免耕播種機(jī)播深智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

于守先,侯天寶,李德新

(東豐縣大陽(yáng)鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心,吉林 東豐 136306)

0 引言

免耕播種技術(shù)是保護(hù)性耕作技術(shù)的主要組成部分,主要是指在地表存在大量秸稈殘茬的基礎(chǔ)上進(jìn)行作物播種作業(yè)[1-3],但是由于地表平整度較差,免耕播種機(jī)工作穩(wěn)定性和播深質(zhì)量都受到較大影響。播深一致性是播種質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)與技術(shù)參數(shù),播深一致性直接影響作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的提升[4]。

在播種過程中,依靠人工進(jìn)行播種作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低等問題,在播種過程中容易發(fā)生機(jī)器堵塞造成大面積重播、漏播等現(xiàn)象[5]。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化和智能化的發(fā)展,利用傳感器、單片機(jī)等智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能監(jiān)測(cè)與調(diào)控是目前的主要發(fā)展趨勢(shì)與研究重點(diǎn)。因此,基于智能監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)免耕播種機(jī)播種質(zhì)量的監(jiān)測(cè)是提高免耕播種機(jī)工作效率的重要環(huán)節(jié),直接影響保護(hù)性耕作技術(shù)的大面積推廣與應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)免耕播種機(jī)研究起步較早,在20世紀(jì)40年代開始大量理論研究與試驗(yàn)分析,后期隨著電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的快速發(fā)展,已經(jīng)研制出較多相對(duì)成熟的智能監(jiān)控系統(tǒng)。如美國(guó)生產(chǎn)出一款精密播種機(jī)電子監(jiān)控系統(tǒng),傳感器類型較多,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)部件工作信息的監(jiān)測(cè)與采集,但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,傳感器容易受到田間高溫和灰塵的影響。后期,布盧農(nóng)業(yè)大學(xué)基于視覺識(shí)別技術(shù),研制出一種精密播種機(jī)作業(yè)制導(dǎo)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)播種的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以極大地提高播種機(jī)工作質(zhì)量與工作效率。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究中,盡管我國(guó)研究起步較晚,但是隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展,我國(guó)不同生產(chǎn)企業(yè)和科研高校將信息技術(shù)與播種機(jī)結(jié)合,對(duì)免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究,也取得了較大的研究進(jìn)展,并且設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu),如平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)、安裝限深輪等方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并且通過液壓調(diào)節(jié)裝置控制播種深度,基于多種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)播種深度的調(diào)節(jié)與控制。

2 免耕播種機(jī)播深實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及功能

本研究選擇免耕播種機(jī)型號(hào)為2BMZF-2,適合在秸稈覆蓋的地表上進(jìn)行播種作業(yè),配合22～37 kW牽引機(jī)車,主要由機(jī)架、牽引梁等作業(yè)機(jī)構(gòu)組成,可以一次性完成施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等作業(yè)環(huán)節(jié)。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[6]。

表1 2BMZF-2免耕播種機(jī)技術(shù)參數(shù)

免耕播種機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括播深信息采集模塊、通信模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊等。各部分功能如下:

1)顯示模塊。用于操作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和免耕播種機(jī)各個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息的顯示。

2)播種深度信息采集。主要是在免耕播種機(jī)工作過程中對(duì)播種深度數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行分析和處理。

3)報(bào)警模塊。本研究采用聲光報(bào)警模塊檢測(cè)免耕播種機(jī)工作過程中實(shí)際播種深度與設(shè)定播種深度的差異性,超過設(shè)定閾值后發(fā)出警報(bào)。

