtiv

(22)

式中di——實(shí)際穴距，m

Δti——不同工況下相鄰兩穴稻種實(shí)際下落時(shí)間間隔，s

將式(22)代入式(19)～(21)中整理得

(23)

(24)

(25)

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件以嵌入在Arduino Uno開發(fā)板上的ATmega328P MCU控制器為微處理器，外圍電路主要由穩(wěn)壓電源電路、信號(hào)采集電路、聲光報(bào)警電路和藍(lán)牙無線串口傳輸電路構(gòu)成。系統(tǒng)總電路圖如圖12所示。

3.1.1穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

采用12 V直流鋰電池作為系統(tǒng)供電電源，由于各模塊所需的工作電壓不同，故降壓芯片選用降壓型開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596S，先將12 V輸入電壓降至5 V，再通過低壓差電壓調(diào)節(jié)芯片LM1117-5獲得3.3 V的輸出電壓，以滿足各模塊對(duì)供電電壓的要求，電路圖如圖13所示。

3.1.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

如圖14所示，水稻種群沖擊PVDF壓電薄膜傳感器所產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào)通過電解電容與電阻組成的穩(wěn)壓旁路，形成穩(wěn)定的脈沖信號(hào)；放大整形電路采用雙運(yùn)算放大器LM358，脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)入ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)。放大整形電路設(shè)有變阻器，工作時(shí)可通過調(diào)節(jié)電阻值來抑制外部干擾信號(hào)，進(jìn)而提高監(jiān)測(cè)精度。

圖12 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總電路圖Fig.12 Schematic of monitoring system total circuit

圖13 穩(wěn)壓電源電路圖Fig.13 Schematic of stabilized voltage supply circuit

圖14 信號(hào)采集電路圖Fig.14 Schematic of signal acquisition circuit

3.1.3聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

機(jī)具在播種作業(yè)期間，若系統(tǒng)檢測(cè)到故障時(shí)，ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)通過輸出帶有間隔的高低電平驅(qū)動(dòng)紅、藍(lán)LED發(fā)光模塊閃爍；同時(shí)，通過脈沖寬度調(diào)制方式持續(xù)輸出占空比不同的PWM波，控制蜂鳴器工作，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，如圖15所示。

圖15 聲光報(bào)警電路圖Fig.15 Schematic of acousto-optic alarm circuit

3.1.4藍(lán)牙無線串口傳輸電路設(shè)計(jì)

采用HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊(內(nèi)嵌CSR BC417143藍(lán)牙芯片，波特率范圍為4 800～1 382 400 b/s，有效傳輸距離10 m，傳輸速率3 Mb/s)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線傳輸功能，內(nèi)置LDO集成低壓差線性穩(wěn)壓器，外接旁路電解電容和使能電路如圖16所示，可起到降壓穩(wěn)壓、負(fù)載短路保護(hù)與反接保護(hù)的作用。本系統(tǒng)通過AT指令將模塊設(shè)置在自動(dòng)連接工作模式下的從機(jī)模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖16 HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊電路圖Fig.16 Schematic of HC-05 embedded serial communication module circuit

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括Arduino Uno開發(fā)板程序編寫軟件與藍(lán)牙無線串口傳輸APP，通過編寫監(jiān)測(cè)控制程序及安卓應(yīng)用程序代碼，完成信號(hào)采集與數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)直播作業(yè)過程的實(shí)時(shí)無線監(jiān)測(cè)。

3.2.1Arduino Uno開發(fā)板軟件程序設(shè)計(jì)

在基于Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境下的Arduino IDE軟件上編寫Arduino程序代碼控制系統(tǒng)多路模塊電路，編譯并上傳至微控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模塊、相關(guān)寄存器和I/O口初始化設(shè)置以及傳感器數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，具有良好的可移植性和靈活的擴(kuò)展性。系統(tǒng)程序流程如圖17所示。

圖17 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序流程圖Fig.17 Flow chart of monitoring system program

