戈天劍，趙　斌，衣淑娟，陳　金，王曉偉，范學(xué)佳，趙明慧

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶　163319；2.黑龍江省建三江前進工商行政管理局，黑龍江 佳木斯　156331)

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精密播種機播種計量監(jiān)測系統(tǒng)的研究

戈天劍1，趙斌1，衣淑娟1，陳金1，王曉偉1，范學(xué)佳1，趙明慧2

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163319；2.黑龍江省建三江前進工商行政管理局，黑龍江 佳木斯156331)

摘要：為了提高播種機作業(yè)效率與質(zhì)量，設(shè)計了播種計量監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，采用無線通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，使用編碼器實時采集播種機的作業(yè)距離，通過3對紅外光電傳感器對種子下落信息進行采集，使用電容式接近開關(guān)進行種箱狀態(tài)的監(jiān)測，由LCD液晶屏顯示獲取的參數(shù)。田間試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，報警及時準(zhǔn)確，對提高播種機工作效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：播種機；計量；監(jiān)測；編碼器；接近開關(guān)

0引言

隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，精密播種機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大面積播種作業(yè)中。精密播種機可實現(xiàn)一穴一粒，不僅節(jié)約種子、減少定苗工作量，而且能增加作物產(chǎn)量[1]，提高了播種效率和質(zhì)量。播種機的導(dǎo)種管安裝在兩個開溝器中間，排種器也是封閉設(shè)計的，作業(yè)過程中無法觀察其工作情況；另外，精密播種機都是多行同時作業(yè)，田間情況惡劣，會出現(xiàn)導(dǎo)種管管口被雜物堵塞或種子在導(dǎo)種管內(nèi)部堆積造成堵塞、種箱排空等問題，如果無法及時發(fā)現(xiàn)故障并排除，會造成大面積漏播，嚴(yán)重影響糧食產(chǎn)量。因此，研究一套播種機播種計量監(jiān)測系統(tǒng)對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要意義。

國外對精密播種機監(jiān)測系統(tǒng)研究起步較早，技術(shù)比較成熟[2]，如美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)研究出一種快速測量播種機排種間距的光電傳感器系統(tǒng)[3]。國內(nèi)對播種機監(jiān)測技術(shù)的研究起步較晚，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王樹才等采用壓電傳感器，將單粒種子下落的物理量轉(zhuǎn)化為電量，通過信號轉(zhuǎn)換檢測其排種性能參數(shù)[4]。國內(nèi)多數(shù)研究為種管堵塞及種箱排空的監(jiān)測[5-9]，在重播、漏播的技術(shù)上不完善，且光電傳感器監(jiān)測盲區(qū)較大；

在株距和作業(yè)面積兩個參數(shù)測量上，常常通過測量機具作業(yè)距離來計算。以往的距離測量常采用超聲波測距法[10]，但由于田間空曠，沒有參照物，無法實現(xiàn)。隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和廣泛使用，GPS被用來測量各種作業(yè)面積[11-14]，但精度不高。為了彌補上述的不足，設(shè)計了一套精密播種機播種計量監(jiān)測系統(tǒng)，將3對光電傳感器并排安裝在導(dǎo)種管中部[15-16]，有效地減少了監(jiān)測盲區(qū)；通過安裝在地輪的編碼器間接測量機具的作業(yè)距離，提高了精度，降低了成本；系統(tǒng)可顯示播種機作業(yè)過程中的各項參數(shù)，發(fā)現(xiàn)故障并及時報警，并可適用于不同類型的播種機，性能穩(wěn)定。

1監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)組成，上位機系統(tǒng)主要完成接收數(shù)據(jù)顯示、人機通信及播種機作業(yè)距離采集等。編碼器安裝在播種機的地輪上，由上位機進行信號采集，計算出的作業(yè)距離和傳上來的播種量經(jīng)計算后得出平均株距，作業(yè)面積由播種機作業(yè)距離與作業(yè)幅寬計算后獲得，最終顯示在LCD液晶屏上；農(nóng)戶通過按鍵設(shè)定監(jiān)測系統(tǒng)的工作范圍(4、6、9、12行)；通過無線模塊，上位機可以向下位機發(fā)送控制指令、接收信息并顯示，下位機根據(jù)不同的指令向上位機傳送數(shù)據(jù)。下位機主要完成播種量的測量、種箱與種管狀態(tài)的監(jiān)測，并及時將信息傳送到上位機。由光電傳感器對種子下落信號進行采集和導(dǎo)種管空、堵的監(jiān)測，正常工作狀態(tài)下采集到的落種信號經(jīng)調(diào)理電路和邏輯判斷后送入單片機運算處理，將播種量傳輸?shù)缴衔粰C。如果發(fā)生導(dǎo)種管排空或堵塞的故障，立即向上位機發(fā)送報警信息。安裝在種箱內(nèi)的電容式接近開關(guān)會實時監(jiān)測種箱內(nèi)的狀況，一旦發(fā)生故障，向上位機發(fā)送報警信息。上位機接到報警信息后會在顯示屏上顯示故障區(qū)域，啟動報警器通知駕駛員停車排除故障。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2上位機系統(tǒng)硬件設(shè)計及測量原理

