玉米精量播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制

王海礁，王晨平，謝洪昌

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152054)

0 引言

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對于提高作物出苗率具有重要意義，直接影響作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[1-3]。精量播種技術(shù)可以保證種子播深、播量一致，播種均勻性提高，同時減少種子的浪費(fèi)[4]。但是精量播種技術(shù)在實際應(yīng)用過程中存在播種情況與技術(shù)參數(shù)無法實時監(jiān)控等問題。因此，對精量播種技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控對于保證田間生產(chǎn)效率和實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展具有重要意義。

目前，我國大部分播種機(jī)屬于機(jī)械式播種機(jī)，種子在機(jī)械內(nèi)部處于封閉狀態(tài)，操作人員無法保證播種質(zhì)量，當(dāng)排種裝置出現(xiàn)堵塞、種子過少、機(jī)械故障等問題無法及時進(jìn)行排除。應(yīng)用傳感器技術(shù)與人工智能技術(shù)對播種情況進(jìn)行監(jiān)控，可以保證播量的精確性[5-6]。因此，本研究以玉米精量播種機(jī)為研究對象，基于國內(nèi)外精量播種機(jī)監(jiān)控裝置發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種玉米精量播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)核心模塊進(jìn)行論述，最后通過田間試驗開展播量性能檢測試驗。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)70年代，國外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)逐步強(qiáng)化監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備上的應(yīng)用與發(fā)展，主要包括機(jī)械式報警裝置、機(jī)電信號報警裝置和電子監(jiān)控裝置。如英國S870精量播種機(jī)安裝電子監(jiān)控裝置，可以實現(xiàn)對種箱和排種裝置的監(jiān)測，AEE公司研發(fā)的電子監(jiān)控裝置可以實時監(jiān)控種子的工作與流動狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)排種故障時，監(jiān)控器會發(fā)出相應(yīng)的報警信號。隨著人工智能技術(shù)和傳感器技術(shù)的逐漸發(fā)展，越來越多的高新科技應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控裝置中，并基于人工智能技術(shù)實現(xiàn)對各項數(shù)據(jù)的處理和分析。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的研究，我國起步較晚。近年來隨著各個科研院所與生產(chǎn)企業(yè)的不斷研發(fā)，針對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，取得了一系列研究成果。如遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)一種播種機(jī)電子監(jiān)視器，可以對播種過程中的株距均勻性和重播、漏播等現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控；渤農(nóng)機(jī)械基于集成電路，在播種機(jī)排種裝置安裝傳感器，當(dāng)出現(xiàn)排種異常時發(fā)出相應(yīng)的聲光警告；山東理工大學(xué)設(shè)計一種霍爾傳感器與電機(jī)驅(qū)動下播種參數(shù)無極調(diào)速裝置，基于播種機(jī)前進(jìn)速度、株距和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)利用拖拉機(jī)前進(jìn)速度和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速等實現(xiàn)株距調(diào)節(jié)。

1.3 研究總結(jié)

通過國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，近年來我國對精量播種機(jī)監(jiān)控裝置取得了相關(guān)研究成果，但是與國外發(fā)達(dá)國家相比，主要存在以下幾個問題。

1)播種株距等技術(shù)參數(shù)不穩(wěn)定。目前我國主要采用研發(fā)新型排種器提高排種均勻性與精度，該技術(shù)雖然可以有效改善排種均勻性，但是不能保證播種株距的一致性。

2)播種監(jiān)控功能不完善。目前我國關(guān)于精密播種機(jī)監(jiān)控裝置的研發(fā)只有少數(shù)幾家企業(yè)，監(jiān)測功能較為單一，難以實現(xiàn)在田間作業(yè)中的廣泛應(yīng)用。由于國外傳感器技術(shù)較為先進(jìn)，可以實現(xiàn)播種監(jiān)測和故障報警等功能，但是由于生產(chǎn)成本和知識產(chǎn)權(quán)等限制，難以在我國得到廣泛應(yīng)用。

