匡麗紅，趙雪，張博，石磊，王淞，張蕊

（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319；2.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院）

在我國南方，由于受地理環(huán)境、耕地條件等因素影響，農戶耕地分散，作業(yè)面積較小，通常采用小型拖拉機牽引單行播種機具進行播種生產作業(yè)，造成壓實面積過大；受作業(yè)面積影響，機車作業(yè)行動不便；缺乏有效的監(jiān)測手段，易造成漏播、斷條等情況；同時，由于傳統(tǒng)播種機地輪與排種器之間通過鏈條進行動力傳遞[1]，作業(yè)中的地輪打滑會嚴重影響播種均勻性[2]。因此，針對上述情況，研究一種具有小型牽引機構、自動監(jiān)測工況的全電驅動播種機具具有重要意義。

目前，國外在電動播種機方面的研究比較成熟，已商品化，可以實現(xiàn)電動播種、施肥和工作狀態(tài)監(jiān)測等功能，功能齊全，作業(yè)效果良好，作業(yè)靈活性和效率高。日本研究了一種排種電控系統(tǒng)[3]，針對圓盤式排種器，按照落種周期設計驅動電路，驅動電磁調節(jié)裝置控制種子的運動，驅動周期和落種時間要保持一致，才能保證正常播種作業(yè)，適合于低速播種作業(yè)。日本還研究了依據(jù)地輪轉速實時調節(jié)播種量的自動控制系統(tǒng)[4]，通過速度傳感器實時獲取作業(yè)速度，按照輸入作業(yè)參數(shù)、獲取的作業(yè)速度，調整排種軸轉速，通過試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，在播種株距變異系數(shù)方面，該系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)地輪驅動的排種器。美國Precision Planting 公司以SeedSense 20/20 為核心，開發(fā)了變量播種控制系統(tǒng)[5-6]，每個播種單體可獨立工作，由SeedSense 向單體控制模塊下發(fā)作業(yè)速度、播種量等信息，單體控制模塊根據(jù)指令信息計算電機理論轉速，并將轉速信息發(fā)送至電機驅動模塊，電機驅動模塊根據(jù)反饋速度，準確調節(jié)電機轉速，功能完善，價格較高。美國Trimble 公司研發(fā)的Field-IQ 變量播種控制系統(tǒng)[7]，使用控制器通過CAN 總線發(fā)送播種轉速指令，Rawson 播種單體驅動模塊接收指令后，控制排種電機實施播種作業(yè)。

國內在播種狀態(tài)監(jiān)測方面的研究比較成熟，多數(shù)采用的是光電監(jiān)測的方法[8-16]，而在電動播種作業(yè)方面的研究起步較晚，目前多處于實驗室研究階段。李劍峰等[17]研究的小麥播種機變量控制系統(tǒng)能夠完成變量播種，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，完成排種器轉速的控制，在轉速控制精度上有待提高。張國梁等[18]研究了播種機變量控制系統(tǒng)，電腦通過RS232通信將播種參數(shù)傳送給單片機，并通過反射式光電傳感器檢測播種機的作業(yè)速度，單片機根據(jù)播種參數(shù)與作業(yè)速度調節(jié)步進電機轉速，實現(xiàn)變量播種。婁秀華[19]研制的一種以單片機為核心的播種智能控制器，提前給單片機輸入地塊需要的播量，控制器計算出排種器轉速與播種機前進速度之間的函數(shù)關系式，根據(jù)測量的機車作業(yè)速度對步進電機的轉速進行實時調節(jié)，減少了地輪打滑對播種質量的影響，提高了播種均勻性。趙雪等[20]研究的氣吸式玉米播種智能電控系統(tǒng)，以工控機為核心，單片機為控制器，根據(jù)機車速度實時調節(jié)排種直流電機，實現(xiàn)變量播種。

綜上所述，國外的電動播種控制系統(tǒng)技術成熟，但引進成本高，而且適用性上有偏差，國內目前有少量引進，但功能不能全部適用，性價比降低。國內的研究主要是針對由機車牽引的多行作業(yè)機具的自動化問題，對于南方小地塊的單行作業(yè)機具應用，具有局限性，而且牽引機車的作業(yè)不便，未能解決。因此，課題組提出了一種交流電機作為機具行進動力源、直流電機驅動排種器的單行電動播種機的方案，通過試驗證明，其作業(yè)效果較好。