上位機系統(tǒng)由微處理器模塊、無線模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器、按鍵開關(guān)及報警模塊組成，主要是完成系統(tǒng)監(jiān)測范圍的設(shè)定、作業(yè)面積和株距的計算、與下位機之間的無線通信，以及對接收到的數(shù)據(jù)進行顯示。當(dāng)下位機傳上來報警信號時，及時處理并在顯示屏上顯示出故障區(qū)域，同時啟動報警。

2.1　作業(yè)面積及株距測量原理

GPS定位和測量作業(yè)面積的方法已應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但市場上大部分廉價的GPS模塊定位精度不高、誤差較大，影響監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。精度高的GPS模塊價格非常昂貴，會大大增加成本，無法應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。考慮到成本和測量精度的問題，選擇在精密播種機的地輪上加裝旋轉(zhuǎn)編碼器，由上位機的T0工作在計數(shù)器模式下采集編碼器的脈沖數(shù)，通過編碼器的脈沖數(shù)間接測量機具的作業(yè)距離。

監(jiān)測系統(tǒng)使用PKT1030-512-G05C型號的編碼器，1圈512個脈沖，抗干擾性強、分辨率高。根據(jù)播種機地輪周長，計算出1個脈沖機具的行進距離，通過采集到的脈沖數(shù)和作業(yè)幅寬計算出作業(yè)面積，則

(1)

S = L·M

(2)

其中，L為機具的作業(yè)距離(m)；N為編碼器的脈沖數(shù)；M為機具作業(yè)幅寬(m)；S為作業(yè)面積(m2)。將機具作業(yè)距離與相應(yīng)下位機傳上來的播種量相除，即得到該單體作業(yè)的平均株距。

2.2　人機通信模塊設(shè)計

上位機系統(tǒng)電路圖如圖2所示。上位機系統(tǒng)一共設(shè)計安裝8個人機對話按鍵，分別定義為向上按鍵S1、向下按鍵S2、確定按鍵S3、返回按鍵S4、下位機啟動按鍵S5、數(shù)據(jù)采集按鍵S6、正常停止按鍵S7、異常停止按鍵S8。系統(tǒng)開始工作后，通過按鍵對不同行數(shù)的播種機進行監(jiān)測范圍的設(shè)定，范圍確定后，先按下S5鍵向下位機發(fā)送啟動指令，啟動下位機工作，然后按下S6鍵進行數(shù)據(jù)采集；下位機將采集的播種量、種箱狀態(tài)上傳，按下正常停止按鍵S5后，會顯示當(dāng)前的總播種量、作業(yè)面積。顯示屏選用帶有漢字庫的QC12864B液晶顯示模塊，可以顯示4行，每行可以顯示8個漢字，藍(lán)色背光，與微處理器采用并行的控制方式。

圖 2　上位機系統(tǒng)電路圖

3下位機系統(tǒng)硬件設(shè)計

下位機主要完成播種量的采集，實時監(jiān)測導(dǎo)種管和種箱的工作狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送到上位機。系統(tǒng)以微處理器為核心，光電傳感器為播種量采集和導(dǎo)種管工作狀態(tài)監(jiān)測器件，將電容式接近開關(guān)安裝在距離種箱底部5cm的位置，監(jiān)測種箱狀態(tài)。

3.1　光電傳感器模塊

為減少監(jiān)測盲區(qū)，系統(tǒng)將3對并列排布的光電傳感器安裝在導(dǎo)種管中部，相比于只安裝1對光電傳感器，3對并列安裝方式可以監(jiān)測到在導(dǎo)種管中發(fā)生彈跳的種子，實現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)測，且可以監(jiān)測到重播。發(fā)射端使用穿透性強、光束集中的紅外發(fā)光二極管，接收端使用可減少日雜光干擾的黑膠體光敏三極管。調(diào)理電路使用CD401106BE型施密特觸發(fā)器，內(nèi)置6個反相器。邏輯判斷電路使用74LS10型3路3輸入與非門，將整形后的信號經(jīng)過邏輯電路2次邏輯判斷后，將信號傳送給微處理器。電路圖如圖3所示。