3.2.2藍(lán)牙無線串口傳輸APP設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線傳輸，代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)端通信軟件作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示終端，需建立HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊與安卓手機(jī)間完整的通信路徑。易安卓開發(fā)平臺(tái)(E4A)是基于谷歌Simple語言的可視化開發(fā)環(huán)境下的編程工具，通過Basic語法編寫安卓應(yīng)用程序，代碼采用純中文編寫[32]。利用易安卓開發(fā)平臺(tái)自主設(shè)計(jì)開發(fā)適用于安卓系統(tǒng)的手機(jī)藍(lán)牙無線串口傳輸APP，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收并顯示由HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊所發(fā)射的ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)串口數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行相關(guān)操作。APP界面及程序代碼如圖18所示。

圖18 藍(lán)牙無線串口傳輸APP界面與程序代碼Fig.18 Bluetooth wireless serial port transmission APP interface and program code

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 靈敏度臺(tái)架測(cè)試

為探究不同排種器工作轉(zhuǎn)速下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度的變化規(guī)律，開展監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度臺(tái)架測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實(shí)驗(yàn)室；測(cè)試品種為龍慶稻3號(hào)，稻種需催芽至破胸露白，后經(jīng)晾曬至含水率為26.34%～29.62%；測(cè)試裝置為彈射式耳勺型水稻穴直播排種器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)和計(jì)算機(jī)等，如圖19所示。

圖19 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度臺(tái)架測(cè)試裝置Fig.19 Sensitivity bench test of monitoring system1.彈射式耳勺型水稻穴直播排種器 2.監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 3.計(jì)算機(jī) 4.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 5.安裝臺(tái)架

由前期預(yù)試驗(yàn)可知，當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速高于35 r/min時(shí)，排種合格率逐漸降低，無法滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度測(cè)試的要求，故取排種器工作轉(zhuǎn)速范圍為10～35 r/min(對(duì)應(yīng)機(jī)具前進(jìn)速度為0.54～1.89 km/h)，通過JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的計(jì)算機(jī)控制面板設(shè)置不同的排種器工作轉(zhuǎn)速，各工況下選取120穴作為被測(cè)對(duì)象，記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)次數(shù)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，所選取的120穴稻種的平均穴粒數(shù)在5～8粒動(dòng)態(tài)區(qū)間內(nèi)，符合水稻穴直播農(nóng)藝要求，在此條件下，各工況下系統(tǒng)靈敏度均不小于90.83%，表明穴粒數(shù)對(duì)系統(tǒng)靈敏度影響較小。通過臺(tái)架預(yù)試驗(yàn)可知，在適宜寒地水稻直播作業(yè)的合理含水率范圍內(nèi)(25%～30%)，稻種含水率對(duì)系統(tǒng)靈敏度無任何影響。綜合分析可知，該系統(tǒng)可對(duì)沖擊到PVDF壓電薄膜傳感器的稻種進(jìn)行信號(hào)采集，可靠性較高。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Sensitivity test results of monitoring system

4.2 田間試驗(yàn)

為探究所設(shè)計(jì)的水稻穴直播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作性能，于2018年5月7—10日在黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖20所示。

