氣力油菜精量排種器漏播檢測系統(tǒng)的設計

李 明，丁幼春，廖慶喜，王雪玲

（1.中南民族大學 計算機科學學院，武漢 430074；2華中農(nóng)業(yè)大學 工學院，武漢 430070）

油菜精量播種技術是以種植密度為前提[1-5]，以播種定量為基礎，將油菜作物植株分布均勻在種床位置，以實現(xiàn)提高通風透光性、充分利用種子光、水、肥、氣，達到高產(chǎn)高量的目的[6-8]。本研究氣力式油菜精量排種器采用正負氣壓組合原理實現(xiàn)吸種、攜種、投種等排種過程，并基于該排種器研制的2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機集開溝、旋耕、精量播種、覆土等作業(yè)一體化[9-10]，具有穩(wěn)定的播深、不傷種子、成苗率高等優(yōu)勢[11-14]。而漏播是衡量排種器質量與性能的重要指標之一，漏播將直接影響后期田間補苗、增加后期田間管理難度。因此，排種器漏播檢測系統(tǒng)對排種器結構優(yōu)化及工作參數(shù)選定提供理論依據(jù)。

目前排種器漏播檢測方法局限在試驗臺上，主要有人工測量[15-16]、光電檢測[17-18]以及計算機視覺[19-20]等方法。在工作環(huán)境下排種器實時漏播檢測除了具有代表性美國John deer公司[21-22]研制了一款配用Seedstar XP系統(tǒng)監(jiān)控臺且可同時進行播種12行大型DR12播種機，可提供播種過程信息，如漏播指數(shù)、播種行數(shù)、株距、播種深度等。目前存在小粒徑引起排種器實時漏播檢測難的問題[23-24]，因此研制一種集漏播檢測與報警于一體的實時漏播檢測系統(tǒng)勢在必行。本研究在前期提出了一種排種頻率檢測方法的基礎上[11]，設計了一種基于排種間隔時間的漏播檢測系統(tǒng)。排種時間間隔法主要考察油菜籽單體之間時間閾值，對油菜籽單體進行實時跟蹤。有利于及時跟蹤與檢測排種器油菜籽單體播種情況，其研究對排種性能檢測提供理論依據(jù)。

1 漏播檢測系統(tǒng)總體結構及工作原理

漏播檢測系統(tǒng)由單片機檢測系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)組成。傳感器系統(tǒng)與單片機檢測系統(tǒng)采用航空插頭進行連接，航空插頭統(tǒng)一采用四芯插針形式，將一號插針接至正電源，二號插針接至地線，三號插針接至信號端。該單片機檢測系統(tǒng)的核心芯片為MSP430f149單片機，其系統(tǒng)還包括時鐘電路、充電模塊、電壓轉換模塊、LCD顯示模塊、信號采集電路及按鍵電路等，結構示意圖如圖1。當漏播檢測系統(tǒng)工作時，排種器由電機帶動鏈輪驅動排種，采用光纖傳感器及霍爾傳感器分別采集精量排種器導種口處排出種子信號和排種盤齒數(shù)感應脈沖信號，并同時接入單片機檢測系統(tǒng)的中斷接口，單片機檢測系統(tǒng)通過預先植入的漏播檢測程序判定檢測漏播，實現(xiàn)排種結果顯示與漏播報警。

2 單片機檢測系統(tǒng)硬件設計與分析

2.1 MSP430f149單片機系統(tǒng)

本研究所提出的漏播檢測算法采用的排種間隔時間算法來實現(xiàn)漏播檢測，故選擇同時具有時間捕捉中斷及計頻功能的MSP430f149單片機，該單片機擁有64k Flash ROM與2k RAM的內存存儲空間，其存儲量大，且低電壓、超低功耗，可滿足程序及數(shù)據(jù)的需求。

2.2 電壓轉換模塊

傳感器系統(tǒng)由型號12V7A直流電池供電，而MSP430f149單片機為5V供電，故采用LM2596集成運算放大器組成的信號處理電路對電壓進行變換，電壓放大倍數(shù)設計為Auf=Uo/Ui=0.42，電路圖如圖2。

