一種精密播種漏播監(jiān)測裝置的研究及應用

○山西省農業(yè)機械發(fā)展中心 楊春華

一、發(fā)展背景

精密播種是將種子在土壤中進行三維空間的精確定位，具有節(jié)約種子、節(jié)省工時和增加作物產量等優(yōu)點。精密播種機在復雜的作業(yè)環(huán)境下，容易出現不同程度的漏播問題，一旦產生故障性的漏播，將會造成嚴重的缺苗斷壟，甚至大面積無效播種，影響播種質量。因此在精密播種機上配置漏播監(jiān)測裝置是十分必要的。

二、漏播監(jiān)測裝置的組成

漏播監(jiān)測裝置包括激光對射傳感器、PLC 控制器和計數器。激光對射傳感器對排種盤上的孔眼是否有吸附的種子進行檢測（圖1）。激光對射傳感器是把光信號（可見及紫外鐳射光）轉變成為電信號的器件，具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣。激光對射傳感器由三部分構成，分為發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標不間斷地發(fā)射激光束，發(fā)射的激光束來源于激光二極管。接收器由光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件透鏡和光圈等，在其后面是檢測電路，濾出有效信號和應用該信號。本研究選用的激光對射傳感器為洛施達M12 激光對射式傳感器，光斑大小為2—3mm 的光點，動作狀態(tài)為常開，響應時間是5ms。計數器是計數排種盤轉動的圈數并根據排種盤上孔眼的個數計算排種盤上孔眼經過激光對射傳感器的個數，本研究選用的計數器為山騰牌，型號是ST76-TD。PLC 控制器對激光對射傳感器和計數器發(fā)回的實時數據進行分析、統(tǒng)計和計算，并根據設計要求發(fā)出相應的報警指令。PLC 可編程邏輯控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬方式輸入/輸出控制各種類型的機械。本研究選用艾莫訊AMSAMOTION的AMX-224 小型PLC，并編寫了排種計數、漏播計數等設計要求的程序，主要技術參數為功耗7W、電壓24V、程序存儲器20K、計數器速率20kH。

圖1 漏播監(jiān)測裝置的組成

三、工作原理

漏播監(jiān)測裝置工作時，排種盤在進行排種旋轉運動，激光對射傳感器與計數器相配合，不斷地對排種盤上的孔眼進行監(jiān)測，排種盤上孔眼經過激光對射傳感器一次，即代表著排種一次。當排種盤上的孔眼吸附著種子時，激光對射傳感器發(fā)射端和接收端的光路被遮擋住，光電脈沖電路不會產生電脈沖信號；當孔眼上沒有種子時，發(fā)射端和接收端的光路接通，每接通1 次，光電傳感器電路便產生1 個脈沖信號，輸出的脈沖數即代表排種器漏播的數目。激光對射傳感器監(jiān)測到1 個孔眼無種子時，并向PLC 發(fā)出1 個脈沖信號，以此類推，同時計數器向PLC 實時反饋排種數量。在PLC 控制器中設定報警數值，達到不同的數值，發(fā)出相應的報警信號。根據程序設定，排種盤（26 個孔眼）每轉一圈，計數器向PLC 反饋的排種數量為26 個。在每26個排種數量的區(qū)間內，PLC 接收到的脈沖信號數量為N 個。當0 ≤N ≤3 時，為正常排種情況，PLC控制器不發(fā)出報警；當3 ＜N ≤6，為漏播嚴重情況，PLC 控制器發(fā)出報警信號1；當6 ＜N ≤12，為缺苗斷壟情況，PLC 控制器發(fā)出報警信號2；當12＜N ≤26 或連續(xù)5 個，為排種器發(fā)生故障情況，PLC 控制器發(fā)出報警信號3。

漏播監(jiān)測傳感器安裝在排種器內，激光對射傳感器的發(fā)生器和接收器分別在排種盤孔眼的兩側，并且與孔眼的中心線一致。這樣的布置，不僅極大程度上減少了灰塵的影響，而且在排種器內受光照影響也極小。同時激光對射傳感器的直線性非常適合孔眼是否被遮擋的監(jiān)測。采用激光對射傳感器檢測φ2.5—φ5 的孔眼，直接計數，極大地簡化了監(jiān)測算法。

