玉米免耕播種機播深實時監(jiān)測系統設計與試驗研究

付彥濤，雷得超，金厚熙，李東洋，任守華

（黑龍江八一農墾大學信息與電氣工程學院，大慶 163319）

播種是農業(yè)生產中的重要組成部分，隨著精準農業(yè)的不斷推廣，精密播種技術已應用于多種作物的種植，對農作物增產、農民增收和降低農作物生產成本具有關鍵作用[1-3]。玉米的精密播種是科學種植玉米的關鍵環(huán)節(jié)，其重要作用通過各個國家的農業(yè)實踐得到了充分驗證，是提高玉米產量的一項重要科學手段[4-5]。作為評估播種機性能的重要指標，播種深度是否穩(wěn)定對玉米的出苗、作物生長以及糧食的最終產量都會產生很大影響。在保護性耕作條件下，免耕播種機在覆蓋殘茬的地表播種時，播種深度的穩(wěn)定性將受到較大影響[6-7]。且當作業(yè)機車配帶免耕播種機在松軟、潮濕的土壤或土壤比阻比較大的地塊上耕作時，由于耕深和阻力變化比較大，發(fā)動機的負荷不穩(wěn)定，耕深會不均勻，耕作質量達不到農藝要求[8-9]。和平牧場位于黑龍江農墾西部，風沙、干旱、鹽堿地覆蓋的松嫩平原中部地帶[10]，土壤質地多樣化、降雨量少，春播季節(jié)風力較為強勁，蒸騰作用大[11]。為切實解決傳統耕作方法所造成的水土流失嚴重、沙塵暴肆虐、生態(tài)環(huán)境惡劣等問題，和平牧場地區(qū)正在大力推廣具有顯著社會、經濟和生態(tài)效應的保護性耕作技術。免耕播種機作為保護性耕作技術實施的配套機具，其使用性能將直接影響著保護性耕作技術的應用[12-13]。

播種深度是開溝器開溝、土壤回流和覆土輪鎮(zhèn)壓共同作用的結果，人工不易測量，現有測量方法均是在忽略種子落土彈跳的條件下，將播種單體開溝深度作為種子播種深度[14-15]。在設計本監(jiān)測系統時，通過文獻查閱以及后續(xù)田間試驗的開展，綜合整理玉米播種深度穩(wěn)定性的影響因素[16-17]。綜合考量玉米播種深度的多種測量技術方法之后，提出一種基于拉線式位移傳感器的玉米播種機播深檢測的方法。設計并制定播深檢測裝置硬件電路以及播深檢測軟件的流程，研究并設計播種機播種深度實時監(jiān)控系統后，通過開展田間播深監(jiān)測評價試驗并進行數據分析，進一步對系統功能進行完善[18-19]。通過拉線式位移傳感器對機架與仿形輪間的相對位移進行檢測，從而判斷開溝深淺。經處理后的數據通過無線傳輸方式對實時播深數據進行傳送，最終在駕駛室內的主控機顯示屏實時顯示。有效檢測種子播深，能較好地控制種子發(fā)芽率、出苗率，提高種子出苗整齊度，發(fā)揮群體增產優(yōu)勢[20]，進而提高農產品的產量，完全滿足實際生產需求。針對玉米免耕播種機播深實時監(jiān)測系統所進行的研究，在實現玉米精密播種、實現保護性耕作的過程中有著重要而廣泛的應用空間。另一方面，智能農業(yè)裝備技術作為我國發(fā)展現代農業(yè)的重要支撐，怎樣實現播種機作業(yè)過程的智能監(jiān)測是實現現代農業(yè)的首要問題，也是實現智慧農業(yè)的重要基礎[21]。

1 播深實時監(jiān)測系統設計

1.1 實驗對象及主要技術參數

本研究選用吉林省大元農用機械有限公司生產的2BMZF-2型免耕指夾式精量施肥播種機作為試驗平臺，該型號播種機可一次完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等工序。整機結構如圖1所示。