2.3 充電模塊電路

本系統(tǒng)可實現(xiàn)單獨充電模式，將交流電220V電壓轉為直流電12V。為保護本系統(tǒng)正常充電，防止反接引起電路燒毀現(xiàn)象，故設計充電模塊電路，采用繼電器與二極管相組合電路，實現(xiàn)充電反接保護（圖3）。當正常充電時，二極管亮，處于通電狀態(tài)；當反接充電時，二極管不亮，處于斷電狀態(tài)，起著保護電路的作用。

圖1 單片機檢測系統(tǒng)硬件結構框圖Figure 1 Hardware structure block diagram for single-chip computer detection system

圖2 電壓轉換電路圖Figure 2 Voltage conversion circuit diagram

2.4 信號采集電路

按鍵開關、傳感器系統(tǒng)、單片機輸出信號均是低電平高阻態(tài)組成，故對按鍵開關、傳感器系統(tǒng)及指示燈采用上拉電阻。采集信號在高阻態(tài)輸入時，信號接收端口處于高電平，有利于單片機識別信號。電路圖如圖4。

2.5 LCD顯示電路及控制按鍵電路

本研究采用LCD1602型背光液晶顯示器，其特點為16×2行字符，5×8點的字符點陣，驅動方式為1/16D。該單片機檢測系統(tǒng)設置4個預設按鍵，包括 “參數(shù)設定”、“上翻”、“下翻”及“開始檢測”。當系統(tǒng)啟動時，可以通過按下“參數(shù)設定”按鍵可對系統(tǒng)進行切換設置排種盤齒數(shù)與排種率下限報警值?！吧戏迸c“下翻”按鍵用來調節(jié)排種盤齒數(shù)或排種率下限報警值大小。通過“開始檢測”按鍵選擇，可啟動單片機檢測系統(tǒng)開始檢測漏播程序。

2.6 封裝方式

全部擴展電路利用銅柱層疊以節(jié)省空間，并與MSP430f149單片機、電池等裝入防水盒封裝。接口采用航空插頭，按鍵采用點控按鍵，報警燈材料選用發(fā)光二極管，以提高該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、美觀性及適應性。

圖3 充電模塊電路圖Figure 3 Charging module circuit diagram

圖4 信號采集電路圖Figure 4 Signal acquisition circuit diagram

3 單片機檢測系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序流程

本軟件重點在于構建漏播檢測算法，實現(xiàn)排種器的漏播檢測和報警。采用C語言編寫，主要功能包括結果顯示、采集信號、人機界面（鍵盤按鈕等）。單片機檢測系統(tǒng)啟動后，先對系統(tǒng)進行計頻中斷與定時器中斷初始化、LED顯示初始化等。將檢測系統(tǒng)先切換至“參數(shù)設定”模式，結合排種器排種盤齒數(shù)及農(nóng)藝農(nóng)機要求，對排種盤齒數(shù)及排種率下限報警值大小進行設定。按下“開始檢測”按鍵，采用時間捕捉中斷程序測量周期內排種間隔時間，通過比較排種間隔時間大小，獲得周期內排種最大間隔時間，統(tǒng)計排種個數(shù)。結合排種盤齒數(shù)（型孔），通過漏播檢測算法實時獲得排種率與斷條比率，在此定義排種率為實際排種個數(shù)n1與理論排種個數(shù)n3（單位排種盤齒數(shù)）之比，即F=n1/n3；斷條比率為連續(xù)漏播個數(shù)n2（n＞2）與理論排種個數(shù)n3之比，即D=n2/n3。

（1）信號輸入與中斷處理。傳動軸上均勻分布一定數(shù)量磁鋼（與排種盤型孔數(shù)一致），采用霍爾傳感器感應發(fā)出低電平脈沖信號，通過LM393比較器進行信號整形，利用msp430單片機計頻中斷子程序采集轉速脈沖信號。光纖傳感器安置在排種器排種口處，排種器在工作過程中，種子落入光纖傳感器檢測區(qū)域時，常閉傳感器發(fā)出低電平脈沖信號，利用msp430單片機時間捕捉中斷程序采集排種脈沖信號。

（2）結果顯示與報警。通過漏播檢測算法獲得排種率、斷條系數(shù)、最大間隔時間等檢測參數(shù)，并將結果顯示至LCD1602。當出現(xiàn)所述報警情況時，采用LED指示燈與蜂蜜器相結合來對排種器漏播進行報警。

