玉米免耕播種機(jī)工作性能自動監(jiān)測技術(shù)

解佰一,唐麗敏,李麗麗

(東豐縣二龍山鄉(xiāng)綜合服務(wù)中心,吉林 東豐 136318)

0 引言

保護(hù)性耕作技術(shù)是指采用少耕和免耕等技術(shù),減少對土壤翻耕的干擾,可以保護(hù)土壤理化結(jié)構(gòu)和微生物生活環(huán)境,為作物提供良好的生長環(huán)境[1-3]。由于保護(hù)性耕作技術(shù)將秸稈殘茬覆蓋在土壤地表,容易對后續(xù)播種機(jī)械造成干擾,導(dǎo)致機(jī)械堵塞及排種困難等故障,進(jìn)而影響播種質(zhì)量,難以保證作物產(chǎn)量及品質(zhì)。

為了提高免耕播種機(jī)工作質(zhì)量,應(yīng)設(shè)計一種免耕播種機(jī)工作性能檢測系統(tǒng),對免耕播種機(jī)工作質(zhì)量和工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械故障時及時報警,提高免耕播種質(zhì)量與效率。

1 播種機(jī)械檢測技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用,農(nóng)業(yè)機(jī)械化信息技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用,農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)逐漸成熟。播種環(huán)節(jié)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),直接影響后續(xù)作物產(chǎn)量的提升,目前針對播種機(jī)械的智能監(jiān)測技術(shù)逐漸趨于多樣化發(fā)展,如光電感應(yīng)技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)等[4]。

1.1 國外發(fā)展進(jìn)展

國外方面,歐洲部分國家、美國、加拿大等國家在播種機(jī)械檢測技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。其中,德國、荷蘭、瑞典等國家的播種機(jī)械制造商在技術(shù)研發(fā)方面具有很高的水平。例如,Kverneland Group公司推出了一種名為“IntelliSeed”的播種控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對種子的精確計量和投放,提高播種精度和效率。美國的約翰迪爾公司開發(fā)了一種稱名“SeedStar”的播種控制系統(tǒng),可以根據(jù)不同作物和播種條件進(jìn)行自動調(diào)整;日本研發(fā)了一種基于光電感應(yīng)技術(shù)的精密排種器排種檢測裝置,該裝置可以通過精密控制種子下落的時間和角度,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的種植。具體來說,該裝置通過內(nèi)置的光電感應(yīng)器,能夠?qū)崟r監(jiān)測種子的下落情況,并通過微調(diào)控制種子下落時間和角度,保證種子精準(zhǔn)地落在目標(biāo)位置。這種精密排種器排種檢測裝置主要應(yīng)用于高精度農(nóng)業(yè)種植,如蔬菜、水果等作物的種植。相比傳統(tǒng)的手工播種方式,該裝置可以大幅提高種植的準(zhǔn)確性和效率,同時減少人工勞動強(qiáng)度和成本。此外,該裝置還可以配合GPS、地理信息系統(tǒng)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)種植管理。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)方面播種機(jī)械檢測技術(shù)也取得了一定的進(jìn)展。各大農(nóng)機(jī)廠商如中聯(lián)重科、一拖集團(tuán)、山東金普、河北金邦等紛紛推出了自動化播種機(jī)械,并在播種機(jī)械控制系統(tǒng)的研發(fā)方面進(jìn)行了一系列嘗試。同時,各大農(nóng)業(yè)高校和科研機(jī)構(gòu)也積極探索播種機(jī)械檢測技術(shù)。例如,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的王德根教授團(tuán)隊研發(fā)了一種基于圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)的玉米種子數(shù)量檢測系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對播種數(shù)量的實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。該系統(tǒng)利用高分辨率相機(jī)對播種后的玉米種子進(jìn)行拍照,然后采用圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對種子數(shù)量的實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整,從而確保播種質(zhì)量和效率。這些機(jī)械利用傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了播種深度、種子間距、播種速度等參數(shù)的自動化控制。

綜上所述,播種機(jī)械檢測技術(shù)在國內(nèi)外都得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。未來,隨著人工智能、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展,播種機(jī)械檢測技術(shù)將會更加成熟和智能化,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效、精準(zhǔn)、可持續(xù)發(fā)展提供更多支持。

2 虛擬儀器技術(shù)

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向精準(zhǔn)化、智能化和信息化方向發(fā)展,機(jī)械播種質(zhì)量逐漸提高,但是由于檢測設(shè)備與儀器質(zhì)量及工作性能參差不齊,不能很好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。針對以上問題,虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2.1 概念

虛擬儀器技術(shù)(Virtual Instrument,VI)是由美國國家儀器公司在1986年提出的新的儀器開發(fā)概念,主要是指利用高性能的模塊化硬件,基于高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用[5-6]。靈活高效的軟件能夠?yàn)橛脩魟?chuàng)建完全自定義的用戶界面,模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成,滿足對同步和定時應(yīng)用的需求,用戶可以通過自行設(shè)置和調(diào)節(jié)虛擬儀器等工作參數(shù)滿足自身測控需求,利用顯示模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少,以及出色的集成等應(yīng)用優(yōu)勢[7]。