圖3　下位機系統(tǒng)電路圖

3.2　微處理器模塊

微處理器是監(jiān)測系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)的傳輸處理、按鍵控制、液晶屏的顯示及控制指令的發(fā)送等。系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片，該單片機具有60k的用戶應(yīng)用程序空間、3個時鐘輸出口、2個串口，有獨立波特率發(fā)生器，具備EEPROM功能；相比于傳統(tǒng)的8051單片機，運行速度提高8～12倍，穩(wěn)定性強。

3.3　箱空檢測電路

由于田間播種作業(yè)距離較長，一個種箱的種子無法完成整個作業(yè)過程，需要不斷添加種子。如果種箱排空未被及時發(fā)現(xiàn)，會造成大面積漏播，影響糧食產(chǎn)量。測量種箱的剩余種量常用壓力檢測法，將壓力傳感器放入種箱內(nèi)，測量壓力傳感器在箱空時的阻值大小，計算出加上5V電壓后的輸出值，輸出電壓值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后設(shè)為箱空標(biāo)定值。當(dāng)微處理器檢測到傳感器達到箱空值時，發(fā)出報警信號；但是，壓力傳感器的敏感區(qū)域較小，種子在種箱內(nèi)會不斷晃動，使傳感器的輸出電壓不斷變化，容易發(fā)生誤報警現(xiàn)象。因此，設(shè)計了一種電容式接近開關(guān)箱空檢測電路，系統(tǒng)使用LJC30A3-H-Z/BY型電容式接近開關(guān)，PNP常開型，工作電壓5V，接近距離可調(diào)范圍1～25mm。當(dāng)種量充足時，輸出高電平；當(dāng)種量不足時，種子離開關(guān)距離超出范圍，輸出低電平，微處理器根據(jù)接近開關(guān)的輸出電平判斷種箱狀態(tài)。相比于壓力檢測法，此方法受外界干擾更小，準(zhǔn)確性更高。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計主要是控制硬件的穩(wěn)定運行和進行高效率的工作，系統(tǒng)使用C語言進行程序的編寫。軟件設(shè)計分為上位機軟件設(shè)計和下位機軟件設(shè)計。上位機上電初始化后，進行監(jiān)測范圍的選擇，范圍確定后，按下啟動按鍵啟動下位機工作，然后按下數(shù)據(jù)采集鍵;上位機以1s的間隔依次向監(jiān)測范圍內(nèi)的下位機循環(huán)發(fā)送采集指令，下位機接收到指令后，將播種量和種箱狀態(tài)上傳；上位機將計算出的作業(yè)面積、株距與下位機上傳的播種量、種箱狀態(tài)一同顯示到液晶屏上；如果接收到報警信號，則啟動報警器，在液晶屏上顯示故障區(qū)域。上位機軟件流程圖如圖4所示。

圖4　上位機系統(tǒng)軟件流程圖

下位機上電初始化后，等待主機發(fā)出啟動指令，當(dāng)接收到上位機的啟動指令后，先檢測種管和種箱狀態(tài)是否正常，確認(rèn)正常后，啟動計數(shù)器工作；當(dāng)接收到上位機數(shù)據(jù)采集指令后，將采集的播種量和種箱狀態(tài)上傳；如果發(fā)現(xiàn)故障，通過無線模塊將報警信息傳送到上位機處理。下位機軟件流程圖如圖5所示。

圖5　下位機系統(tǒng)軟件流程

5試驗方法與結(jié)果

為驗證系統(tǒng)工作的可靠性和準(zhǔn)確性，于2015年9月20-22日在黑龍江省曙光農(nóng)場進行田間試驗。試驗作物為玉米，使用黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的2BJM-6型大馬力氣吸式精密播種機，行距650mm,分別進行了播種量、作業(yè)面積及報警準(zhǔn)確性的測試。