3.2 程序設定試驗

試驗目的在于通過漏播檢測算法得到界定漏播檢測的參數(shù)閾值，對排種間隔時間測量值運算獲得的參數(shù)閥值與預設定參數(shù)閾值比較實現(xiàn)檢測漏播，實現(xiàn)排種結果顯示與漏播報警。具體方法如下。

Step1：將“類齒輪”狀帶齒圓盤安裝至步進電機，并采用光纖傳感器采集圓盤兩齒之間的時間間隔來模擬排種器排種間隔時間，采用霍爾傳感器采集圓盤轉速來模擬排種器轉速；

Step2：預設定單片機檢測系統(tǒng)參數(shù)閥值，設定排種器排種率為80%、斷條比率為25%以及排種最大間隔時間為4倍的理論排種間隔時間；

Step3：先后啟動單片機檢測系統(tǒng)、設定步電電機轉速，持續(xù)時間5min。

本試驗采用一個電動機帶動3個圓盤齒工作，每個圓盤有50個齒，實現(xiàn)三路同時漏播檢測。依據(jù)上述試驗方法，統(tǒng)計排種間隔時間。重復3次，臺架試驗如圖5。

運用線性回歸分析方法對圓盤齒數(shù)轉動間隔時間散點數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并在線實時檢測排種器三路排種情況。

當排種盤均勻分布齒數(shù)的情況下，在5min（約300個點）內沒有出現(xiàn)漏播提示；排種盤有4組連續(xù)缺少3齒數(shù)情況下，均被檢測斷條比率為24%，最大排種間隔時間為4倍正常排種時間，啟動報警系統(tǒng)；在均勻缺少10齒數(shù)情況下，排種率被檢測為80%，啟動報警系統(tǒng)。

圓盤齒數(shù)值與系統(tǒng)測量值如表1，在不同情況下，該漏播檢測系統(tǒng)判定為漏播的準確率為100%。

漏播檢測系統(tǒng)的周期時間可根據(jù)排種盤型孔個數(shù)來設定窗口大小，窗口滑移步長為3個單位。排種率能反映一段周期內所有油菜籽的排種行為特征，從而有效地避免了個體差異對整體特征的影響。通過排種間隔時間可考察氣力式油菜精量排種器單個體排種特征，實時檢測單個排種器的漏播程度；通過斷條比率可判斷周期內整體斷條嚴重程度，更符合氣力式油菜精量排種器的田間實際工作情況。該系統(tǒng)能夠有效地檢測排種器不同漏播情況問題：（1）僅間斷漏播現(xiàn)象；（2）僅連續(xù)漏播；（3）漏播、重播、斷條混合現(xiàn)象。

圖5 圓盤臺架試驗Figure 5 Disk bench experiment

表1 周期內圓盤齒數(shù)值與系統(tǒng)測量值Table1 Disk teeth values and system measurements values during cycle

當滿足3種任一情形時將實現(xiàn)漏播報警：（1）排種器排種情況低于預設定排種率80%；（2）斷條比率超過25%；（3）排種的最大間隔時間高于4倍的理論排種時間。檢測完成后，將所獲的相應結果顯示在LCD液晶顯示器上，通過指示燈點亮與蜂鳴器鳴叫實現(xiàn)漏播檢測與報警功能，可實現(xiàn)檢測排種器不同漏播情況。同時該系統(tǒng)可根據(jù)不同的農(nóng)藝要求對參數(shù)閥值進行設定。系統(tǒng)流程圖如圖6。

4 試驗設計與結果分析

4.1 試驗設計與方法

漏播檢測系統(tǒng)的重點在于排種間隔時間的測量，通過統(tǒng)計排種間隔時間，運用漏播算法實時進行漏播檢測。為了進一步驗證研制的氣力油菜精量排種器漏播檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過高速攝像系統(tǒng)對不同轉速下氣力式油菜精量排種器的排種間隔時間開展統(tǒng)計試驗，并通過對兩者獲得排種器排種間隔時間值進行對比分析。在保證排種器正常工作情況下，開展排種器轉速單因素試驗。

