玉米精量播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊長(zhǎng)江，孟志軍,，梅鶴波，羅長(zhǎng)海，董建軍，付衛(wèi)強(qiáng)

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

0 引言

精播技術(shù)以其省種和增產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)在玉米種植過(guò)程中廣泛應(yīng)用。播種作業(yè)過(guò)程全封閉是玉米精播機(jī)的特點(diǎn)之一，但在農(nóng)田復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下，很容易出現(xiàn)導(dǎo)種管堵塞、地輪排種軸機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)故障及種箱排空造成的漏播現(xiàn)象，嚴(yán)重影響播種質(zhì)量[1]。為避免這些情況發(fā)生，需在機(jī)車(chē)后方專門(mén)分配人員對(duì)玉米精播機(jī)工作狀況和作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)播種機(jī)作業(yè)故障。這樣不僅工作量大，工作效率低，且監(jiān)測(cè)結(jié)果缺乏實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，加之傳統(tǒng)播種監(jiān)控系統(tǒng)只具有本地監(jiān)測(cè)功能，作業(yè)數(shù)據(jù)利用率低[2]。因此，在玉米精播機(jī)上配備性能可靠的作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玉米精播機(jī)工作參數(shù)和作業(yè)質(zhì)量的本地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程評(píng)估，可有效減少由于漏播造成的糧食經(jīng)濟(jì)損失[3]，提高數(shù)據(jù)利用率。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于播種質(zhì)量的監(jiān)測(cè)方式主要有電容式[4-5]、壓電式[6-7]及光電式[8-11]等幾種方式。其中，光電式監(jiān)測(cè)方式因其在響應(yīng)速度、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和性價(jià)比等方面的優(yōu)勢(shì)，一直在播種監(jiān)測(cè)方式中占有主要地位。光電式傳感器中，以對(duì)射式最為普遍，即在導(dǎo)種管管壁上開(kāi)孔，將光電傳感器的發(fā)射與接收探頭分別安裝在導(dǎo)種管兩側(cè)形成對(duì)射，種子下落時(shí)對(duì)光 線產(chǎn)生遮擋，獲得種子下落信號(hào)[12]。這種方式監(jiān)測(cè)性能可靠，但同時(shí)破壞了導(dǎo)種管的固有結(jié)構(gòu)，可能造成改變種子正常下落軌跡和著床位置偏移等問(wèn)題，影響播種效果，且對(duì)射傳感器需光路對(duì)齊，否則監(jiān)測(cè)效果不佳。

基于光電傳感器監(jiān)測(cè)的高可靠性，本文針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方式存在的缺點(diǎn)，以反射式光電傳感器為播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段，設(shè)計(jì)了玉米精量播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種質(zhì)量與漏播故障診斷。

1 系統(tǒng)整體方案

玉米精量播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由單片機(jī)總控制模塊、機(jī)具狀態(tài)傳感器、衛(wèi)星定位模塊、播種單體監(jiān)測(cè)子模塊、排種管監(jiān)測(cè)傳感器、地輪與排種軸轉(zhuǎn)速傳感器、種箱料位傳感器、故障報(bào)警模塊、人機(jī)交互模塊、GPRS DTU模塊及遠(yuǎn)程服務(wù)器等組成。

該系統(tǒng)主要對(duì)玉米精播機(jī)的播種量、播種速度、播種面積、地輪轉(zhuǎn)速、排種軸轉(zhuǎn)速、種箱料位、機(jī)具升降狀態(tài)及作業(yè)位置等指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[13]，并根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析精播機(jī)漏播故障原因，協(xié)助駕駛員排除故障，且可實(shí)現(xiàn)作業(yè)玉米精播機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管，數(shù)據(jù)及時(shí)可靠。