圖1 2BMZF-2型指夾式免耕播種機Fig.1 BMZF-2 Finer clip no tillage till planter

2BMZF-2型免耕指夾式精量施肥播種機采用機械牽引式結構，配套22-37KW牽引機車，整機由牽引梁、機架、施肥機構、秸稈和雜草清理機構、排種機構、仿形整形機構、鎮(zhèn)壓輪、仿形輪、地輪、傳動機構等部分組成，外觀尺寸2 900 mm×2 050 mm×1 480 mm，由兩部單體組成，作業(yè)速度6~8 km·h-1，該機采用進口指夾式排種器，適用于玉米秸稈全覆蓋免耕播種、留茬地塊免耕播種和常規(guī)播種，一次進地完成側深施肥，種床整形，圓盤開溝，單粒播種，覆土重鎮(zhèn)壓等作業(yè)。2BMZF-2型免耕指夾式精量施肥播種機在實際作業(yè)中采用機械式播深控制裝置，通過人工調節(jié)仿形輪限位機構的方式預設播種深度參數，因此在機具運行時無法隨時觀測播種深度，為了解決以上問題，依據仿形輪與機具相對位置的變化量來反映實時播種深度的原理，設計了播深采集裝置，能有效解決實時播深數據采集的問題。

1.2 播深測量原理

通過拉線式位移傳感器對仿形輪與機架間相對位移進行檢測，所得到的開溝深度即為播種深度，傳感器安裝位置圖如下圖2所示。

圖2 WXY31型拉線式位移傳感器安裝位置圖Fig.2 Installation position of WXY31 pull wire displacement sensor

播種深度測量原理示意圖如下圖3所示。

圖3 播深測量Fig.3 Principle diagrams of sowing depth measurement

在圖3中有如下關系：

式中：L—仿形輪中心點到機架邊緣的距離，cm；

R—播種機仿形輪的半徑記為，cm；

△L—是傳感器所檢測到的播種機機架與仿形輪的相對位移，cm；

H—機架邊緣到開溝器的相對距離，cm；

h—播種作業(yè)深度的初始值，cm；

h′—播種深度，cm；

△h—仿形輪受力變形量和覆土厚度帶來的播種深度補償量，cm。

播種機單體作業(yè)過程中，仿形輪胎面形變和種上覆土會影響播深測量準確性，其中，種上覆土厚度可通過調節(jié)覆土輪對地壓力來改變，對裝置試驗發(fā)現，在設定相同覆土壓力情況下，覆土厚度基本不變，而仿形輪胎面因其自身材質及土壤相互作用，作業(yè)過程中形變較小。因△h與地塊土壤特性有關，為保證測量準確性，可通過作業(yè)前進行田間取樣標定來獲得△h。在上述變量已知的情況下，測量仿形輪與機架間相對位移即可求得播種深度h′。

1.3 系統組成及功能

播深實時監(jiān)測系統分為人機交互模塊、播深信息采集模塊、報警單元和無線通信模塊四個部分，系統組成如圖4所示。

各部分實現功能如下：

（1）人機交互模塊：在玉米播種作業(yè)之前，用于先行設置玉米種植的播深作業(yè)參數。顯示機車作業(yè)行進的速度以及作業(yè)面積、播種量、播種深度、株距等作業(yè)信息。警報啟動后顯示故障信息。

（2）播深信息采集模塊：選用WXY31型拉線式位移傳感器，將傳感器安裝于播種機機架與仿形輪之間，安裝位置如圖4所示。當液壓傳動裝置將播種單體抬升離開地面時為系統初始化狀態(tài)，記錄初始數值，按照播種單體下落程度確定播深。機車行進時，仿形輪與機架間產生相對位移，微處理器將測量的實時播深數據通過無線傳輸模塊傳輸至車載計算機進行實時顯示。

圖4 系統構成圖Fig.4 System composition diagram

（3）報警單元：當檢測到的播種深度與播種之前所設定的要求不相符合時，聲光報警器將發(fā)出警報。

（4）無線通信系統：無線通信模塊連接控制器和上位機，用于傳送該系統上位機給定的播深設定結果以及下位機所檢測到的實際播種深度等數據。

1.4 硬件設計原理

播種深度監(jiān)測裝置的硬件電路原理如圖5所示。在機車作業(yè)過程中，拉線式位移傳感器采集到播種機的開溝作業(yè)深度，獲得播深數據的模擬信號。濾波電路把采集到的模擬信號先進行濾波處理，再傳送至主控芯片。當播種深度與之前所設定的要求不相符合時，聲光報警器將發(fā)出警報。同時，微處理器將測量的播深數據通過無線通信模塊傳輸至車載計算機實時顯示并對玉米播種作業(yè)的完成情況予以評價，以便進一步實現更為精密的播種作業(yè)。

