油菜精密排種器智能檢測系統(tǒng)設(shè)計研究

呂 青 ，付全有

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410000）

1 研究目的及意義

我國作為世界油菜生產(chǎn)、加工、銷售大國，油菜種植范圍非常廣泛，全國各省份均有不同程度的分布，主要產(chǎn)區(qū)集中在長江流域，種植面積占全國的70%。油菜不僅可以加工食用油，在化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。油菜生產(chǎn)多數(shù)采用人工操作，勞動強度大，作業(yè)效率低，勞動力成本不斷提高，受多重不利因素影響，我國油菜生產(chǎn)效益低下，生產(chǎn)規(guī)模減小。根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2012—2018 年油菜籽種植面積持續(xù)呈現(xiàn)減少趨勢，2018 年油菜籽種植面積一度減少至6 550.61 khm2。

我國油菜種植方式主要有人工撒播、育苗移栽和機械化直播三種方式。人工撒播機械化水平低，浪費大量種子，消耗大量勞動力；育苗移栽實現(xiàn)株距均勻分布，但移栽的方式費時費力，工作量大，效率低，難以實現(xiàn)機械化；機械化直播是使用油菜播種機將油菜種子直接播種到田里，節(jié)省了大量勞動力，同時提高了生產(chǎn)效率，保證了株距均勻性，方便了后期的田間管理與油菜收獲，是提高油菜發(fā)展水平的重要途徑。

隨著油菜生產(chǎn)機械化程度的提高，油菜籽單位面積產(chǎn)量從2012 年的1 864.78 kg/hm2不斷提高，2020年單位面積產(chǎn)量達到2 076.82 kg/hm2，如圖1所示。

圖1 2012—2020年油菜籽單位面積產(chǎn)量

2 精密排種器檢測與監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

美國、加拿大、澳大利亞等國家積極研究排種器監(jiān)測技術(shù)，在傳感器觸發(fā)信號、圖像處理、智能控制等方面取得了一定成果。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團隊采用了機器視覺技術(shù)，實現(xiàn)了對精準播種的監(jiān)測。排種器監(jiān)測裝置的相關(guān)研究在國外已經(jīng)有了比較長的歷史。早在20 世紀50 年代，美國就開始研究利用光電技術(shù)監(jiān)測播種的密度和位置。到了20 世紀70 年代，美國工程師William Lienweber 提出了精密播種機的概念，并利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)了對種子的準確定位和控制，使得機械播種的精度得到了顯著提高。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國精量播種研究起步較晚，隨著我國精量播種技術(shù)不斷創(chuàng)新，對精量播種器檢測系統(tǒng)的研究力度也在不斷增大。

丁幼春等通過利用高速攝影技術(shù)對種子投種軌跡進行提取，分別研究了投種軌跡與正壓力關(guān)系、投種軌跡與成穴性關(guān)系，為精量排種器投種口、導(dǎo)種管的設(shè)計提供了參考[1-2]。

張勤仕利用激光管作為發(fā)光元件，光敏二極管作為光敏元件，設(shè)計了光柵式排種檢測傳感器[3]。

王雪玲設(shè)計了一種基于時變窗口的漏播實時檢測與自補種系統(tǒng)，可有效準確地檢測出油菜精量排種器的不同漏播狀態(tài)類型，并及時驅(qū)動補種器進行補種[4]。

吳明亮等基于壓力傳感器設(shè)計排量調(diào)控檢測系統(tǒng)，直接檢測排種箱的質(zhì)量變化，進而驅(qū)動排種軸電機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對排量的調(diào)控[5-6]。

3 油菜籽精密排種器監(jiān)測裝置的研究

3.1 研究內(nèi)容

本文以油菜精密排種器智能檢測系統(tǒng)為研究對象，主要研究內(nèi)容如下[7]。

1）油菜籽特性研究：選取油菜籽作為研究對象，對油菜籽特性進行研究，得到油菜籽下落時的運動軌跡，確定傳感器的安裝位置和傳感器檢測的高度和幅寬。

2）監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計：選擇合適的傳感器及單片機型號，用仿真軟件模擬傳感器工作過程，獲取播種時的漏播和重播情況[8]，搭建蜂鳴器及顯示屏，實現(xiàn)人機交互讀取到播種實時情況。

3.2 技術(shù)方案

油菜籽排種器排種工況監(jiān)測裝置的安裝位置選擇：在實際生產(chǎn)中，為了提高整個排種器的工作效率和性能，應(yīng)該將排種工況監(jiān)測裝置安裝于緊靠在開溝器上方的位置，通過這樣的安裝方式，可以最大限度地保證監(jiān)測裝置對于排種工況的實時監(jiān)測，并及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，保證排種器的順利運行。