1 單行電動播種機的總體結構及原理

單行電動播種機結構及實物如圖1 所示。系統(tǒng)包括了機具部分和動力源部分。機具部分有開溝器、覆土器、行走輪、排種器、液肥罐以及播種監(jiān)控系統(tǒng)等；動力源部分包括牽引電機、卷盤、行走導軌及電機控制系統(tǒng)等。動力源部分安裝在作業(yè)地塊兩端的工字鋼上，可以移動，由兩端的牽引電機作為機具動力源，一放一收，通過卷盤和鋼絲牽引機具移動，整個機具四角下安裝有萬向輪，為保證其行走軌跡不發(fā)生偏移，要求釋放鋼絲電機和收卷鋼絲電機要同步，保持機具前后受到一定的牽引力，才能保證其直線行走軌跡。根據(jù)南方作業(yè)地塊特點，鋼絲長度定為100 m，采用單相交流電機帶動卷盤，卷盤通過鋼絲牽引機具做直線運動，卷盤收放速度為12 m·min-1，作業(yè)速度小于1 km·h-1。

排種器選用的是毛刷式大豆、玉米排種器，排種器受同軸直流電機旋轉驅動，播種控制系統(tǒng)通過一個專用的測速輪采集機具作業(yè)速度，根據(jù)機具速度調節(jié)直流電機轉速，使播種株距達到要求，每次到達地頭，機具需要橫向移動一條作業(yè)帶時，測速輪抬起鎖住，以免誤認為是機具處于作業(yè)狀態(tài)。

圖1 單行電動播種機結構框圖及機具實物圖Fig.1 The structure diagram of single-row motor-driven seeder

2 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)結構設計

電動播種監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2 所示。系統(tǒng)包括微處理器、作業(yè)速度傳感器、作業(yè)工況傳感器、作物類型選擇輸入、步進電機控制電路、聲光報警電路等。

控制單片機根據(jù)作業(yè)速度傳感器或者GPS 模塊獲取的機具速度，通過驅動電路實時調節(jié)排種電機轉速，在播種起始和結束時電機轉速變化較大，正常播種時電機轉速變化較小，同時，監(jiān)測單片機實時監(jiān)視導種管中種子下落情況，一旦發(fā)生異常，立刻驅動聲光報警電路，同時通知控制單片機停止播種作業(yè)。

圖2 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.2 The schematic diagram of motor-driven seeder control system

根據(jù)排種器選擇合適的電機是保證播種合格率的重要因素。結合系統(tǒng)重量、體積、成本等因素考慮，系統(tǒng)選用了哈爾濱雙福農機公司生產的毛刷式排種器，玉米盤型孔數(shù)為15，省去了風機的成本，降低整機重量和功耗。為確定排種器轉動扭矩，將排種器中充滿實驗玉米種子，采用精度為0.1 N.m、量程為0~135 N.m 的開拓扭力測試儀進行測量，得到扭矩為4.5 N.m，考慮到排種過程可能會存在卡種等情況，驅動扭矩至少為轉動扭矩的2 倍。根據(jù)需求和現(xiàn)場條件，作業(yè)速度需控制在1 km·h-1以下，機架下四個萬向輪輪徑為200 mm，株距為250 mm，根據(jù)表達式（1），計算最大轉速為4.45 rpm。

式中，n 為轉速（rpm），v 為機具前進速度（km·h-1），k 為排種盤的型孔數(shù)，s 為株距（m）。該排種器要求驅動電機應具有低轉速、大扭矩的特點。如果采用普通的775 型直流減速電機，雖然功耗低，但是在低速下電機抖動，并且一旦卡種，電機就會損壞。因此，系統(tǒng)選用了57 步進電機配二級減速器的方法，輸出扭矩最大可以達到30 N.m，步距角1.8 °，電源范圍24~48 VDC，實驗測試，低速下電機無抖動。

準確獲得機具的實時速度，根據(jù)行進速度及時調節(jié)排種電機的轉速，是保證合格粒距的重要前提。因此，設計了兩套測速裝置。一是預留的GPS 模塊接口，在沒有差分基站和低速作業(yè)的情況下，GPS 模塊輸出速度波動大，無法作為電機調速依據(jù)，如果當?shù)鼐邆淞瞬罘只荆梢岳肎PS 模塊獲取準確的作業(yè)速度和位置信息，用于統(tǒng)計作業(yè)量等信息。二是在機具上裝配了一個可伸縮的測速膠輪，直徑200 mm，可根據(jù)機具運動方向調節(jié)其升降，通過安裝在測速輪上的光電碼盤，碼元數(shù)為200，實時采集機具前進速度；微處理器根據(jù)獲得的脈沖數(shù)，由表達式（2）計算出機具速度：