排種管監(jiān)測(cè)傳感器采用反射式光電傳感器原理，種子下落信號(hào)以脈沖形式傳出；轉(zhuǎn)速傳感器選用霍爾傳感器，分別安裝在玉米精播機(jī)地輪和排種軸上，將轉(zhuǎn)速以脈沖形式傳出；種箱料位傳感器采用光電測(cè)距原理，置于種箱頂部，當(dāng)料位低于臨界值時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)；機(jī)具狀態(tài)傳感器采用傾角傳感器，安裝在動(dòng)力機(jī)械下拉桿上，通過(guò)下拉桿的升降姿態(tài)判斷玉米精播機(jī)是否處于作業(yè)狀態(tài)。各傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)播種單體子監(jiān)測(cè)模塊處理后，上傳至總控制模塊進(jìn)行故障識(shí)別與診斷，并通過(guò)人機(jī)交互模塊顯示，供駕駛員查看，同時(shí)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，提供作業(yè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看管理。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System design block diagram

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以玉米排種單體為單位分設(shè)子模塊，用于采集該單體的傳感器數(shù)據(jù)。并進(jìn)行簡(jiǎn)單處理分析，故障報(bào)警與漏播故障診斷由單片機(jī)總控制模塊完成處理。其中，故障診斷所需的理論種距、地輪直徑、排種盤(pán)每周排種數(shù)等相關(guān)參數(shù)設(shè)置，可通過(guò)人機(jī)交互控制面板輸入實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)總控制模塊處理核心選用的是STM32F407ZGT6芯片，芯片內(nèi)設(shè)總線矩陣，即使在多個(gè)高速外設(shè)同時(shí)運(yùn)行期間，系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)訪問(wèn)和高效運(yùn)行，主頻高達(dá)168MHz，更有多達(dá)140個(gè)具有中斷功能的I/O端口，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

依據(jù)系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能及相應(yīng)硬件原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路。系統(tǒng)電路由單片機(jī)、I/O接口、故障報(bào)警模塊、人機(jī)交互模塊、GPRS DTU模塊、排種管監(jiān)測(cè)模塊及相應(yīng)的調(diào)整電路等組成。采集4路相應(yīng)的精播機(jī)作業(yè)狀態(tài)信號(hào)與播種機(jī)位置信息，即衛(wèi)星定位信號(hào)、機(jī)具狀態(tài)信號(hào)、排種軸轉(zhuǎn)速信號(hào)、地輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、種箱料位信號(hào)和排種管排種狀態(tài)信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米精播機(jī)的作業(yè)速度、作業(yè)面積、播種量、漏播率及故障診斷信息等數(shù)據(jù)的計(jì)算和監(jiān)測(cè)功能。

2.2 排種管監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

排種管監(jiān)測(cè)傳感器采用反射式光電傳感器原理設(shè)計(jì)。由于玉米種子顆粒較小，且在播種過(guò)程中屬于高速移動(dòng)狀態(tài)，在排種管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡也具有隨機(jī)性，因此所使用的傳感器必須實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)監(jiān)測(cè)。為此，設(shè)計(jì)了如下排種管監(jiān)測(cè)傳感器電路與封裝方式。該傳感器采用3個(gè)廣角120°的草帽型紅外發(fā)射管作為發(fā)射端，紅外線經(jīng)排種管內(nèi)壁反復(fù)漫反射，可保證“紅外光場(chǎng)”完全覆蓋排種管內(nèi)部，同時(shí)在發(fā)射管下方并行設(shè)置3個(gè)接收管，以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。傳感器工作結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，監(jiān)測(cè)電路原理圖如圖3所示。

當(dāng)種子下落時(shí)，改變排種管內(nèi)原有的“光場(chǎng)”環(huán)境，并聯(lián)的3個(gè)接收管電壓改變，信號(hào)經(jīng)運(yùn)放處理后，輸出種子下落脈沖信號(hào)；有種子下落時(shí)輸出低電平，無(wú)種子下落時(shí)輸出高電平。

1.排種器 2.排種管 3.管箍 4.傳感器 5.玉米種子 6. 光電接收管 7光電發(fā)射管

圖3 光電傳感器監(jiān)測(cè)電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring circuit of photoelectric sensors