2 精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 性能指標(biāo)及要求

1)播量穩(wěn)定性。主要是指在播種機(jī)各個時間段內(nèi)排出的種子數(shù)量一致，可以用來評價精密播種機(jī)的工作穩(wěn)定性。

2)播種均勻性。主要是指種子在種床的分布均勻性。

3)播深穩(wěn)定性。主要是指種子上方覆蓋的土層厚度在規(guī)定范圍內(nèi)，誤差≤1 cm。

2.2 總體設(shè)計方案

基于玉米精密播種機(jī)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的研究。玉米氣力式精量播種機(jī)主要包括行走輪、機(jī)架、測速模塊、排量監(jiān)測裝置、鎮(zhèn)壓裝置等組成(圖1)。

1.行走輪；2.測速模塊；3.機(jī)架；4.風(fēng)機(jī)；5.電機(jī)；6.四連桿仿形；7.排種量監(jiān)測裝置；8.種箱；9.排種裝置；10.鎮(zhèn)壓力監(jiān)測裝置；11.鎮(zhèn)壓輪；12.電缸；13.覆土器；14.開溝器圖1 玉米精密播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

玉米精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)測技術(shù)參數(shù)包括播種量、播種面積、重播率、漏播率，并通過人機(jī)交互系統(tǒng)實時顯示播種機(jī)各項參數(shù)。其整體監(jiān)控方案功能示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)示意圖

3 精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件及軟件組成

3.1 單片機(jī)的設(shè)計與選型

選取美國德州儀器公司生產(chǎn)的MSP430單片機(jī)為控制器，具有512字節(jié)的RAM存儲器，其端口引線如表1所示。

表1 單片機(jī)端口接線表

3.2 人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計

人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過觸摸屏完成對相關(guān)參數(shù)的設(shè)置及信息采集。要求觸摸屏具有足夠的數(shù)據(jù)存儲空間和分辨率。在此選擇北京迪文科DMT80600T080-22W觸摸屏，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 觸摸屏技術(shù)參數(shù)

3.3 驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計

在選擇精密播種機(jī)步進(jìn)電機(jī)時，要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于精密播種機(jī)工作負(fù)載所需的功率，根據(jù)田間播種要求，選取混合式步進(jìn)電機(jī)86HBP150AL4-TK0作為精密播種機(jī)的驅(qū)動電機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 混合式步進(jìn)電機(jī)86HBP150AL4-TK0技術(shù)參數(shù)

3.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分采用C語言進(jìn)行編程，將復(fù)雜的程序劃分為若干個獨(dú)立模塊進(jìn)行編程與設(shè)計。主要涉及模塊包括作業(yè)情況監(jiān)測模塊、排種器監(jiān)測模塊、播種株距調(diào)控模塊、覆土鎮(zhèn)壓監(jiān)測模塊等。軟件系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

4 智能監(jiān)控系統(tǒng)測試與分析

4.1 試驗材料與方法

基于自主研發(fā)的玉米精密播種機(jī)監(jiān)控裝置，通過田間試驗驗證該監(jiān)控系統(tǒng)對播種量和作業(yè)面積參數(shù)采集的可靠性與精確性影響。排種器轉(zhuǎn)速設(shè)置為25～50 r·min-1，機(jī)器前進(jìn)速度為5 km·h-1，排種株距設(shè)置為20 cm，行距設(shè)置為60 cm。

4.2 播量和播種面積性能試驗

研究結(jié)果表明，精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對播種面積準(zhǔn)確度和播種量的檢測。監(jiān)測參數(shù)與實際參數(shù)誤差較小，精確性較高，可以滿足田間作業(yè)要求(表4、表5)。

表4 播種面積準(zhǔn)確度監(jiān)測結(jié)果

表5 播種量準(zhǔn)確度監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

本研究針對精量播種機(jī)存在的智能化水平較低，監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性較差等問題，基于國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，以玉米精量播種機(jī)為研究對象，提出一種玉米精量播種機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，并對整體設(shè)計方案與軟、硬件組成進(jìn)行系統(tǒng)論述，結(jié)合田間試驗對播種量和播種面積進(jìn)行分析。研究結(jié)果對于促進(jìn)我國播種機(jī)自動化和智能化發(fā)展提供技術(shù)參考與借鑒，對于推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型提供新的發(fā)展思路。