式中，v 為機具作業(yè)速度m·s-1，N 為編碼器輸出的脈沖數(shù)，d 為測速地輪直徑mm，K 為光電碼盤碼元數(shù)，t 為采集周期s。由于測速地輪存在打滑現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場土質，將表達式（2）計算的速度乘以打滑率0.9，該系數(shù)可根據(jù)土質條件進行修改。微處理器根據(jù)作業(yè)速度計算出當前排種器的理論轉速，調節(jié)步進脈沖，使排種器達到理論轉速，保證播種株距。

由于播種作物可以是玉米和大豆，通過兩位開關作為作物類型輸入選擇，以便于根據(jù)播種株距計算電機轉速。為防止出現(xiàn)漏播情況，采用工況監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測導種筒中種子流運動情況，一旦發(fā)生漏播，驅動警示燈，發(fā)出聲光報警信息。避免電線過長、干擾機械運動，播種監(jiān)控系統(tǒng)電源采用36 V 100 AH的鋰電池供電，充滿電為42 V，完全能夠滿足一天的作業(yè)用電量。

3 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)電路設計

電動播種監(jiān)控系統(tǒng)是由三個微處理器單元構成的集散控制系統(tǒng)，微處理器均采用STC15W401，具有一個串口、兩個定時器，程序存儲器1KB，SRAM 容量256 B，2.4～5.5 V 的寬電源電壓范圍，在蓄電池供電情況下，也能穩(wěn)定工作。微處理器1 的部分電路如圖3 所示，主要完成與GPS 模塊的通信，GPS 模塊采用的是GS-216，每秒傳輸一次位置坐標和速度信息，價格低，但是精度不高，尤其是速度采集誤差較大，需要建立差分基站，以提高定位和速度精度，微處理器1 通過MAX232 與GPS 模塊通信，獲取速度信息后，通過SPI 接口，將速度信息傳輸給微處理器2 和微處理器3。

圖3 微處理器1 與GPS 模塊接口電路Fig.3 The interface circuit of MCU 1# with GPS module

微處理器2 為整個系統(tǒng)的核心，它完成采集機具速度、排種器速度控制和電池電壓監(jiān)測等功能，部分電路如圖4 所示。由于試驗現(xiàn)場無差分基站，GPS模塊采集的速度誤差相對較大，因此，利用安裝在測速輪上的光電碼盤測量機具速度，利用單片機的兩個16 位定時器，累計相鄰兩個脈沖間隔時間，根據(jù)表達式（2），計算機具行進速度。根據(jù)機具速度、作物類型和株距要求，使用表達式（1）計算得到電機理論轉速，利用1 個16 位定時器和1 個I/O 口產生所需步進脈沖，控制排種器的轉速，使其達到播種株距要求。由于播種控制系統(tǒng)采用鋰電池供電，需要保證鋰電池不能虧電而影響播種作業(yè)，同時避免其過放電，縮短電池壽命，因此，采用DSC_CN302 監(jiān)測鋰電池電壓，CN302 是一款可調整遲滯的低功耗電壓檢測集成電路，如果FTH 管腳電壓低于CN302 下行閾值，在短暫延時（典型值13 μs）后，5 腳輸出低電平，CN302 特別適合檢測單節(jié)或多節(jié)鋰離子電池；通過其外圍的三個電阻匹配，構成其上行和下行閾值，即可完成鋰電池電壓監(jiān)測。在系統(tǒng)設計中，當電池電壓低于31 V 時，5 腳輸出低電平，引起微處理器2 產生外部中斷，微處理器2 點亮電量指示燈，提示操作人員注意。

圖4 微處理器2 與電池電量監(jiān)測電路圖Fig.4 The circuit of MCU 2# and battery level monitor

微處理器3 主要完成播種狀況監(jiān)測功能，當收到機具工作信息時，開始循環(huán)檢測種管中種子流情況，一旦發(fā)生堵塞或者排空，立即啟動24 V 高分貝旋轉式聲光報警器工作，并將故障信息發(fā)送給微處理器2。