圖5 下位機系統組成框圖Fig.5 Composition block diagram of lower computer system

1.5 軟件流程

所制定的實時監(jiān)測系統軟件流程如圖6所示。下位機主要實現的是檢測并處理傳感器傳出的模擬信號，包括對數據的有效性進行邏輯判斷的功能和向上位機傳送數據的通信功能。開始部分包括初始化程序，重點是檢測拉線的初始狀態(tài)是否在原始位置上，以保證系統能夠正常運行。

圖6 播深檢測軟件流程圖Fig.6 Depth detection software flow chart

1.6 通信協議

采集數據共有2個節(jié)點，為了確保上位機能及時的收到下位機發(fā)送的數據，在上位機安裝了兩個通信模塊，一個用于發(fā)送指令，地址為01；一個用于接收數據，地址為100。系統中下位機地址為10和20，在通信協議中分為兩種通信格式，一是上位機向下位機發(fā)出的命令，二是下位機向上位機返回的數據信息或狀態(tài)信息。

上位機向下位發(fā)送指令共4個字節(jié)，數據通信格式如表1所示。

表1 上位機向下位機發(fā)送的指令格式Table 1 Instruction format sent by upper computer to lower computer

下位機向上位機返回的指令共6個字節(jié)，數據通信格式如表2所示，其中第四、第五字節(jié)分別表示播深數值的整數部分和小數部分。

表2 下位機向上位機返回的指令格式Table 2 Instruction format returned from lower computer to upper computer

2 試驗與結果分析

播深監(jiān)測系統在實驗室設計完成并測試后，于2021年春播季節(jié)開展田間試驗，試驗地位于大慶市大同區(qū)和平牧場東風管理區(qū)。試驗樣地上玉米經收獲后，存在大量秸稈殘茬，地表略有起伏，留茬適中。

結合試驗樣地土壤墑情及形狀，任意選取2行作業(yè)壟，每行選取100米共計200個測試點，開展三次試驗。為測試不同速度下各單體行播種深度監(jiān)測效果，沿拖拉機前進方向分4段遞增車速，調節(jié)并設定種深55 mm，實際作業(yè)中，控制各段地塊拖拉機速度分別為5、6、7 8 km·h-1。試驗前，先行通過田間取樣標定來獲得Δh，并在試驗前旋轉播深調節(jié)機構，保持調節(jié)播深一致。在玉米播種作業(yè)以后，使用自制的測量工具，采集并記錄下播種深度的相關數據，經過計算分析后，最終得到播種的合格率以及播種深度的變異系數等相關的評價參數。與播深監(jiān)測系統上位機所記錄的播種深度數據進行對比，檢驗兩份數據之間存在的差異是否顯著，并做進一步深入探討分析，逐步完善該監(jiān)測系統的功能。

圖7 田間試驗Fig.7 Field experiment

采用手動方式設置播種機播深限位器至55 mm，在不同作業(yè)速度下進行播種操作，隨機選取每行25個采集點記錄系統檢測數據，同時記錄人工測量數據，第一行和第二行實測數據如表3、表4所示。

表3 第一行不同作業(yè)速度下播種深度測量值與人工檢測值Table 3 Measured values of sowing depth and manual detection values under different operating speeds

表4 第二行不同作業(yè)速度下播種深度測量值與人工檢測值Table 4 Measured values of sowing depth and manual detection values under different operating speeds

從表3、表4中可以看出，相比播種深度監(jiān)測值，實際測量獲得數值波動較大，整體布局相對分散，可能與種溝完整程度以及地表殘茬厚度帶來的人為測量不穩(wěn)定性有關。對播種深度檢測值和實際值數據的統計處理結果如表5所示。其中，播種深度合格率的相對誤差最大值為24.32%，所以認定該系統有效率在75%以上。

表5 不同作業(yè)速度下播種深度測量Table 5 Field experiment results

3 討論

采用拉線式位移傳感器來檢測仿行輪與機架間相對位移進而獲取播種深度的方法，很好地解決了免耕播種機具運行時無法隨時觀測播種深度的問題，同時通過信號傳遞，可將播深數據及播種評價結果即時顯示。