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能及對(duì)精播機(jī)工況基礎(chǔ)信息的采集要求，系統(tǒng)軟件需要為單片機(jī)內(nèi)嵌監(jiān)控及故障評(píng)估軟件，使用C語(yǔ)言編程，即完成作業(yè)速度、作業(yè)面積、播種量及漏播率等信息的采集計(jì)算和漏播故障原因的診斷評(píng)估。

3.1 排種漏播判定程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)漏播的判定標(biāo)準(zhǔn)是凡種子實(shí)際粒距大于1.5倍理論粒距即為漏播[14]。在計(jì)算時(shí)，理論粒距等于機(jī)車(chē)行進(jìn)速度(Vt)與排種管傳感器檢測(cè)到兩粒種子下落信號(hào)理論間隔時(shí)間(t0)的乘積；實(shí)際粒距則等于機(jī)車(chē)行進(jìn)速度(Vt)與實(shí)際種子間隔時(shí)間(t0)乘積，因此粒距關(guān)系可以等效為下落脈沖信號(hào)間隔時(shí)間的關(guān)系。

3.2 漏播故障診斷模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)漏播故障診斷評(píng)估條件由地輪轉(zhuǎn)速、衛(wèi)星定位速度、排種軸轉(zhuǎn)速、機(jī)具狀態(tài)和排種管排種狀態(tài)等多項(xiàng)狀態(tài)綜合判定，程序流程圖如圖5所示。設(shè)置機(jī)具狀態(tài)為傾角傳感器的作業(yè)“0”位置參考面，該參考面是指動(dòng)力機(jī)車(chē)和精播機(jī)正常安裝連接并置于同一水平面時(shí)下拉桿與水平面之間的夾角平面。

機(jī)車(chē)行駛速度的判定方式是由衛(wèi)星定位速度與地輪速度綜合判定，有效減小了由于衛(wèi)星定位漂移或地輪打滑造成的速度誤判。

作業(yè)開(kāi)始時(shí)，駕駛員根據(jù)當(dāng)前土地軟硬程度和自身可容忍漏播程度或相對(duì)滑移率，預(yù)設(shè)排種軸、地輪與機(jī)車(chē)作業(yè)速度的相對(duì)值上下限，則相對(duì)滑移率為

式中δ—地輪相對(duì)滑移率(%)；

S—地輪行走過(guò)的實(shí)際距離(m)；

R—地輪半徑(m)；

n—傳動(dòng)輪在行程S內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)置了排種軸、地輪與行走速度相對(duì)值的上限和下限，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過(guò)限值時(shí)觸發(fā)報(bào)警；當(dāng)種箱料位低于下限值時(shí)觸發(fā)報(bào)警；當(dāng)機(jī)具狀態(tài)為空閑，排種軸存在轉(zhuǎn)速或排種管監(jiān)測(cè)到仍有種子落下時(shí)，觸發(fā)報(bào)警；播種狀態(tài)下排種管空管或堵塞時(shí)觸發(fā)報(bào)警。系統(tǒng)可在任意報(bào)警情況下進(jìn)行故障分析，并通過(guò)屏幕顯示故障診斷結(jié)果；系統(tǒng)采集到的所有數(shù)據(jù)均可通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看，信息及時(shí)可靠。

3.3 人機(jī)交互控制面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)人機(jī)交互功能采用ALIENTEK的4.3寸TFTLCD模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊顯示屏分辨率為800×480，且自帶驅(qū)動(dòng)，最高刷屏速度可達(dá)78.9幀/s，支持多點(diǎn)觸摸，堅(jiān)固耐用。系統(tǒng)在首次上電時(shí)進(jìn)行固件掃描，確認(rèn)傳感器是否正常連接完畢，已連接行顯示綠色，未連接行顯示紅色；當(dāng)工作中某行出現(xiàn)故障，則該行背景紅綠閃爍。