5.1　田間試驗方案

將12行播種機的前10個導(dǎo)種管與種箱作為試驗設(shè)備，按順序設(shè)定為1～10號。播種量的監(jiān)測為選取2 000粒玉米種子，分成10等份，分別放入10個種箱中，讓拖拉機以6km/h的速度將其播完，將系統(tǒng)測量的值與實際值相比較；機具的作業(yè)面積為機具的作業(yè)距離和作業(yè)幅寬的乘積，作業(yè)幅寬為定值。所以，通過機具作業(yè)距離的測量就可以估算出作業(yè)面積測量的精度，取5、10、15、20m距離進行試驗測量,每段距離進行3次試驗。導(dǎo)種管空、堵及種箱排空檢測試驗采用人為設(shè)置故障的方法，導(dǎo)種管排空檢測試驗為先將少量種子放入1號種箱內(nèi)，2～5號導(dǎo)種管與種箱的監(jiān)測設(shè)備關(guān)閉，讓拖拉機以6km/h的速度進行作業(yè)，依次試驗5次，觀察報警信息顯示是否與實際相符。導(dǎo)種管堵塞檢測方法與導(dǎo)種管排空檢測方法大體相同，不同點就是用物體將導(dǎo)種管堵住。箱空檢測試驗是觀察種子與接近開關(guān)的距離超出設(shè)置的范圍(10mm)后是否報警，顯示信息是否準(zhǔn)確，測試10組。

5.2　試驗結(jié)果

播種量測量結(jié)果如表1所示。播種量測量值最大誤差5%，準(zhǔn)確度較高，滿足生產(chǎn)需求。有些種子尺寸偏大，同時擋住3對光電傳感器，影響到邏輯判斷，系統(tǒng)誤認(rèn)為下落2粒種子，從而導(dǎo)致測量結(jié)果比實際值偏大。

機具作業(yè)距離的測量結(jié)果如表2所示。測量值比實際值偏小，原因是地輪打滑、測量土地不平整等產(chǎn)生的誤差。因此，應(yīng)該通過不同地段多次試驗，計算出較準(zhǔn)確的誤差系數(shù)，在微處理器計算時加入誤差系數(shù)，提高監(jiān)測系統(tǒng)的精度。

播種防堵、防排空10組實驗中，監(jiān)測系統(tǒng)均能及時發(fā)現(xiàn)故障報警，且顯示的故障區(qū)域與實際的故障區(qū)域相符。種箱防排空10組試驗中，電容式接近開關(guān)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測出種箱內(nèi)的狀態(tài)，一旦種子距離開關(guān)達到報警距離(10mm),及時發(fā)出報警信號。

表1　播種量試驗結(jié)果

表2　作業(yè)距離測量結(jié)果

6結(jié)論

監(jiān)測系統(tǒng)通過3對并列排布的光電傳感器對種子下落信息進行采集，解決了一對光電傳感器監(jiān)測盲區(qū)大、無法監(jiān)測到重播的問題；采用編碼器實時采集機具的作業(yè)距離，經(jīng)微處理器計算出機具的作業(yè)面積、株距，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高等特點，有效地降低了成本。上位機與下位機通過無線模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，減少了布線，便于裝置的安裝和拆卸；通過人機對話可以選擇不同的監(jiān)測范圍，適用于不同行數(shù)的播種機，通用性較強。試驗結(jié)果證明：系統(tǒng)能夠完成對播種機作業(yè)中的各項數(shù)據(jù)的采集顯示，能夠及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)種管堵塞、排空及種箱排空等故障并啟動報警，準(zhǔn)確地顯示出的故障區(qū)域。其監(jiān)測系統(tǒng)精度高，測量最大誤差率僅為5%，報警誤報率為0，可有效提高播種機作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，便于推廣使用。

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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0096-EA

Research on Precision Seeder Seeding Measurement and Monitoring System

Ge Tianjian1, Zhao Bin1, Yi Shujuan1, Chen Jin1， Wang Xiaowei1, Fan Xuejia1, Zhao Minghui2

(1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China;2.Qianjin Industrial and Commercial Administration Bureau of Jiansanjiang, Jiamusi 156331, China)

Abstract：In order to improve the operation efficiency and quality of seeder, seeder seeding measurement and monitoring system was designed. Embedded microcontroller is the core of system, sending data by wireless communication, using encoder to gather the operation distance of seeder, gathering fall condition of seeds by three pairs of infrared photoelectric sensor, using capacitor approach switch to monitor the state of seed can, displaying the obtained parameters in LCD . Field experiment showed that the system performance was stable and reliable, alarms promptly and accurately, and has important meanings in agricultural production and improve seeder operating efficiency.

Key words：seeder; measurement; monitoring; encoder; approach switch

中圖分類號：S223.2+5

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0096-05

作者簡介：戈天劍(1993-),男，黑龍江大慶人，碩士研究生，(E-mail)1933605369@qq.com。通訊作者：趙斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)616283364@qq.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-03)；黑龍江省科技廳項目(GZ13B013)；黑龍江省農(nóng)墾總局科委(HNK125B-07-15)；耕播機工況檢測與手機管理平臺的研究(HNK125B-05-19A)

收稿日期：2015-12-03