胡 飛， 劉 遠(yuǎn)， 陳彩蓉， 尹文慶， 李 驊， 浦 浩

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

0 引 言

播種是蔬菜生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，播種的效率和質(zhì)量是提升蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素。目前國(guó)內(nèi)常用的排種檢測(cè)方法有光電檢測(cè)、圖像檢測(cè)、聲波檢測(cè)、重力監(jiān)測(cè)等[1～3]。光電檢測(cè)法設(shè)備安裝簡(jiǎn)便、成本低廉，檢測(cè)可靠，穩(wěn)定性好，采用高強(qiáng)度光后受灰塵影響小，對(duì)環(huán)境要求低；圖像分析法分析準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率高，但成本較高，田間作業(yè)易受雜物干擾，難以保證正常工作；聲波檢測(cè)法檢測(cè)范圍大，不受作業(yè)時(shí)間影響，成本較低，但是田間作業(yè)噪音較大，影響接收器工作；重力檢測(cè)法是根據(jù)重力原理進(jìn)行工作的，常用于檢測(cè)質(zhì)量較大的物體。

光電檢測(cè)法已成為非常廣泛的播種監(jiān)測(cè)手段[4]。傳統(tǒng)光電檢測(cè)法多采用普通光敏三極管、光敏二極管或光敏電阻作為檢測(cè)元件[5,6]。光敏三極管靈敏度高、光電流大，但其頻率特性易受負(fù)載影響，響應(yīng)速度慢；紅外光敏二極管線性好、響應(yīng)速度快，但易受外界光照影響[7]；光敏電阻靈敏度高，體積小、壽命長(zhǎng)，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。由于蔬菜種子大多數(shù)粒徑較小，且形態(tài)多種多樣，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法通常難以滿足蔬菜種子精密播種的實(shí)際需求，本文提出基于光纖傳感器和LabVIEW的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于蔬菜播種過(guò)程的高效高質(zhì)完成。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

蔬菜精密播種試驗(yàn)臺(tái)主要采用無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)模擬播種機(jī)在大田行走，在傳送帶上方安裝排種器作為播種裝置。播種作業(yè)時(shí)，蔬菜種子由排種器分離為單顆粒通過(guò)導(dǎo)種管落到傳送帶上。精密播種監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要有播種速度、播種間距、排種量等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要用于檢測(cè)種子落下的光電信號(hào)和傳送帶行進(jìn)、排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度信號(hào);電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和無(wú)刷直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)采集卡發(fā)送的脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感帶和排種盤(pán)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);上位機(jī)系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)和LabVIEW上位機(jī)程序，通過(guò)人機(jī)交互界面將穴距、播速、每穴粒數(shù)等播種試驗(yàn)參數(shù)預(yù)置值發(fā)送到采集卡，并接收采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，實(shí)現(xiàn)蔬菜精密播種監(jiān)測(cè)。

圖1 蔬菜精密播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 排種監(jiān)測(cè)模塊

排種監(jiān)測(cè)模塊主要用于檢測(cè)排種器是否排出種子以及排出種子粒數(shù)，以供判斷是否漏播、重播或機(jī)器故障。采用光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器，通過(guò)光束位移、遮擋、耦合以及其他物理方法使進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)隨外界信號(hào)變化而變化。本文使用遮光型調(diào)制，光強(qiáng)調(diào)制原理如圖3所示。

圖3 遮光型光纖傳感器調(diào)制原理

設(shè)兩根光纖均為階躍折射率光纖，數(shù)值孔徑為NA，入射光通過(guò)入射光纖進(jìn)入后被透鏡準(zhǔn)直成半徑為r的平行光束，無(wú)外界干擾時(shí)光路暢通，出射光纖接收到的光強(qiáng)值保持穩(wěn)定；當(dāng)有外界物體進(jìn)入時(shí)，遮擋住光路，在線性近似條件下[8]，可得到交疊面積與光纖纖芯面積之比α如式(1)所示，出射光纖光強(qiáng)值發(fā)生改變

(1)

式中α為交疊面積與光纖纖芯面積之比；δ為遮擋距離，mm；r為平行光束半徑，mm。

光纖傳感器工作時(shí)通過(guò)光纖頭采集種子下落的光量變化值，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于監(jiān)測(cè)對(duì)象是蔬菜種子，每次下落引起的光信號(hào)變化極小，電信號(hào)變化也極其微弱，這樣的信號(hào)不僅難以檢測(cè)，而且易受干擾，因此，采用歐姆龍E3X-HD11放大器將信號(hào)放大來(lái)滿足實(shí)際檢測(cè)需求。

播種作業(yè)時(shí)，蔬菜種子由排種器分離為單顆粒后落入導(dǎo)種管，導(dǎo)種管通道采用ABS材料制作，高400 mm，橫截面內(nèi)表面長(zhǎng)20 mm，寬11 mm，中間鏤空，壁厚2 mm，在高度300 mm處安裝光纖傳感器，排種監(jiān)測(cè)裝置如圖4所示。

圖4 排種監(jiān)測(cè)裝置

2.3 播速監(jiān)測(cè)與控制模塊

根據(jù)播種試驗(yàn)要求采用增量型光電編碼器作為測(cè)速傳感器，具有分辨高、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用愛(ài)得利AM系列無(wú)刷直流電機(jī)和BL—104無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為動(dòng)力源，該驅(qū)動(dòng)器具有電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、快速制動(dòng)、轉(zhuǎn)速顯示等功能，提供過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等，具有操作簡(jiǎn)單、控制精確、安全性高、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

