精密播種控制系統(tǒng)研究進(jìn)展

王昊禹　孟玄　李園杰　屈哲　李祥付

摘要：播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié)，精細(xì)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著全自動化和智能化發(fā)展的必然趨勢。以精密播種為主題，綜述了國內(nèi)外高校、科研院所和廠商研發(fā)的具有代表性的系統(tǒng)平臺的研究進(jìn)展，包括農(nóng)機(jī)信號總線、農(nóng)用機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、精密播種控制系統(tǒng)，并提出了精細(xì)農(nóng)業(yè)在播種環(huán)節(jié)未來的發(fā)展方向：加快研究并推廣變量播種系統(tǒng)的使用、設(shè)計(jì)新型或改進(jìn)現(xiàn)有光電式播種質(zhì)量監(jiān)測傳感器提高其適用性，同時繼續(xù)加大農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合，最終減少人工投入，提高機(jī)械的農(nóng)田工作效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：精細(xì)農(nóng)業(yè);智能化;控制系統(tǒng)

0 引言

精細(xì)農(nóng)業(yè)是由國外率先提出的一種高效、高質(zhì)量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。國外精細(xì)農(nóng)業(yè)正式實(shí)踐起源于約1996年，在1997年度收獲季里，美國有約3%的聯(lián)合收割機(jī)上安裝使用了產(chǎn)量監(jiān)控裝置[1]。國內(nèi)，汪懋華[2]最早提出將“Precision Agriculture”譯作“精細(xì)農(nóng)作”（即精細(xì)農(nóng)業(yè)），指出其核心是獲取不同農(nóng)田小區(qū)域內(nèi)的作物產(chǎn)量和影響作物生長因素后對不同地塊進(jìn)行“變量處理”，即“處方農(nóng)作”。

精密播種技術(shù)屬于精細(xì)農(nóng)業(yè)的分支，是指使用精密播種機(jī)械，按照待播作物相對應(yīng)的播種農(nóng)藝要求，如播量、播深、播距等將種子播入土壤中的播種方式。相較于傳統(tǒng)播種方式，精密播種具有著播量精確、播深播距穩(wěn)定、節(jié)省種子等多種優(yōu)勢。本文綜述了具有代表性的精密播種技術(shù)，并提出了精密播種未來的研究方向，為深入研究精細(xì)農(nóng)業(yè)提供了參考。

1 總線技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

總線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，常用的總線包括IIC總線、SPI總線、RS485總線以及CAN總線等，各類總線技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用為農(nóng)用機(jī)械控制系統(tǒng)高效處理大量信息、提高播種質(zhì)量打下了基礎(chǔ)。

1.1 IIC和SPI總線技術(shù)

IIC總線和SPI總線往往用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的某個模塊化功能。IIC（Inter-Integrated Circuit，集成電路總線），由Philips公司提出，目的是讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)用以連接低速周邊設(shè)備，通訊時僅使用SDA和SCL兩根數(shù)據(jù)線就可以完成數(shù)據(jù)傳輸，但傳輸速度較慢。

SPI（Serial Peripheral interface，串行外圍設(shè)備接口）由Motorola公司提出，使四根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和時鐘校時等工作，相對IIC來說速度更快，是一種高速全雙工通信總線。

盧文景[3]使用IIC通信協(xié)議進(jìn)行了樹莓派和51單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)種植系統(tǒng)中IIC傳感器的數(shù)據(jù)采集。陳曉棟[4]使用AT86RF212無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了780MHz無線通訊模塊的設(shè)計(jì)，使用SPI配合天線進(jìn)行無線通信。

由于在精密播種的過程中，往往面臨著數(shù)據(jù)量大、拓展性要求高、數(shù)據(jù)實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以一般不用采用這二者做大量的瞬時數(shù)據(jù)傳輸，多用于小型模塊化功能實(shí)現(xiàn)以及和存儲器如EEPROM、FLASH等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.2 RS485總線技術(shù)

RS485 總線為半雙工通信方式，主從無法同時進(jìn)行通訊，在傳輸距離和可拓展節(jié)點(diǎn)數(shù)等性質(zhì)上優(yōu)于RS232。但是當(dāng)RS485的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換較慢、占用CPU資源較高等問題。針對該問題，王書根等[5]提出一種針對串行鏈路的通訊方法，在上位機(jī)與各從站節(jié)點(diǎn)間增加主站，能夠提高系統(tǒng)獨(dú)立性，加快系統(tǒng)從故障中恢復(fù)的速度。RS485由于組網(wǎng)較為方便，在多節(jié)點(diǎn)通訊中使用廣泛，郭慶等[6]設(shè)計(jì)了基于RS485總線的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，盧嫚[7]基于RS485總線通信基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了溫室監(jiān)測系統(tǒng)中多個節(jié)點(diǎn)環(huán)境因子的采集和遠(yuǎn)距離通信。