光電傳感器由發(fā)射端和接收端兩個互相獨立的部分組成。發(fā)射端內(nèi)置直徑為10 mm 的紅外線發(fā)射二極管，其波長為850 nm，發(fā)射角度為45°，針對監(jiān)測裝置的特殊性，采用了長方體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其尺寸為45 mm×35 mm×40 mm，通過安裝焦距為17.5 mm的凸透鏡，實現(xiàn)了光線的聚焦和監(jiān)測精度的提升。接收端則采用了緊密排列的寬度為2 mm 的貼片式紅外接收二極管，通過串聯(lián)連接成一字型，用于接收發(fā)射端發(fā)出的紅外光信號，并且將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出，通過檢測信號電位差的變化來確定目標的存在與否。

該光電傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲干擾小、體積小、反應(yīng)速度快等特點，發(fā)射端和接收端都安裝有塑料防塵罩，以有效防止塵土附著等外界干擾因素影響光電傳感器的性能，同時方便清潔。該光電傳感器可以實時監(jiān)測種子落地質(zhì)量和顆粒均勻度，監(jiān)測裝置俯視圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測裝置俯視圖

該排種器排種工況監(jiān)測裝置的整體裝配圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測裝置整體裝配圖

3.3 裝置工作原理

在正常工作狀態(tài)下，紅外光線通過凸透鏡后被平行照射至接收端。通過監(jiān)測裝置排放的光線，可以實現(xiàn)對油菜籽的排種監(jiān)測，當(dāng)種子通過監(jiān)測裝置完全遮擋一個或多個紅外接收二極管時，接收端會產(chǎn)生電平變化，并將該電平信號傳輸至單片機中。通過單片機的計算，可以根據(jù)電平信號統(tǒng)計種子下落時間間隔，并結(jié)合增量式編碼器測得機具的前進速度，進而得出實際株距[9]。

相對于設(shè)定的理論株距，結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析可以得出漏播率、重播率以及播種量等信息。因此，監(jiān)測裝置對于油菜籽的排種過程監(jiān)測起著至關(guān)重要的作用，可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實現(xiàn)更為精確和高效的油菜籽排種作業(yè)。

監(jiān)測裝置通過單片機獲取相鄰兩粒種子下落時間間隔t，計算時采用t與播種機行進速度v的乘積，即vt，作為實際粒距的監(jiān)測值。

參考GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，運用監(jiān)測裝置對比理論粒距與實際粒距進行分析，并根據(jù)如下判斷標準對重播或漏播情況進行判定。

若vt≤0.5d，則視為重播；若vt>1.5d，則視為漏播。其中，d為播種理論株距（m），可以通過監(jiān)測系統(tǒng)的按鍵模板進行設(shè)定。

這樣得出的實際粒距信息、漏播率、重播率等數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)油菜籽種植行業(yè)決策，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。

理論排種量的計算方式為1 min 內(nèi)排種軸的轉(zhuǎn)數(shù)與排種盤的孔數(shù)的乘積。

與此同時，監(jiān)測系統(tǒng)還能夠記錄播種過程中1 min 內(nèi)計算得到的播種粒數(shù)，即實際排種量，通過將其與理論排種量比較，計算出報警系數(shù)[10]。

排種軸的轉(zhuǎn)速可以通過下式計算得出：

式中，n為排種軸轉(zhuǎn)速（r/min），i為傳動比。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測過程中，監(jiān)測裝置能夠通過采集光電傳感器的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并將其傳輸給嵌入式系統(tǒng)進行處理[11-12]。程序執(zhí)行過程中，嵌入式系統(tǒng)會定期檢測報警系數(shù)P是否超出設(shè)定范圍，以及是否出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象。如果檢測到超出設(shè)定范圍或者存在漏播或重播現(xiàn)象，系統(tǒng)會發(fā)出聲或光報警，提醒操作人員及時采取處理措施。

此外，如果單片機監(jiān)測到播種機的行進速度為0，則系統(tǒng)會判定播種機已停止工作并停止對播種過程的監(jiān)測。這些功能的實現(xiàn)可以在很大程度上提高播種的準確性和穩(wěn)定性，有效地降低播種過程中的風(fēng)險和損失。

