智能播種監(jiān)測裝置的研究進展

候玉強，李俊偉，徐洛川，楊光旭，康亞鵬，許云濤，張亮亮

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

0 引言

目前我國農(nóng)業(yè)正由粗放型經(jīng)濟轉(zhuǎn)向生態(tài)型經(jīng)濟，在“強化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，建設智慧農(nóng)業(yè)”的遠景目標下，隨著農(nóng)業(yè)機械和智能檢測技術(shù)的高度融合，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械正在向高效化、無人化、智能化發(fā)展，然而我國糧食生產(chǎn)量與世界先進農(nóng)業(yè)國家的差距依然巨大[1]，因此如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量、規(guī)范和配置能力等成為我國農(nóng)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展的關(guān)鍵。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，精準精量播種作為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、規(guī)范農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和配置土地的主要方式之一備受關(guān)注。國內(nèi)外學者針對播種器械在田間復雜工況下的重播、漏播、充種管堵塞和種箱排空等播種問題[2-3]基于不同類型的傳感器構(gòu)建了相應排種器和作物播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對其播種量、播種粒距和播種頻率的獲取。

本文針對國內(nèi)外播種監(jiān)測裝置的研究對象、系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)以及播種性能指標等三個方面進行闡述，分析當前播種監(jiān)測裝置研究中遇到的技術(shù)問題并展望新時期播種檢測裝置的發(fā)展方向。

1 光電式監(jiān)測法

光電式播種監(jiān)測法的應用較為廣泛，該方法以發(fā)光器件和光電感知元件獲取種子流信息，通過調(diào)理電路分析處理，一般以粒距、播種數(shù)、播種頻率等作為其性能指標。

國外部分學者通過對置式的光電器件實現(xiàn)了對導種管內(nèi)的種子流進行檢測，獲取種子播種粒距和播種數(shù)等播種參數(shù)，并通過指示燈、蜂鳴器等實現(xiàn)重漏播播種故障的聲光報警。其中Karimi等[4]通過光敏二極管開發(fā)出紅外傳感播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對導種管內(nèi)種子流質(zhì)量和流量的監(jiān)測。Hadi等[5]通過紅外激光二極管陣列傳感器構(gòu)建播種監(jiān)測裝置和播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)播種監(jiān)測。此外，MC Electronics、AEE 企業(yè)通過對射式紅外光電傳感器[6]和光電傳感器[7]構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對小麥、玉米等大中粒徑種子的精準監(jiān)測，成功獲取排種總量、漏播率、播種面積、株距和單位面積播量等參數(shù)，并通過語音和指示燈等方式實現(xiàn)人機交互，從而實現(xiàn)對漏播等播種故障的報警。

國內(nèi)對光電式播種監(jiān)測裝置的研究也有一定進展，其中張?zhí)鸬萚8]通過光纖計數(shù)式傳感器構(gòu)建了油菜精量排種器監(jiān)測系統(tǒng)（圖1），解決了速度過高導致的檢測精度不高的問題。徐春保等[9]通過薄面光折射式構(gòu)建多通道并行檢測裝置對導種管內(nèi)的小麥種子流進行檢測，獲取排種量和排種總量等性能指標，實現(xiàn)了小麥高頻種子流的精準檢測和漏播故障報警。王在滿等[10]通過環(huán)形布置面源式光電傳感器構(gòu)建了水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了不同工作轉(zhuǎn)速條件下的不同尺寸水稻的播種監(jiān)測，但由于種子重疊導致系統(tǒng)監(jiān)測精度不高。賈洪雷等[11]通過凹形光電傳感器和光電旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對吸種信息的獲取和定位。解春季等[12]以紅外光電的方式實現(xiàn)播種監(jiān)測，獲取了播種量、合格率、漏播率、重播率等參數(shù)。史智興等[13]采用紅光半導體激光二極管（RLD）和硅光電池構(gòu)造了一種高覆蓋率的排種傳感器，實現(xiàn)了對不同體積種子的準確監(jiān)測。

圖1 傳感器裝置

光電式播種監(jiān)測方法結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度較高，但是由于田間作業(yè)環(huán)境復雜，其工作穩(wěn)定性和監(jiān)測精度不高且易受外界影響。其中大部分學者通過選擇不同類型的光電傳感器實現(xiàn)對導種管內(nèi)不同作物種子流的在線監(jiān)測，但一些學者通過“光電式傳感器+編碼裝置”實現(xiàn)了對取種盤狀態(tài)的判定和定位。

