基于線陣傳感器的小麥播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

張咪

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000

播種機極大地提高了農(nóng)業(yè)播種的效率，但在實際操作過程中存在種子流動難以判斷的問題，如種子缺少、管道堵塞等，很難第一時間判斷出來，容易造成種子漏播，降低播種質(zhì)量[1]。播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)則能代替機手的直覺判斷，及時發(fā)現(xiàn)故障問題并給出聲光報警，具備較高的實踐推廣價值。傳感器是播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)的和諧部件，目前使用較多的是光電傳感器。隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的加快，播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)的研究受到諸多學(xué)者的關(guān)注。戈天劍等設(shè)計了一種氣吸式玉米播種機排種監(jiān)測系統(tǒng)，主要部件為紅外光電傳感器和嵌入式微處理器，利用無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，若有管道堵塞或種箱排空的故障出現(xiàn)，則會給出聲光報警及參數(shù)顯示，有效加強了單粒式播種的質(zhì)量[2]。趙立新等設(shè)計了一種基于變距光電傳感器的小麥精播施肥一體機監(jiān)測系統(tǒng)，主要控制模塊為PLC，利用變距光電傳感器對播種機的行走速度進行監(jiān)測，通過PLC 控制調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和傳感器值，并實時顯示在觸摸屏終端上，根據(jù)試驗結(jié)果，該系統(tǒng)能夠?qū)瘟Ｊ讲シN量誤差控制在2%以內(nèi)[3]。譙睿等針對三七播種機的漏播、重播等問題，設(shè)計了一種基于激光傳感器的三七播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)，落種信號檢測電路為加法電路，排種信號通過磁鐵片轉(zhuǎn)化為霍爾脈沖信號，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對于單粒式播種有著極高的漏播、重播故障檢測準確率[4]。從當前播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀看，應(yīng)用范圍主要是單粒式播種，即種子在管道中是一顆顆依次通過，而對于多粒式播種較難監(jiān)測。本文設(shè)計了一種基于線陣傳感器的小麥播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠監(jiān)測多粒式播種的復(fù)雜情況，進一步完善當前常用播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)的功能。

1 小麥播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

本系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。硬件殼體長200 mm，寬80 mm，高70 mm，以點光源作為發(fā)射端，波長為640 nm。監(jiān)測區(qū)域長50 mm，寬25 mm，高70 mm。發(fā)射端和接收端的凸透鏡焦距、直徑皆為50 mm，在發(fā)射端凸透鏡焦點上布置點光源，形成一束平行光，能夠照射不同的監(jiān)測位置。在接收端凸透鏡焦點上布置線陣傳感器，確保平行光束可以在線陣傳感器感光區(qū)域中匯聚。由于種子通過監(jiān)測區(qū)域的時候，會將一部分光線遮擋掉，以光強控制的輸出電壓出現(xiàn)變化，進而使得線陣傳感器的信號產(chǎn)生變化，系統(tǒng)軟件根據(jù)信號計量和監(jiān)測播種情況。此外，系統(tǒng)還可以根據(jù)種子量變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷是否存在種箱排空故障。

2 小麥播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制核心采用英銳恩公司生產(chǎn)的32 位單片機，型號為EN8P432，主要是通過時鐘信號和串行輸入信號對線陣傳感器進行控制，然后由監(jiān)測軟件讀取線陣傳感器輸出電壓數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的采集。監(jiān)測軟件的液晶顯示屏采用京東方生產(chǎn)的HT121X01-100 顯示屏，用以顯示小麥播量的實時信息。本系統(tǒng)的聲光報警模塊硬件由蜂鳴器和LED 燈組成，當系統(tǒng)監(jiān)測到播種機故障時，聲光報警模塊會及時發(fā)出預(yù)警，提醒機手進行故障的查找與排除（圖2）。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure

2.2 軟件設(shè)計與監(jiān)測算法

2.2.1 軟件設(shè)計EN8P432 單片機的工作模式為“定時中斷”，讀取線陣傳感器數(shù)據(jù)的間隔時間為1 ms，根據(jù)數(shù)據(jù)與初始基準值的比較結(jié)果：當某一位數(shù)據(jù)與基準值之差＞閾值，則系統(tǒng)會判斷該數(shù)據(jù)相應(yīng)光線有種子遮擋，該值在系統(tǒng)中計為“1”，反之則計為“0”。通過Visual Studio 對終端觀測軟件進行設(shè)計，系統(tǒng)觀測界面見圖3。EN8P432 單片機對采集到的線陣傳感器數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并將結(jié)果反饋給終端觀測軟件，在觀測軟件中根據(jù)時間序列進行顯示，主要是小麥種子通過線陣傳感器感知區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。圖3 中為單粒種子的通過圖像，考慮到小麥種子的多粒式播種，從終端觀測軟件中截取2 顆小麥種子同時通過線陣傳感器的圖像（圖4）。

圖3 系統(tǒng)觀測界面Fig.3 The interface of system observation

圖4 兩顆小麥種子的數(shù)據(jù)圖Fig.4 S Data map of two wheat seeds

從圖4 中可以看出，2 顆小麥種子的獨立區(qū)域較為明顯，方便種子計數(shù)和識別。圖3 與圖4 都有個別“0”出現(xiàn)在連續(xù)“1”中，數(shù)據(jù)連續(xù)性有所阻斷。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是小麥種子表明有少量的散射光產(chǎn)生，使得局部區(qū)域的亮度有所上升，導(dǎo)致光強的變化差值難以超過閾值，形成一定的干擾，這些因素應(yīng)在后續(xù)處理中去除。

2.2.2 監(jiān)測算法 根據(jù)小麥種子通過線陣傳感器的圖像數(shù)據(jù)，同時結(jié)合EN8P432 單片機的功能特性，對小麥種子的監(jiān)測算法進行設(shè)計，計算流程如下：EN8P432 單片機每1 ms 讀取一次數(shù)據(jù)，關(guān)閉中斷，對相關(guān)變量進行定義和初始化，采集線陣傳感器的數(shù)據(jù)并進行二值化，針對干擾因素進行數(shù)據(jù)濾波，從左到右以此對每一個像素點進行掃描，記錄下連續(xù)“1”的所有區(qū)域，將這些區(qū)域與上一行數(shù)據(jù)的對應(yīng)區(qū)域進行對比，判斷兩類數(shù)據(jù)是否連通，如果連通則判斷為同一顆種子，如果不連通則種子數(shù)量加1，對當前的數(shù)據(jù)進行保存，結(jié)束流程。

由于干擾因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)連續(xù)性阻斷，因此設(shè)計了數(shù)據(jù)濾波算法：對每位數(shù)據(jù)掃描，若某一位數(shù)據(jù)為“0”，而前后的數(shù)據(jù)都是“1”，則將該數(shù)據(jù)改成“1”，以確?！?”區(qū)域數(shù)據(jù)的連續(xù)性。種子計數(shù)算法：設(shè)每個數(shù)據(jù)左、右、上方都連通的區(qū)域記為一顆種子，若不連通則判斷另一塊區(qū)域為新的種子。

3 監(jiān)測試驗

3.1 試驗臺搭建

試驗臺使用鋁型板材制作，試驗電機為24 v 直流減速電機，為播種機的連接軸提供所需動力，連接軸的轉(zhuǎn)速由數(shù)字轉(zhuǎn)速表測量與顯示。監(jiān)測系統(tǒng)裝置安裝在播種機的正下方，連接播種管道。因為本系統(tǒng)每1ms 掃描一次，如果小麥種子通過的速度過快，則可能會有漏檢的情況出現(xiàn)，所以要對播種機和監(jiān)測系統(tǒng)裝置垂直的距離進行限制，確保小麥種子落下速度比系統(tǒng)設(shè)置的最高監(jiān)測速度低。