系統(tǒng)采用基礎(chǔ)參數(shù)開(kāi)放式設(shè)計(jì)，需人工進(jìn)行參數(shù)錄入，主要參數(shù)包括滑移率、理論株距、行距、地輪直徑、排種器每周排種粒數(shù)及機(jī)具狀態(tài)“0”參考面設(shè)置，同時(shí)在主界面上需顯示作業(yè)基礎(chǔ)信息供作業(yè)人員實(shí)時(shí)查看。界面如圖6所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

圖5 漏播故障診斷模塊流程圖Fig.5 Flow chart of fault diagnosis module

4 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證該玉米精量播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控效果及可靠性，搭建完成了以玉米精播機(jī)排種單元為核心、多個(gè)輔助單元協(xié)同工作的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。采用可控電機(jī)模擬地輪，通過(guò)鏈條連接排種器，為排種器提供排種動(dòng)力；采用可控電機(jī)帶動(dòng)傳送帶，模擬播種作業(yè)時(shí)地面與播種機(jī)間的相對(duì)位移；采用一端穿釘固定整體姿態(tài)可調(diào)的鋼條模擬動(dòng)力機(jī)械下拉桿；采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的5檔12勺的勺輪式排種器和先玉335玉米種子進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)包括排種監(jiān)測(cè)精度實(shí)驗(yàn)和故障診斷試驗(yàn)，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 排種量監(jiān)測(cè)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of flow ratem on itor

表2 重播監(jiān)測(cè)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of flow ratem on itor

4.1 排種監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)

排種監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)分兩部分進(jìn)行：首先進(jìn)行排種量準(zhǔn)確性試驗(yàn)，采用人工單粒投種，檢測(cè)該系統(tǒng)對(duì)種子的識(shí)別性能及排種量的計(jì)算準(zhǔn)確性；其次進(jìn)行重播監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性試驗(yàn)。設(shè)置系統(tǒng)的作業(yè)速度為0.9km/h，采用人工投種方式，控制種子投放時(shí)間，模擬重播現(xiàn)象，檢測(cè)系統(tǒng)的重播監(jiān)測(cè)精度。

重播可分為兩種形式的重播：一是單子落種間隔小于0.5倍理論時(shí)間間隔，二是“雙子同落式”重播，即兩粒種子同時(shí)下落。表2中，前3組為第1種重播方式下試驗(yàn)結(jié)果，后3組為第2種重播方式下試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 故障診斷系統(tǒng)試驗(yàn)

通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)上各故障診斷傳感器的狀態(tài)，或使用脈沖發(fā)生器人工制造模擬作業(yè)故障，查看系統(tǒng)的故障診斷精度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 故障診斷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of fault diagnosis system

試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)對(duì)單粒玉米種子的監(jiān)測(cè)精度達(dá)98.8%，性能可靠。系統(tǒng)存在的不足主要是對(duì)于“雙子同落式”重播的判斷準(zhǔn)確率較低，即在垂直方向無(wú)先后的兩粒種子，主要原因是光電傳感器不能區(qū)分同時(shí)經(jīng)過(guò)光區(qū)的兩粒種子，因此準(zhǔn)確率不高。在實(shí)際作業(yè)中，種子由排種器排出后，會(huì)與排種管內(nèi)壁發(fā)生碰撞，出現(xiàn)兩粒種子同時(shí)經(jīng)過(guò)傳感器光區(qū)的情況較少，具有較高的實(shí)用性。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了玉米精量播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用反射式光電傳感器作為排種監(jiān)測(cè)手段，彌補(bǔ)了對(duì)射式光電傳感器的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米精播機(jī)播種過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及漏播故障診斷報(bào)警功能。

2)試驗(yàn)測(cè)試表明：系統(tǒng)對(duì)玉米種子識(shí)別度高，故障報(bào)警診斷準(zhǔn)確率97.5%，性能可靠，具有較高的實(shí)用性。