四、試驗應用

精密播種漏播監(jiān)測裝置的試驗應用一般分為實驗室試驗和田間試驗應用。實驗室試驗是人為控制的條件下對漏播監(jiān)測裝置進行的性能試驗，可以不受自然條件的限制，實驗室所要求的條件比較簡單容易實現，便于進行精確的測量和研究。目前實際生產中所使用的漏播監(jiān)測傳感器（落種檢測傳感器）是安裝在排種管內或排種器出口處內的，主要使用的是紅外線光電傳感器，發(fā)射管射出紅外線光束，當接收器接收到足夠的紅外線時，紅外線光電傳感器的開關狀態(tài)發(fā)生變化，這個過程對工作環(huán)境中的灰塵和光照很敏感。無論是在排種管內還是在排種器出口處，雖然做了防塵設計，都很難避免灰塵的影響。在實驗室內模擬光影響、灰塵影響、振動影響等條件下，進行漏播監(jiān)測以及計數準確程度的檢測和研究。在氣吹式排種器內配置漏播監(jiān)測裝置，通過步進電機驅動排種盤旋轉，激光對射式傳感器監(jiān)測排種盤上的孔眼，間隔留有3 個孔眼為空，其余孔眼堵住，當為空的孔眼經過激光對射式傳感器時接收器和發(fā)射器后面的燈會亮起，當堵住的孔眼經過時不會亮起，經過室內試驗，得出計數準確率99%以上。模擬光影響，在室內正常進行漏播監(jiān)測裝置試驗的同時，不斷開關電燈及用手電筒照射排種器，得出計數準確率在98.5%以上。模擬灰塵影響，在室內正常進行漏播監(jiān)測裝置試驗的同時，不斷掃起和蕩起塵土，得出計數準確率在98.2%以上。

田間試驗應用是在田間環(huán)境下進行的性能試驗和適用性應用，田間試驗的結果反映精密播種漏播監(jiān)測裝置的性能。由于田間試驗應用作業(yè)環(huán)境復雜、條件惡劣、季節(jié)性強，要做好充分準備，獲得試驗數據。在廣泛調研的基礎上，邀請播種機方面專家、用戶等進行討論，并編寫田間試驗實施方案。2022年6月，在長治市沁源縣中峪鄉(xiāng)進行了田間試驗，將漏播監(jiān)測裝置安裝在馬斯奇奧SP-4 型氣吸式精量播種機上，完成了精密播種漏播監(jiān)測裝置的調試、試驗和數據采集，試驗應用面積約300 畝。

五、效益分析

精密播種漏播監(jiān)測裝置，實現了準確的漏播監(jiān)測和不同程度的漏播報警，提高了糧食產量，節(jié)省了種子資源，降低了能源消耗。

1.經濟效益。精密播種能夠一次完成播種、施肥、覆土、鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)，可節(jié)省播種量，減少2—3 道工序，減輕勞動強度，降低生產成本，又能夠達到苗齊、苗壯，實現作物增產增收。玉米精密播種較傳統(tǒng)播種每畝節(jié)省種子2.5—3 kg，省工2—3 人，降低成本100 元，增產糧食35 kg；大豆精密播種與常規(guī)條播相比每畝可節(jié)約種子1.5 kg，節(jié)約種子成本30 元。使用精密播種漏播監(jiān)測裝置的機具進行玉米等作物播種，對播種作業(yè)中的排種器的排種盤上的吸種孔眼進行實時監(jiān)測，發(fā)現一定量的漏播或排種故障等及時報警，不會產生大面積無效播種，二次重播浪費種子，而且生產效率高，受農民朋友的歡迎。在沁源縣試驗播種后進行效益分析，這個播種季節(jié)作業(yè)1500 畝，每畝收費25元，毛收入達3.75 萬元，純收入約2 萬元。

2.社會效益。目前我國玉米、大豆等作物的機械化水平相對較高，但實施具有漏播監(jiān)測功能的精密播種的面積所占比例并不高。以玉米為例，2020年全國玉米年均種植面積約4 億畝，實施漏播監(jiān)測的精密播種的面積不足30%。我國每年主要農作物播種總面積超過16 億畝，若全面推行漏播監(jiān)測的精密播種技術，可減少機具作業(yè)環(huán)節(jié)，節(jié)約勞動力資源，減少能源和其他各種資源消耗。