圖20 整機(jī)配置與田間試驗(yàn)Fig.20 Whole machine configuration and field experiment

由于Ⅰ擋速度較低，不符合實(shí)際田間作業(yè)要求，故田間試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定前進(jìn)速度分別為0.50、0.90、1.28、1.67 km/h。首先，對(duì)不同工況下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與臺(tái)架測(cè)試方法相同，在不同工況下分別選取120穴進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到當(dāng)工作轉(zhuǎn)速分別為10、18、26、34 r/min時(shí)，系統(tǒng)靈敏度分別為99.17%、95.83%、91.67%和90%，與臺(tái)架測(cè)試結(jié)果基本一致；在保證機(jī)具田間實(shí)際作業(yè)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度的前提下，進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作性能試驗(yàn)。在各工況下選取300穴作為被測(cè)目標(biāo)，統(tǒng)計(jì)經(jīng)藍(lán)牙串口模塊傳輸至手機(jī)APP上的模擬電壓、相鄰兩穴稻種下落時(shí)間間隔與故障判斷記錄等數(shù)據(jù)信息，得到并記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷的重播穴數(shù)和漏播穴數(shù)，并與人工統(tǒng)計(jì)的實(shí)際重播穴數(shù)和漏播穴數(shù)進(jìn)行對(duì)比，基于以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同工況下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作性能指標(biāo)結(jié)果，如表2所示。其中部分指標(biāo)的計(jì)算方式如下：漏播監(jiān)測(cè)精度為漏播報(bào)警穴數(shù)與漏播穴數(shù)的百分比；重播監(jiān)測(cè)精度為重播報(bào)警穴數(shù)與重播穴數(shù)的百分比；有效監(jiān)測(cè)精度為合格穴數(shù)、漏播報(bào)警穴數(shù)與重播報(bào)警穴數(shù)之和與應(yīng)播穴數(shù)的百分比；絕對(duì)誤差為應(yīng)播穴數(shù)、合格穴數(shù)的差值與漏播報(bào)警穴數(shù)、重播報(bào)警穴數(shù)之和的差值；相對(duì)誤差為絕對(duì)誤差與合格穴數(shù)、漏播報(bào)警穴數(shù)與重播報(bào)警穴數(shù)的百分比。

表2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)田間性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Field performance experiment results of monitoring system

為直觀地分析各工況下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作性能的變化規(guī)律，運(yùn)用Excel軟件對(duì)不同工況下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的漏播監(jiān)測(cè)精度、重播監(jiān)測(cè)精度和有效監(jiān)測(cè)精度的平均值進(jìn)行擬合，曲線如圖21所示。

圖21 監(jiān)測(cè)精度平均值與前進(jìn)速度關(guān)系曲線Fig.21 Relationship curves between mean monitoring rate and forward speed

由表2和圖21可知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重播監(jiān)測(cè)精度、漏播監(jiān)測(cè)精度及有效監(jiān)測(cè)精度平均值的最小值分別為81.79%、80.42%和97.67%，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)隨機(jī)具的前進(jìn)速度增大而降低，分析其原因?yàn)楫?dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速過高時(shí)，稻種被拋離出取種耳勺舀種部的瞬時(shí)速度與水平方向夾角θ增大，稻種水平位移減小，豎直位移增大，部分稻種無法沖擊到PVDF壓電薄膜傳感器，導(dǎo)致信號(hào)采集率降低，且系統(tǒng)靈敏度隨前進(jìn)速度增大而略有降低，但系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)精度仍大于95%，滿足水稻穴直播的監(jiān)測(cè)要求。

5 結(jié)論

(1)基于壓電沖擊法設(shè)計(jì)了水稻穴直播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，闡述了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)種群投種軌跡進(jìn)行了研究，確定了導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)及PVDF壓電薄膜傳感器的安裝部位。根據(jù)水稻多粒穴播實(shí)際作業(yè)情況下可能出現(xiàn)的4種播種故障，確定了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)各播種狀態(tài)的監(jiān)測(cè)算法。

(2)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體電路及外圍電路，編寫Arduino語言控制程序，并開發(fā)了藍(lán)牙無線串口傳輸APP，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程中數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、處理和無線傳輸。

(3)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)架靈敏度測(cè)試與田間性能試驗(yàn)。臺(tái)架測(cè)試結(jié)果表明，在不同工況下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度均達(dá)到90.83%及以上，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的有效采集。由田間試驗(yàn)得到實(shí)際作業(yè)過程中系統(tǒng)的重播監(jiān)測(cè)精度、漏播監(jiān)測(cè)精度及有效監(jiān)測(cè)精度平均值的最小值分別為81.79%、80.42%和97.67%，滿足水稻穴直播的監(jiān)測(cè)要求。