2 電容式監(jiān)測法

電容式播種監(jiān)測法相較于光電式監(jiān)測法具有一定的抗塵和抗干擾能力，能夠?qū)χ丿B種子進行辨識。該類型傳感器一般以極板結(jié)構(gòu)為主，工作時對極板施加一定激勵電壓，當被檢測對象運動經(jīng)過極板產(chǎn)生的電場區(qū)域時引起極板檢測區(qū)域的等效介電常數(shù)的變化，從而引起輸出電容變化，據(jù)此采集并分析處理該信號，從而獲取相關(guān)播種信息。

國內(nèi)外電容檢測的研究主要集中于含水率測算和探傷等，其中JavadTaghinezhad 等[14]通過矩形平行板電容器傳感器構(gòu)建甘蔗排種器播種監(jiān)測系統(tǒng)，對甘蔗播種粒距均勻性進行監(jiān)測，獲取其作業(yè)過程中的漏播指數(shù)與重播指數(shù)。徐洛川等[15]基于棉種與所測電容值的數(shù)值關(guān)系建立預測模型，構(gòu)建棉種散粒物料的播種監(jiān)測裝置。

國內(nèi)關(guān)于電容檢測的研究也較多，其中朱亮等[16]通過空間電容器構(gòu)建排種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（圖2），改善傳統(tǒng)排種監(jiān)測裝置因環(huán)境灰塵而引起的不穩(wěn)定等問題，實現(xiàn)對正常、漏播和重播的判定。陳建國等[17]通過對置式平行極板電容傳感器構(gòu)建小麥直穴播監(jiān)測系統(tǒng)并進行試驗設計，提出差分動態(tài)閾值法檢測其播種量，實現(xiàn)對其精準檢測。田雷等[18]采用E型電容傳感器構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對其作業(yè)過程中的漏播或排種管堵塞等播種故障的監(jiān)測。周利明等[19]基于散粒物料的介電特性開發(fā)出一種排種器性能監(jiān)測系統(tǒng)，用于獲取播種工況下的排種量、漏播量及重播量等性能指標。王宇清等[20]通過非接觸式電容傳感器構(gòu)建新型精密播種機的播種性能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了種子流的精準檢測及對種箱排空、輸種管堵塞等播種故障的聲光報警。

圖2 試驗臺

綜上所述，電容式播種監(jiān)測法雖然具有一定的抗塵和抗干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對多粒種子的準確判定，但其易受振動、溫度和外部電容電感的影響。

3 “機器視覺+數(shù)字圖像處理”監(jiān)測法

“機器視覺+圖像處理”作為可視化檢測技術(shù)之一在國內(nèi)外一直備受關(guān)注。該方法通過高速攝像追蹤種子的運動軌跡，并通過相關(guān)數(shù)字圖像處理方法實時獲取其運動時間和空間位置等信息，隨后利用先進數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取粒距等播種參數(shù)，從而實現(xiàn)對重漏播等播種故障的報警。

其中A.A.Borja 等[21]通過機器視覺技術(shù)對特定區(qū)域內(nèi)玉米作物的特征進行獲取并記錄，實現(xiàn)對種子間距均勻性和落種速度的準確測算。Cognex企業(yè)[22]通過“機器視覺+數(shù)字圖像處理”構(gòu)建系統(tǒng)并對整套系統(tǒng)裝置的性能進行試驗，實現(xiàn)對目標對象的自動監(jiān)測。