4 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

電動播種監(jiān)控系統(tǒng)微處理器2 的軟件流程如圖5 所示。系統(tǒng)開機后，單片機上電初始化，讀取播種作物類型，檢測機具是否運動，如果未做移動，則處于待機狀態(tài)，如果機具移動，則判定為機具開始工作，獲取機具速度信息，并將開始工作信息發(fā)送給微處理器3，使其開始檢測種管中種子流情況，根據(jù)獲取的速度信息和作物類型信息，確定排種器當前的理論轉速，輸出轉速調節(jié)脈沖，一旦微處理器3 監(jiān)測到播種異常信息，立即向微處理器2 發(fā)出報警信息，并發(fā)出聲光報警，微處理器2 停止電機工作，直到機具再次移動，恢復正常工作狀態(tài)。三個微處理器之間采用SPI 通信，利用中斷方式工作，提高每個單片機的工作效率。電池電量監(jiān)測采用的是外部中斷方式，一旦電池電壓低于31 V，在微處理器2 的外部中斷引腳產生低電平，觸發(fā)中斷，在中斷處理中，點亮低電量指示燈。

圖5 微處理器2 軟件流程Fig.5 The software flowchart of MCU 2#

5 系統(tǒng)試驗

系統(tǒng)性能試驗于2018 年7 月在黑龍江八一農墾大學土槽實驗室進行，2019 年5 月于湛江市熱帶植物研究所完成了田間試驗。試驗作物為千粒質量為313.8 g 的德美亞1 號玉米種子，株距設定為250 mm，測速輪直徑200 mm，作業(yè)距離為50 m，作業(yè)速度小于1 km·h-1，主要進行了株距合格率、重播率和漏播率測試，檢驗電動播種是否滿足國標要求，株距檢驗使用量程30 cm、精度1 mm 的鋼尺，人工數(shù)種校對。進行了20 組實驗，重復5 次。統(tǒng)計試驗結果如表1 所示。

表1 播種均勻性測試Table 1 Uniformity test of the seeder

國家在《JB/T10293-2001 單粒（精密）播種機技術條件》對精密播種機要求的作業(yè)指標中規(guī)定：當株距≥20 cm 時，精密播種機作業(yè)性能指標應達到粒距合格指數(shù)≥80%，重播指數(shù)≤15%，漏播指數(shù)≤8%。表1 中結果表明，單行電動播種機各項指標符合上述規(guī)定，試驗中重播指數(shù)較高的原因是：種子篩選不嚴格，導致小粒種子在同穴重復下落。漏播指數(shù)較高的原因是：在部分地塊不平整，機具速度有突變，排種電機轉速調節(jié)延遲，導致出現(xiàn)漏播。另外，機具在啟動和停止階段，速度變化較為劇烈，造成排種器速度不能及時跟隨機具速度，從而引起作業(yè)地塊兩端的株距合格率降低。因此，針對速度突變情況，如何調節(jié)電機轉速仍需深入研究。

作業(yè)狀況監(jiān)測試驗，通過人為設置排種管堵塞或排空故障，檢查響應時間和誤報警情況。進行了10組試驗，分別設置在作業(yè)地塊的起始段、中間段和停止段，觀察其報警正確率、報警響應時間、排種電機是否停轉、是否正常啟動工作等。通過試驗得到，誤報警率達到2%，報警響應時間＜0.3 s，每次故障時排種電機都能正常停止，當機具再次移動時，能夠正常轉動。誤報警率高的原因在于：毛刷排種器經過了改造，轉動不順暢，導致電機偶爾出現(xiàn)脈動，對種管監(jiān)測探頭形成干擾，需要提高其抗干擾能力。

6 結論

針對南方小地塊作業(yè)的特點，設計了一種全電驅動的單行玉米播種機，由交流電機作為動力源，帶動排種單體移動，采用直流電機作為排種器動力源，去除鏈傳動，減輕作業(yè)負荷，對種管工作狀態(tài)進行實施監(jiān)測，避免出現(xiàn)漏播、斷條情況。實驗結果表明，播種株距合格指數(shù)＞95.3%，重播指數(shù)＜3%，漏播指數(shù)＜2.7%，滿足國標要求，誤報警率2%，響應時間＜0.3 s。該套機具及控制系統(tǒng)能夠大大減輕小地塊作業(yè)對機車的要求，減少人力投入，提高作業(yè)效率。當然，系統(tǒng)在隨動控制和誤報警率方面，有待于進一步提高。