由于RS485總線存在通信的吞吐量較低、實(shí)時性較差、從機(jī)的系統(tǒng)開銷大且從機(jī)間通信難度大等缺點(diǎn)，現(xiàn)在農(nóng)用機(jī)械中使用較為廣泛的為CAN總線。

1.3 CAN總線技術(shù)

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）由BOSCH公司提出，現(xiàn)在已經(jīng)成為了國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線具有通訊速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等多種優(yōu)勢。其最早應(yīng)用時解決了汽車控制系統(tǒng)中大量傳感器數(shù)據(jù)交換的問題，由于精密播種高拓展性和大量數(shù)據(jù)的要求，CAN總線被逐步引入到農(nóng)機(jī)中，并形成了完善的農(nóng)用拖拉機(jī)控制協(xié)議國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11783。

現(xiàn)在，CAN總線已經(jīng)發(fā)展至農(nóng)用拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的方方面面，包括：（1）耕作和播種;（2）施肥和植物保護(hù);（3）產(chǎn)量監(jiān)控;（4）機(jī)械導(dǎo)航等。胡煉等設(shè)計(jì)了分布式插秧機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，分別用3 個從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向控制、變速控制以及插秧機(jī)具升降控制，該插秧機(jī)還搭配了差分定位技術(shù)，能夠在較高精度下自主完成路徑跟蹤、轉(zhuǎn)向、變速以及插秧等操作。目前，CAN總線因其極強(qiáng)的可拓展性和不會因?yàn)楣?jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整體系統(tǒng)癱瘓的明顯優(yōu)勢成為了最具有潛力的農(nóng)用機(jī)械總線技術(shù)。

2 農(nóng)用機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

農(nóng)用機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、控制器、車輛底盤等構(gòu)成，是精細(xì)農(nóng)業(yè)最重要的環(huán)節(jié)之一，可以提高生產(chǎn)效率、減少人工投入。上世紀(jì)末，Thomas Bell等[8]在John Deere 7800型拖拉機(jī)平臺上開展了基于載波相位差分定位系統(tǒng)的自動駕駛拖拉機(jī)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其系統(tǒng)航向角的精度為1°，水平偏差為2.5cm，有著較高的定位精確度。國內(nèi)，胡煉和羅錫文等[9]設(shè)計(jì)了DGPS自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)如圖一所示，其機(jī)器位置信息的獲取使用RS232總線，其余功能節(jié)點(diǎn)的通訊均使用CAN總線，在拖拉機(jī)行進(jìn)速度為 0.8m/s時，直線跟蹤的最大誤差小于0.15m，平均跟蹤誤差小于0.03m。

目前，我國農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)大多由非農(nóng)機(jī)制造企業(yè)研制，主要功能是通過北斗衛(wèi)星定位實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)直線作業(yè)路線的自動跟蹤行走。以合眾思壯“慧農(nóng)”北斗農(nóng)機(jī)自動駕駛產(chǎn)品為例[10]，該產(chǎn)品主要組成包括：便攜式或固定式基站、GNSS定位裝置、姿態(tài)傳感器、智能駕駛控制器、轉(zhuǎn)向輪角度傳感器、壓力傳感器、液壓轉(zhuǎn)向電磁閥組和顯示終端等。其直線控制精度達(dá)到了2.5cm，可支持的作業(yè)速度為3～16km/h。

近年來，我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展迅速，2020年6月23日，北斗三號組網(wǎng)的最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，標(biāo)志著BDS（BeiDou Navigation Satellite System，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）組網(wǎng)順利完成，北斗衛(wèi)星的建設(shè)對于我國國家安全起到了重要作用。

3 精密播種控制系統(tǒng)

3.1 播種變量控制技術(shù)