試驗設備與材料主要有：JPS-12型排種器性能檢測試驗臺 (哈爾濱博納科技有限公司)、HG-260型漁亭牌漩渦式充氣增氧機(浙江森森實業(yè)有限公司)、氣力式油菜精量排種器(排種盤型孔數(shù)為20)、排種器試驗臺、光纖傳感器、霍爾傳感器、漏播檢測系統(tǒng)、計算機、高速攝影（廣州市奧元儀器有限公司）及配套的鏡頭等設備，華油雜62號油菜籽，試驗裝置如圖7。

試驗前，通過設定排種器負壓為-1500Pa，正壓100Pa使氣力式油菜精量排種器至正常工作狀態(tài)，通過觀察記錄在不同轉速下氣力式油菜精量排種器排種時間間隔統(tǒng)計，每組試驗重復3次。試驗步驟如下。

Step1：將高速攝影系統(tǒng)參數(shù)設定為10042fps，像素分辨率大小為480×252，為便于觀察到油菜籽的圖像，選擇白色硬紙板作為高速攝像系統(tǒng)的拍攝背景，并標定8mm×20mm的方格陣列作為參照尺寸；通過調節(jié)光源位置、微調鏡頭，可觀察到油菜籽下落至光纖傳感器內；

Step2：對漏播檢測系統(tǒng)參數(shù)閥值進行預設，設定排種盤齒數(shù)及排種率下限報警值，并存儲周期內排種時間間隔；

Step3：先后啟動漏播檢測系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)，并運行排種器，統(tǒng)計并保存漏播檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)及保存高速攝影視頻。每次試驗均依照上述試驗步驟進行，每組重復3次。

4.2 結果與分析

氣力式油菜精量排種器采用正負氣壓組合式原理，針對不同地區(qū)播種株距的需求，配有不同型孔的排種盤。本試驗采用型孔數(shù)量Z為20個的排種盤作為研究對象。

由排種器的排種原理可知，排種口處相鄰兩粒種子時間間隔T為：

圖6 漏播檢測與報警軟件流程圖Figure 6 Software flow chart of loss sowing detection and alarm

圖7 試驗裝置Figure 7 Experimental device

式中：T為排種口排種間隔時間 （s）；ng為排種滾筒轉速（r·min-1）；wg為排種滾筒角速度（rad·s-1）。

在高速攝像檢測系統(tǒng)中，油菜籽在排種器下落至光纖傳感器的間隔時間，在高速攝像圖像中每隔1幀提取油菜籽的瞬時運動狀態(tài)圖像，即時間間隔為0．099ms，根據(jù)高速攝像的連續(xù)畫面可觀察到處于下落階段的油菜籽在光纖傳感器投種全過程。通過運用圖像目標追蹤技術可計算獲得排種器排種間隔時間，從圖中觀察到排種器油菜籽全部落入光纖傳感器，并實時拍攝其排種全過程。

根據(jù)排種器工作原理和試驗結果，分別統(tǒng)計了排種器在不同轉速下的排種間隔時間，并獲得其平均值與均方差，結果如圖8，其中圖8中分別包括了理論排種時間間隔曲線、漏播檢測系統(tǒng)中所獲得的時間間隔曲線和高速攝像獲得的時間間隔曲線。由圖8可知，排種器的轉速變化可直接反映到排種間隔時間值大小的變化，當排種器的轉速越大時，相對應的排種間隔時間就越小，而隨著轉速的逐漸增大，排種頻率的理想排種時間曲線跟蹤能力無下降趨勢，且曲線基本趨向一致。這進一步說明，基于排種間隔時間是可以作為排種器漏播檢測關鍵參數(shù)。

為了分析比較高速攝影與漏播檢測系統(tǒng)下油菜籽過程下不同的排種間隔時間，運用圖像處理提取油菜籽掉落過程中間隔時間，漏播檢測系統(tǒng)以msp430單片機為核心，可存儲間隔時間數(shù)據(jù)，可直接獲得油菜籽在不同轉速下的間隔時間統(tǒng)計。圖9為基于高速攝影檢測與漏播檢測系統(tǒng)得到的排種間隔時間曲線。