采用NI公司生產(chǎn)的USB—6009數(shù)據(jù)采集卡，USB—6009采集卡提供了模擬I/O、數(shù)字I/O和一個(gè)32位計(jì)數(shù)器，該卡具有8路AI(14位，48 kS/s)，2路AO(150 Hz)，13路DIO。根據(jù)采集卡提供的端口，將模擬輸入端口AI0，AI1，AI2分別連接光纖傳感器、傳送帶編碼器、排種盤(pán)編碼器，模擬輸出AO0，AO1連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制傳送帶和排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，數(shù)字輸出DO0連接報(bào)警裝置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的重要組成部分。軟件系統(tǒng)主要由主程序、播種信息采集與處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制、人機(jī)交互、播種性能分析等模塊組成[9]。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

多線程是LabVIEW編程的一大特色，多線程允許多個(gè)并行的數(shù)據(jù)連線、程序代碼、循環(huán)、VI子程序等同時(shí)運(yùn)行，互不干擾，此模式為編程帶來(lái)很大方便[10]。本文利用LabVIEW多線程的特點(diǎn)，主程序設(shè)計(jì)了三個(gè)并行的線程，分別用來(lái)監(jiān)測(cè)光纖傳感器、傳送帶測(cè)速編碼器和排種盤(pán)測(cè)速編碼器接入采集卡的端口電壓值，依據(jù)電壓值變化情況來(lái)啟動(dòng)各個(gè)子模塊程序[11]。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先創(chuàng)建3個(gè)虛擬通道AI0，AI1和AI2，設(shè)置虛擬通道電壓范圍為-5～5 V，用來(lái)檢測(cè)3只傳感器接入端口電壓，然后設(shè)置采樣時(shí)鐘頻率為10 kHz，每通道采樣數(shù)為1 000，默認(rèn)時(shí)鐘源為內(nèi)部板載時(shí)鐘。參數(shù)設(shè)置完畢后，采樣任務(wù)即創(chuàng)建成功，電壓信號(hào)采樣方式為連續(xù)采樣，結(jié)束按鈕未啟動(dòng)時(shí)，采樣任務(wù)持續(xù)進(jìn)行，結(jié)束按鈕啟動(dòng)時(shí)，采樣任務(wù)終止，所有任務(wù)全部清除。

3.2 播種信息采集與處理模塊

3.2.1 粒數(shù)檢測(cè)子程序

粒數(shù)采集子程序是根據(jù)光纖傳感器采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器來(lái)進(jìn)行識(shí)別和判斷種子下落情況。主程序?qū)崟r(shí)讀取AI0端口電壓，當(dāng)下降沿到來(lái)時(shí)，程序啟動(dòng)。子程序主要分析電壓變化情況，根據(jù)電壓變化判斷種子下落情況，對(duì)下落進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到每穴種子粒數(shù)。采用觸發(fā)與門(mén)限函數(shù)分析電壓變化趨勢(shì)，粒數(shù)檢測(cè)子程序如圖6所示。

圖6 粒數(shù)檢測(cè)子程序

3.2.2 播速檢測(cè)子程序

檢測(cè)傳送帶轉(zhuǎn)速時(shí)，將一橡膠輪與傳送帶表面相接觸，橡膠輪的軸與編碼器連接，傳動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)橡膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器通過(guò)計(jì)量脈沖信號(hào)得到軸的轉(zhuǎn)速。傳送帶速度為

(2)

式中v為傳送帶線速度，m/s；R為傳送帶測(cè)速橡膠輪半徑，m。本文設(shè)定測(cè)速檢測(cè)時(shí)間Tc為1 s，編碼器分辨率P為400，傳送帶測(cè)速橡膠輪半徑為0.03 m，則程序得到1 s內(nèi)編碼器脈沖計(jì)數(shù)值m2后即可算得橡膠輪轉(zhuǎn)速v。播速檢測(cè)子程序如圖7所示。

圖7 播速檢測(cè)子程序

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序主要有2個(gè)功能，一個(gè)是控制傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬播種機(jī)械田間作業(yè)，另一個(gè)是通過(guò)控制排種器的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證排種速度與傳送帶轉(zhuǎn)速匹配，使得穴距滿足要求。

3.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互界面如圖8所示，主要分為蔬菜信息和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分，蔬菜信息部分主要根據(jù)不同蔬菜品種顯示種子的物理參數(shù)和蔬菜實(shí)物圖，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是根據(jù)蔬菜種類(lèi)設(shè)置播種試驗(yàn)參數(shù)并實(shí)時(shí)獲取各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 人機(jī)交互界面

4 系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

采用不同粒徑大小的3種蔬菜種子，南京矮腳黃、四季蘿卜、紅莧菜種子各300粒，采用單粒播種方式，在距傳感器300 mm高度處進(jìn)行排種，60 s內(nèi)播完。重復(fù)10次，記錄檢測(cè)到種子數(shù)量，計(jì)算檢測(cè)準(zhǔn)確率。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同粒徑種子排種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

由表1計(jì)算得到不同粒徑大小播種檢測(cè)正確率平均值。不同粒徑大小的種子監(jiān)測(cè)效果有所不同，粒徑在1 mm以上的南京矮腳黃和四季蘿卜種子監(jiān)測(cè)效果較好，分別達(dá)到97.37 %和98.93 %，粒徑在1 mm以下的紅莧菜種子監(jiān)測(cè)效果略差，達(dá)到86.63 %，該系統(tǒng)能夠滿足蔬菜精密播種監(jiān)測(cè)的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用了光纖傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)和LabVIEW強(qiáng)大的功能，設(shè)計(jì)了一種蔬菜精密播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)光纖傳感器檢測(cè)種子下落的脈沖信號(hào)，對(duì)播種過(guò)程播種速度、播種間距、排種量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)對(duì)粒徑1 mm以上的單粒種子排種監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)97.37 %以上，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果良好，能夠滿足蔬菜精密播種監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。