在播深監(jiān)測方面的眾多研究中，流行的監(jiān)測系統主要分為機械式報警器、機電信號式報警器和電子儀器式監(jiān)視裝置等三種?？紤]到播種深度測量的精度需求，為減小殘茬、光照等因素的影響，現有研究多采用接觸式測量方法，其主要是通過測量機具上仿形部件偏轉位移得到開溝深度。其中，包括研制監(jiān)測播種排種株距均勻性和漏播、重播的電子儀器；研制將機械結構與集成電路相結合用來監(jiān)視播種作業(yè)工況的電子監(jiān)視精密播種機；檢測開溝器和后置仿形輪的相對距離，通過計算得到開溝深度；使用角度傳感器測量小麥的播種深度；用電位器式傳感器檢測開溝深淺。分析發(fā)現，測量仿形輪與機架間相對位移（即開溝深度）的方式則更直接。前文所述播深監(jiān)測系統也正是在以往檢測播種機開溝深度作為播種深度的基礎上所進行的改良，與其他方法獲得播種深度相較而言，改良后的操作方法更為便捷直觀，適用也更為廣泛，最重要的是拉線式位移傳感器能夠很好地適應復雜的作業(yè)環(huán)境，易于安裝與維護，利于試驗研究。

在開展試驗驗證系統功能的過程中需要注意這樣一些問題:（1）對播種深度進行人工測量的操作過程要認真細致，盡可能減少測量所帶來的誤差。（2）監(jiān)測系統對數據采集的時間節(jié)點以及時間間隔的掌控是否滿足系統要求。（3）對試驗數據更為直觀呈現的處理方式的深層次逐步探索。

基于以上幾點問題的考慮，提出以下幾點關于進一步開展研究的建議：（1）制作人工播深檢測手提裝置，可在壟間提行的鋼構框架和紅外測距儀的結合，使得人工測量較大程度減少誤差。（2）根據作業(yè)播種機排種口實際高度設定播深數據采集的時間間隔t秒。設定監(jiān)測系統在光敏傳感器檢測到種子下落后t秒后開始采集拉線式位移傳感器檢測到的數據，其中，要根據自由落體運動規(guī)律計算好種子下落時間，以防數據檢測不完全，對結果造成影響。（3）在綜合考量機車作業(yè)速度、地塊區(qū)間差異和人工測量誤差等綜合誤差的同時，應進一步研究如何讓監(jiān)測系統更好地實現對播種深度的監(jiān)測評價功能。

為了開發(fā)性能優(yōu)良的播種機具，很多學者一直致力于精密播種機的基礎理論和試驗研究，注重關鍵部件的理論和整機試驗研究，所研制的各類精密播種機具在農業(yè)生產中得到廣泛應用。面向未來，關于精密播種的研究和推廣的技術水平將越來越高，而使用監(jiān)測數據，并依據行業(yè)標準進一步對播種深度進行現場評價是有著更為廣泛的實際應用價值。在實現播深實時監(jiān)測的基礎上，應逐步探索播深的控制研究，使精密播種理論得到進一步的發(fā)展。

4 結論

（1）設計并構建一種玉米免耕播種機播深實時監(jiān)測系統并進行試驗研究，該監(jiān)測系統采用拉線式位移傳感器檢測仿行輪與機架間相對位移來獲取播種深度的方法來采集播種深度的數據，避免了復雜作業(yè)環(huán)境對播深監(jiān)測的干擾。

（2）播深監(jiān)測評價系統可實時顯示各播種單體行的播深數值，同時，上位機也可以根據播種之前所設定的播種深度標準，實現對該作業(yè)地塊播種作業(yè)狀況的評價，為后續(xù)播種提供參考，以便于更好決策。

（3）玉米播種深度監(jiān)測的試驗表明，在作業(yè)機車不同作業(yè)的車速下，系統監(jiān)測的各項數據，平均播深、合格率、標準差和變異系數的最大值分別為56.11 mm、100.00%、3.95 mm和7.3%，幾項作業(yè)指標的相對誤差分別處于1.9%～4.81%、7.89%～24.32%、0.89%～5.46%和0.22%～3.16%之間，免耕播種機播深實時監(jiān)測系統實現了對玉米播種深度的監(jiān)測功能。