與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器的使用更加靈活和便捷,可以自由組合硬件和軟件,實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備功能的多樣性,可以降低系統(tǒng)開發(fā)時間和生產(chǎn)成本。例如使用USB等無線局域網(wǎng)絡(luò)等多種方式實(shí)現(xiàn)與外接設(shè)備的連接和信息傳輸,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪?避免傳統(tǒng)儀器使用過程中由于單一連接方式限制了系統(tǒng)與外接設(shè)備連接的不便性。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的特點(diǎn)對比如表3所示。本研究選取美國國家儀器公司研發(fā)的LabVIEW用于虛擬儀器的技術(shù)開發(fā),在程序開發(fā)過程中可以使用流程圖作為程序編寫手段。

表3 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的特點(diǎn)分析

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬儀器技術(shù)因其開發(fā)周期短、使用成本低及靈活性強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。如北京林業(yè)大學(xué)基于LabVIEW軟件進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)動機(jī)故障檢測;中國農(nóng)業(yè)大學(xué)基于LabVIEW軟件設(shè)計一種谷物收獲及故障判別系統(tǒng),可以實(shí)時獲取谷物聯(lián)合收獲機(jī)相關(guān)工作參數(shù),如谷物喂入量、機(jī)器行進(jìn)速度和谷物損失量等;東北農(nóng)業(yè)大學(xué)基于LabVIEW軟件和ZigBee系統(tǒng)設(shè)計一種溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境中環(huán)境信息和土壤信息的自動監(jiān)測。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案及硬件選擇

3.1 電容式接近開關(guān)傳感器

電容式接近開關(guān)傳感器安裝在免耕播種機(jī)的排種器金屬鐵管中,可以沿著金屬鐵管調(diào)節(jié)其安裝高度,主要用于播種過程中播種質(zhì)量檢測。該傳感器由振蕩電路、放大電路和開關(guān)電路組成,當(dāng)種子進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域后,振蕩器在磁場作用下發(fā)生變化,并通過A-D轉(zhuǎn)換將信號傳遞給數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

3.2 拉壓力傳感器

壓力傳感器安裝在播種機(jī)種箱側(cè)壁。本研究選擇S型拉壓力傳感器測定播種機(jī)牽引阻力,傳感器型號為HSTL-BLSM,其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 HSTL-BLSM拉壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

3.3 上位PC機(jī)

由于LabVIEW虛擬儀器程序占用內(nèi)存較小,本研究采用有線傳輸?shù)姆绞脚c免耕播種機(jī)連接,選擇便攜式筆記本PC機(jī),型號為聯(lián)想Thinkbook14(01CD),操作系統(tǒng)為Windows10,內(nèi)存容量為8 GB,CPU類型為Intel i7,內(nèi)存類型為DDR4。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

本研究以玉米播種為研究對象,配套拖拉機(jī)動力為6.5 kW,可以同時進(jìn)行2行玉米免耕播種作業(yè),穩(wěn)定田間作業(yè)速度為2～5 km·h-1,種子播深為30～35 mm。播種小區(qū)長度為40 m,播種間距為400 mm,播種量參數(shù)為520 kg·hm-2。

4.2 結(jié)果與分析

種箱排空檢測結(jié)果如表5所示,每次試驗(yàn)重復(fù)三次,結(jié)果表明,系統(tǒng)可以對玉米免耕播種作業(yè)過程中種箱排空檢測準(zhǔn)確率達(dá)到100%,能夠精準(zhǔn)地對機(jī)具故障位置進(jìn)行報警。

表5 玉米免耕播種機(jī)種箱排空試驗(yàn)結(jié)果

播種質(zhì)量檢測指標(biāo)主要包括重播率和漏播率,試驗(yàn)過程中以人工計數(shù)為對照,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明,系統(tǒng)對重播率的測定精度為97.4%,對漏播率的測定精度為98.1%,檢測精度可以滿足田間生產(chǎn)要求。

表6 播種質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論與展望

本研究針對保護(hù)性耕作后免耕播種影響后續(xù)播種質(zhì)量,基于LabVIEW虛擬儀器平臺設(shè)以一種免耕播種機(jī)工作性能監(jiān)測系統(tǒng),對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計與選型,并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性,主要測定指標(biāo)包括重播率和漏播率等,并且系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對種箱排空情況進(jìn)行報警。研究結(jié)果可以為免耕播種機(jī)的設(shè)計提供技術(shù)參考。

未來,應(yīng)增加更多指標(biāo)檢測項目,如施肥質(zhì)量和施肥深度等,增強(qiáng)傳感器的田間抗干擾能力,消除田間環(huán)境對傳感器的干擾,提高信號傳輸精度與數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性要求。