國內(nèi)部分學者通過算法優(yōu)化實現(xiàn)了對不同作物種子流的監(jiān)測。其中曹葉等[23]通過LabVIEW設計了基于計算機視覺的精密排種器的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對種子圖像坐標的獲取。韓國鑫等[24]針對水稻穴直播過程中人工監(jiān)測困難等問題開發(fā)了基于運動圖像處理技術(shù)的播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對播種量和作業(yè)質(zhì)量的實時監(jiān)測。董文浩等[25]通過嵌入式機器視覺的檢測和控制裝置設計了雜交稻低播量檢控裝置，實時采集播種后種子圖像，實現(xiàn)恒量播種?？凳烙⒌萚26]通過機器視覺技術(shù)建立了糧種顆粒自動化監(jiān)測系統(tǒng)，通過試驗對照分析驗證了該系統(tǒng)的可行性。王桂蓮等[27]通過構(gòu)建“CCD攝像裝置+圖像處理”裝置（圖3）實現(xiàn)了秧盤位置的定位和空穴位置的動態(tài)補種。李潤濤等[28]利用“CCD 攝像機+光纖傳感器”對動態(tài)種子流的運動軌跡進行記錄，測出排種器的相關(guān)性能指標。徐彥蘭等[29]基于種子坐標監(jiān)測和平穩(wěn)隨機過程提出自動化排種器性能監(jiān)測方法，進一步闡述了試驗目的、試驗監(jiān)測系統(tǒng)、試驗設計以及試驗實施方法。李朋飛等[30]針對重播、漏播、播種性能不穩(wěn)定等問題通過機器視覺技術(shù)構(gòu)建穴盤精量播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對玉米播種狀態(tài)的精準監(jiān)測。

圖3 水稻秧盤育秧智能補種裝置結(jié)構(gòu)示意

“機器視覺+數(shù)字圖像處理”技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用較為廣泛，對精準農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，但是由于硬件設施成本和工作環(huán)境要求制約，該監(jiān)測技術(shù)目前仍處于試驗階段，未能完全推廣和應用。

4 壓電式監(jiān)測法

光電式、電容式和“機器視覺+數(shù)字圖像處理”均為典型的非接觸播種監(jiān)測方法，而壓電式監(jiān)測法是接觸式播種監(jiān)測技術(shù)，該類型傳感器通過壓電薄膜等壓力傳感器采集種粒下落沖擊力，將壓力值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖信號。

孫國俊等[31]通過PVDF 雙壓電薄膜傳感器構(gòu)建了播種機性能監(jiān)測系統(tǒng)，設置參照壓電薄膜，基于遲滯原理通過“邏輯運算模塊+施密特電路”消除比較器抖動干擾，濾除外部振動信號干擾，實現(xiàn)對玉米精量排種器排種合格率、重播率、漏播率等性能參數(shù)的監(jiān)測。王金武等[32]以彈射式耳勺型水稻穴直播排種器為研究對象，通過PVDF 壓電薄膜和ATmega328PMCU 控制器構(gòu)建水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，設計相應導種管確定播種故障判定算法，該系統(tǒng)能夠有效采集輸出信號并獲取系統(tǒng)重播監(jiān)測精度和漏播監(jiān)測精度等。丁幼春等[33]以小粒徑種子流為研究對象，設計油菜排種器種子流監(jiān)測裝置，通過種子與壓電薄膜之間碰撞信號特征設計了“沉槽基板+壓電薄膜感應結(jié)構(gòu)”，實現(xiàn)對高頻種子流的檢測，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。黃東巖[34]等通過聚偏二氟乙烯（polyvinylidencefluoride，PVDF）壓電薄膜和單片機ST C89C52 構(gòu)建排種監(jiān)測系統(tǒng)（圖4），將落粒物理量輸出為脈沖電壓信號，實現(xiàn)對排種器的實時監(jiān)測。

圖4 系統(tǒng)框圖

壓電式監(jiān)測法具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、抗塵能力強等優(yōu)點，但由于其易受外部振動的影響，對安裝方式要求較高，此外該方法無法準確分辨同時、多粒狀態(tài)的接觸種子流，因而僅適用于漏播監(jiān)測。

5 未來發(fā)展趨勢

隨著先進檢測方法的完善和創(chuàng)新，國內(nèi)學者基于現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)和工作特點構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對不同類型排種器、不同作物的在線排種監(jiān)測，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支持，但大部分播種監(jiān)測裝置存在高頻、高通量、播種檢測分辨率不高且作物兼容性不強的問題。

隨著農(nóng)業(yè)機械的不斷優(yōu)化和發(fā)展，高頻、寬幅必將成為其未來的發(fā)展趨勢，為實現(xiàn)高頻、高通種子流的精準檢測，應對相應播種檢測裝置的傳感器元件和信號處理電路進行優(yōu)化，提高其檢測效率，此外應開展將高頻、高通量種子流分為多路低通量種子流的研究，從而實現(xiàn)其精準檢測。