早期的機(jī)械式播種機(jī)往往使用地輪驅(qū)動排種軸帶動所有排種盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動，近年來，精密排種器已經(jīng)開始由純機(jī)械式向著電控單體式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。電驅(qū)排種器的研究促進(jìn)了變量播種控制系統(tǒng)的發(fā)展，使得同一播種機(jī)的不同排種器能夠按照不同的密度進(jìn)行播種，從而提高播種質(zhì)量，減少種子浪費(fèi)。播種機(jī)常常配有多行排種器單體，如果想要對每個排種器的播種工況進(jìn)行控制同時了解每個排種器的工作情況，主要有以下兩種方式：（1）分別對每個排種單體都使用獨(dú)立的單片機(jī)或其他小型微機(jī)模塊進(jìn)行控制;（2）設(shè)計(jì)多點(diǎn)可拓展式控制系統(tǒng)，將各個排種單體和主控制單元進(jìn)行主從方式的連接。不難看出，雖然兩種方式都具有較強(qiáng)的可拓展性，但是第一種方式對系統(tǒng)資源沒有很好的達(dá)成利用，而且明顯提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冗余度。因此，在實(shí)際機(jī)械上多采用第二種方式來進(jìn)行系統(tǒng)的布置。

如本文第一章所述，在農(nóng)用信號總線標(biāo)準(zhǔn)制定后，基于CAN總線的變量播種控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了精密播種領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。早期機(jī)械式排種器基本都采用了地輪驅(qū)動的方式，在播種時易出現(xiàn)打滑，此時則會導(dǎo)致播種質(zhì)量的下降。為了解決這個問題，早期精密播種機(jī)使用編碼器測速的方式來代替地輪進(jìn)行速度的獲取，但在高速時依然不能夠很好地控制排種精度[11-13]。由于衛(wèi)星定位技術(shù)精度的發(fā)展，GPS代替編碼器進(jìn)行測速的方式被證明更加適合高速時精密播種的要求。已經(jīng)有學(xué)者通過研究表明，傳統(tǒng)地輪排種器驅(qū)動方式可以由電驅(qū)驅(qū)動排種單體的方式替代。

3.2 播種質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)

為了對播種質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時觀測，機(jī)器需要在排種器上安裝播種監(jiān)測系統(tǒng)。播種監(jiān)測的方法有很多，常用的方法為使用安裝在落種管處的光電、電容式傳感器以及高速攝像機(jī)來進(jìn)行種子的通過性測量[14-15]，并根據(jù)車輛的行走速度以及兩粒種子下落的時間間隔來判斷是否有種子出現(xiàn)了重播漏播等現(xiàn)象。光電傳感器價格低廉，廣泛應(yīng)用于各類播種監(jiān)測機(jī)構(gòu)中，但由于農(nóng)機(jī)具工作環(huán)境較為惡劣，在工作一段時間后傳感器會因?yàn)榛覊m覆蓋等原因而導(dǎo)致失靈。使用高速攝像機(jī)和圖像處理技術(shù)的方式能夠精確捕捉小型種子，同時可以辨認(rèn)出種子重疊的情況，但價格昂貴，較難推廣使用。設(shè)計(jì)一種高精度低成本的新型監(jiān)測方式，或者通過硬件與算法的重新部署從而改進(jìn)光電監(jiān)測的缺點(diǎn)將成為未來播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究的方向。

4 結(jié)語

得益于GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的民用化、農(nóng)用化，農(nóng)用機(jī)械有了可以支撐其快速精確作業(yè)的平臺。同時，高速精密排種器和播種監(jiān)測系統(tǒng)也不斷發(fā)展，用衛(wèi)星測速帶動排種器進(jìn)行工作的方式成為了減少傳統(tǒng)播種機(jī)地輪打滑問題的有效解決方案。隨著研究的不斷推進(jìn)，精密播種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和對可拓展性能的要求逐漸增加，傳統(tǒng)小型設(shè)備總線已無法滿足其性能要求，而CAN總線因其在大量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的優(yōu)越性成為了現(xiàn)在大型精密播種控制系統(tǒng)中最常用的信號總線。

變量播種系統(tǒng)目前仍處于研發(fā)階段，需要加大對該系統(tǒng)的投入，相關(guān)技術(shù)包括處方圖的生成技術(shù)、變量播種的農(nóng)機(jī)通用平臺開發(fā)等。光電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)上文已提及，此處不再重復(fù)描述，需要對傳統(tǒng)的光電式監(jiān)測機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或者設(shè)計(jì)新型監(jiān)測傳感器，從而達(dá)到在長時間的工作條件下穩(wěn)定監(jiān)測的目的。氣力式排種器雖然研發(fā)較早，但是并未大量普及，相關(guān)機(jī)構(gòu)要加快農(nóng)機(jī)更新?lián)Q代。農(nóng)業(yè)工作者還應(yīng)當(dāng)持續(xù)推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合，最大化利用農(nóng)業(yè)機(jī)械，提高工作效率。

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