3.4 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

該農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 單片機和LM2576 降壓芯片以及LM393AD 電壓比較器作為核心搭建而成。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括監(jiān)測模塊、測速模塊、語音報警模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊和LED 報警模塊等。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的電源來自拖拉機的蓄電池，系統(tǒng)的控制面板上的按鍵模塊可以對理論株距、測速輪直徑、滑移率、傳動比、測速周期和報警系數(shù)的范圍進行設(shè)置。其液晶顯示模塊可以實時顯示單行播量、總播種量、播種機行進速度、漏播率和重播率。此外，LED 報警模塊與播種通道對應(yīng)，若某一行或多行出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象，則對應(yīng)的LED 燈會閃爍報警，并且蜂鳴器會發(fā)出語音報警。

油菜籽排種器監(jiān)測電路如圖5 所示，該油菜籽排種器監(jiān)測電路主要由紅外發(fā)射二極管、紅外接收二極管和LM393AD 電壓比較器等器件組成。系統(tǒng)采用LM393AD 電壓比較器作為電子元器件，以提高監(jiān)測過程的可靠性和穩(wěn)定性，并可以同時處理兩路信號以提高工作效率。

圖5 排種器監(jiān)測電路

該系統(tǒng)還可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R3 來調(diào)節(jié)傳感器靈敏度，以滿足不同品種的種子經(jīng)過時對精度的不同要求。

此外，采用一個0.1 μF 電容C1 來濾除采集信號過程中的雜波，并保護電壓比較器的正常工作。

以上是該農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的電路設(shè)計方案和實現(xiàn)細節(jié)。

4 結(jié)論與討論

該油菜籽排種器工況監(jiān)測裝置使用紅外線檢測裝置來獲得每一粒種子下降過程中產(chǎn)生的信號脈沖，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后加以記錄，用來監(jiān)測油菜籽排種器工況是否出現(xiàn)漏播、重播等不利情況，記錄每一行的播種量等指標。

1）該排種器監(jiān)測裝置的優(yōu)點主要包括：

①提高種植效率。排種器監(jiān)測裝置監(jiān)測精度高，無需人工干預(yù)，可以大大提高種植效率。

②減少浪費。監(jiān)測裝置能夠準確監(jiān)測每一顆種子的位置和數(shù)量，避免了傳統(tǒng)播種方式中難以避免的浪費和重復(fù)種植。

③降低勞動強度。排種器監(jiān)測裝置能夠自動完成種子的監(jiān)測和排種，不需要人工干預(yù)，降低了勞動強度，提高了工作效率。

④提高種植質(zhì)量。監(jiān)測裝置能夠精確控制數(shù)量和位置，保證了種子的均勻分布，從而提高了種植質(zhì)量。

2）該排種器監(jiān)測裝置的缺點主要包括：

①費用高昂。由于采用了較為先進的技術(shù)，排種器監(jiān)測裝置價格相對較高。

②對操作人員要求較高。監(jiān)測裝置需要專業(yè)人員進行安裝和調(diào)試，對操作人員要求較高，且需要嚴格按照操作說明正確定位和調(diào)試每一步操作。

③適應(yīng)性有限。由于不同作物的種子特征不同，監(jiān)測裝置在適應(yīng)性方面存在一定局限性。

④信號干擾。此裝置對于信號干擾的適應(yīng)性表現(xiàn)得不太理想。

綜上，盡管排種器監(jiān)測裝置還存在一些局限和缺陷，但其在提高種植效率、減少浪費、減小勞動強度、提高種植質(zhì)量等方面的優(yōu)勢仍然使得其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

3）排種器監(jiān)測裝置的改進設(shè)計需要從多個方面來考慮，以下是一些可能的方向和設(shè)想：

①提高精度?？梢詮膫鞲衅鞯倪x擇和放置位置等方面入手，選擇更精準的傳感器并優(yōu)化其放置位置，從而提高監(jiān)測精度。

②降低成本?？梢詮目刂葡到y(tǒng)硬件改進和單片機軟件優(yōu)化等方面入手，盡可能地使用價格低廉但性能不錯的器件，以達到降低成本的目的。

③提高穩(wěn)定性。可以通過改進傳感器的設(shè)計、優(yōu)化信號濾波和放大電路等措施提高監(jiān)測裝置的穩(wěn)定性，降低誤差和干擾的影響。

④增加監(jiān)測功能?？梢栽黾颖O(jiān)測功能來豐富裝置的應(yīng)用場景，例如監(jiān)測作物的生長情況、溫濕度等環(huán)境參數(shù)等。

⑤引入智能化技術(shù)?？梢岳糜嬎銠C視覺、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)來實現(xiàn)智能化操作和決策，進一步提高排種器監(jiān)測裝置的自動化程度和作業(yè)效率。