由圖8和圖9中可知，在排種器的固定轉速為13.4，27， 35，54，68r·min-1下，基于高速攝影與漏播檢測系統(tǒng)檢測油菜籽時間間隔相對穩(wěn)定，隨著排種器轉速的增大，兩者檢測油菜籽下落間隔時間減小。在排種器型孔數(shù)目已知的情況下，排種器轉速可直接反映到排種間隔時間值的變化上。這進一步表明通過排種間隔時間來跟蹤油菜籽單體播種情況是可行的。漏播的產(chǎn)生有排種器種箱缺種、排種盤型孔堵塞、正負氣壓偏離有效值、排種器傳動機構故障、排種盤轉速過快、仿形地輪田間滑移等多種原因，但都可直接體現(xiàn)在單個油菜籽排種間隔時間指標上。

從表2高速攝影測量值與漏播檢測系統(tǒng)測量值中可觀察到：根據(jù)相對測量誤差公式δ=∣L1-L∣/L*100%可知，以高速攝影測量值為真值L，以漏播檢測系統(tǒng)測量值為L1，則基于高速攝影與漏播檢測系統(tǒng)兩者最大檢測誤差為0.63%，最小檢測誤差在0.05%，基于高速攝影和漏播檢測系統(tǒng)檢測下的排種間隔時間誤差小于0.001s。兩者在間隔時間上檢測的結果基本一致，進一步說明漏播檢測系統(tǒng)的可靠性。

圖8 不同轉速下的排種間隔時間曲線圖Figure 8 Seeding interval time graph at different speeds

圖9 基于高速攝影檢測與漏播檢測系統(tǒng)的排種間隔時間曲線圖Figure 9 Seeding interval time graph based on High Speed Photography and loss sowing detection system

表2 高速攝影測量值與漏播檢測系統(tǒng)測量值Table 2 Values measured by high-speed photography and loss sowing detection system

5 討論與結論

本研究中氣力油菜精量排種器漏播檢測系統(tǒng)能在排種器排種速度變化下，可實時對油菜籽小粒徑種子實現(xiàn)漏播檢測。孫偉等[22]研究學者設計了一種勺鏈式馬鈴薯排種器漏播檢測與補種系統(tǒng)，針對馬鈴薯大粒徑種子模塊開展漏播檢測。和賢桃等[24]研究學者設計了一種玉米精量排種器排種質量自動檢測儀，針對玉米大粒徑種子對其排種器排種性能參數(shù)進行檢測。本研究對象氣力油菜精量排種器合格指數(shù)可達94．2%，利用該排種器設計2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機能一次完成開溝、滅茬、旋耕、精量播種、施肥、覆土等作業(yè)[3，4，9]，同時本研究設計的漏播檢測系統(tǒng)采用傳感器系統(tǒng)在前期開展相關試驗驗證其準確性[17]。本研究設計的漏播檢測系統(tǒng)試驗結果表明，針對氣力油菜精量排種器不同的排種轉速下進行自動調節(jié)檢測模塊，對氣力油菜精量排種器的排種總量與粒距分布進行實時檢測，可有效及時發(fā)現(xiàn)漏播情況，改善排種性能。

本研究開發(fā)設計了一種基于排種時間間隔算法的氣力油菜精量排種器漏播檢測系統(tǒng)，提出了一種排種時間間隔檢測算法。單因素試驗研究表明：通過程序設定預試驗驗證，在線實時檢測排種器漏播情況，當排種盤均勻分布齒數(shù)的情況下，在5min（約300個點）內沒有出現(xiàn)漏播提示；排種盤連續(xù)4組缺少3齒數(shù)情況下，均被檢測斷條比率為24%，最大排種間隔時間為4倍正常排種時間，啟動報警系統(tǒng)，檢測準確率為100%；在均勻缺少10齒數(shù)情況下，排種率被檢測為80%，啟動報警系統(tǒng)，檢測準確率為100%。為了進一步驗證漏播檢測系統(tǒng)的可靠性，開展了在不同排種轉速下基于高速攝影對漏播檢測系統(tǒng)檢測的間隔時間檢測試驗。本研究結果表明，該漏播檢測系統(tǒng)最大誤差為兩者最大檢測誤差為0．63%，最小檢測誤差在0．05%，基于高速攝影和漏播檢測系統(tǒng)檢測下的排種間隔時間誤差小于0．001s。