3.2 單粒種子的監(jiān)測試驗

選用中熟型濟麥22 號小麥種子，每千粒的重量平均為11.23 g，種子含水率約為10%，小麥種子的體積在23 mm3～30 mm3之間。使用機投方式試驗單粒播種，投放的高度為160 mm，每一次播種的數(shù)量為300 粒，前后重復(fù)4 次，對本系統(tǒng)監(jiān)測到的播種數(shù)量進行記錄。根據(jù)試驗結(jié)果，系統(tǒng)對4 次操作監(jiān)測到的播種數(shù)量都是300 粒，監(jiān)測準確度達到了100%。

3.3 種子播量的監(jiān)測試驗

首先進行種子播量的計數(shù)監(jiān)測試驗。按照小麥播種機的轉(zhuǎn)速范圍規(guī)范[5]，本次試驗采用的轉(zhuǎn)速分別為20 r/min、30 r/min、40 r/min。將2000 粒中熟型濟麥22 號小麥種子放進播種機，每一次試驗都排盡播種機中的小麥種子，每一種轉(zhuǎn)速都反復(fù)試驗10 次，得出監(jiān)測系統(tǒng)的計數(shù)結(jié)果：20 r/min 轉(zhuǎn)速下平均為1966 粒，準確度98.30%；30 r/min 轉(zhuǎn)速下平均為1957 粒，準確度97.85%；40 r/min 轉(zhuǎn)速下平均為1942 粒，準確度97.10%。從計數(shù)監(jiān)測結(jié)果可以看出，當轉(zhuǎn)速上升時，準確度呈下降趨勢，但下降幅度不大。

其次進行連續(xù)播種條件下的準確度試驗。轉(zhuǎn)速20 r/min 時試驗10 min；轉(zhuǎn)速30 r/min 時試驗20min；轉(zhuǎn)速40 r/min 時試驗30 min。監(jiān)測結(jié)果如表1 所示。

表1 連續(xù)播種條件下的準確度統(tǒng)計Table 1 Accuracy statistics under the condition of continuous seeding

從表1 的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在連續(xù)播種條件下，不同轉(zhuǎn)速的準確度皆＞97%，且隨著時間的增加，準確度也有所提高。

3.4 故障報警試驗

在播種軸的轉(zhuǎn)速為20 r/min 時，當系統(tǒng)運行穩(wěn)定之后，將種子全部排空并讓播種機繼續(xù)工作，觀察系統(tǒng)能否發(fā)出排空報警。然后堵上監(jiān)測系統(tǒng)裝置與播種機的連接口，啟動電機，觀察系統(tǒng)能否發(fā)出堵塞報警。兩種故障報警均試驗10 次，結(jié)果每次都能發(fā)出正常的聲光報警。

4 結(jié)論

基于線陣傳感器的小麥播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)，相對于目前常用的小麥播種機播量監(jiān)測系統(tǒng)來說，既能實現(xiàn)單粒式播種監(jiān)測，也能實現(xiàn)多粒式播種監(jiān)測。根據(jù)試驗結(jié)果：當單粒播種的投放高度為160 mm 時，本系統(tǒng)的監(jiān)測準確率達到了100%；將轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min、30 r/min、40 r/min 時，種子播量的監(jiān)測準確度都超過了97%，但是轉(zhuǎn)速上升時，準確度有所下降，其中在轉(zhuǎn)速為20 r/min 的時候，準確度最高；在連續(xù)播種條件下，不同轉(zhuǎn)速的準確度都超過了97%，且隨著時間的增加，準確度有所提高。在故障報警方面，每次試驗都能發(fā)出正常的聲光報警。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)與小麥播種機的結(jié)合，能夠有效監(jiān)測出小麥播種量，有較大的推廣價值。