4)通信模塊。通信模塊連接APP,將監(jiān)測(cè)信息傳輸至移動(dòng)客戶端。

5)電源模塊。采用車載12 V蓄電池電源經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換后供電。

2.2 播深信息采集模塊

播種深度信息監(jiān)測(cè)采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,經(jīng)過微處理器將數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸至移動(dòng)終端。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,其工作性能直接影響免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。其主要功能是將單片機(jī)采集的田間信息快速、高效地傳輸給上位機(jī)。為了保證數(shù)據(jù)信息在田間高溫、灰塵等惡劣環(huán)境中傳輸穩(wěn)定性,應(yīng)該保證通信模塊工作低功耗。因此,本研究選取ESP8266WiFi模塊作為免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信模塊。

2.4 報(bào)警單元

本研究選擇聲光報(bào)警器作為報(bào)警模塊,采用PNP三極管組成電流放電器,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)報(bào)警蜂鳴器和LED燈。

2.5 GPS定位模塊

免耕播種機(jī)田間工作采用GPS定位器實(shí)時(shí)獲取免耕播種機(jī)工作位置,在系統(tǒng)中采用ATGM336H,可以為用戶提供厘米級(jí)別的控制精度。

2.6 電源模塊設(shè)計(jì)

免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用12 V直流電壓,但是系統(tǒng)工作只需要5 V電壓,因此采用電源轉(zhuǎn)換芯片對(duì)電流進(jìn)行降壓。

3 播深實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程,程序編譯工具為KEIL C51軟件。C語(yǔ)言具有豐富的庫(kù)函數(shù),具有多種高級(jí)語(yǔ)言特點(diǎn),存在可讀性和移植性強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì),被廣泛用于各種系統(tǒng)開發(fā)。型號(hào)為STC89C516RD單片機(jī)作為主控單元,程序編寫完成后將C語(yǔ)言代碼寫入單片機(jī)內(nèi)部。

4 田間試驗(yàn)與分析

4.1 播種深度測(cè)定方法

作物播種深度采用《免耕播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》,當(dāng)田間播種深度≥3 cm時(shí),播種深度誤差為±1 cm,田間播種深度<3 cm時(shí),播種深度誤差為±0.5 cm。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 免耕播種機(jī)播種深度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 單位:%

播種深度評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算公式如式(1)(2)(3)和(4)所示

(1)

(2)

(3)

(4)

式中η—播種深度合格率,%;

n—播種深度合格數(shù);

N—播種深度測(cè)量點(diǎn)數(shù);

hi—播種深度測(cè)量值,mm;

Sh—播種深度標(biāo)準(zhǔn)差,mm;

Vh—播種深度變異系數(shù),%。

4.2 結(jié)果與分析

在田間試驗(yàn)中,設(shè)定不同作業(yè)速度,分別為4,6,8和10 km·h-1,設(shè)定作物播種深度為35 mm,選取25個(gè)采集點(diǎn)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù),同時(shí)記錄人工測(cè)量播深數(shù)據(jù),進(jìn)行對(duì)比與分析,數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,免耕播種機(jī)田間監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)值差異性較小,測(cè)定較為穩(wěn)定,系統(tǒng)監(jiān)控和人工測(cè)量之間的誤差大部分在5%以內(nèi),表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)播種深度的有效測(cè)量。

表3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析 單位:mm

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

針對(duì)免耕播種機(jī)播種過程中存在的播深質(zhì)量低、播深一致性差等問題,本研究基于智能控制技術(shù)提出一種免耕播種機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)播種深度的監(jiān)測(cè),通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證可知,系統(tǒng)監(jiān)測(cè)播種深度與人工監(jiān)測(cè)誤差較小,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)免耕播種機(jī)播種深度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5.2 展望

未來應(yīng)增強(qiáng)免耕播種機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)APP監(jiān)測(cè)信息多樣化發(fā)展,并且基于視覺注意機(jī)制等實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)向人性化和智能化方向發(fā)展;另一方面,在機(jī)械設(shè)計(jì)中,應(yīng)該使用液壓裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)播種深度和開溝器的精準(zhǔn)調(diào)節(jié),促進(jìn)免耕播種機(jī)向精密免耕播種機(jī)方向發(fā)展。