丁幼春，王凱陽，劉曉東，劉偉鵬，陳禮源，劉溫伯，杜超群

中小粒徑種子播種檢測技術(shù)研究進(jìn)展

丁幼春，王凱陽，劉曉東，劉偉鵬，陳禮源，劉溫伯，杜超群

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

播種檢測技術(shù)是實現(xiàn)播種智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一，可為變量播種提供基本的技術(shù)支撐。該研究分析了國內(nèi)外中小粒徑種子播種檢測技術(shù)進(jìn)展及相應(yīng)檢測裝備，重點闡述了中小粒徑種子感知方法，主要包括機械機電報警檢測法、機器視覺檢測法、光電傳感檢測法、電容傳感檢測法、壓電傳感檢測法，并對不同檢測方法優(yōu)劣進(jìn)行分析；同時圍繞播種機故障監(jiān)測、播量、播種頻率、行距、株距、漏播、重播等評價指標(biāo)，明確了播種檢測的主要內(nèi)容，結(jié)合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求為不同播種模式提出對應(yīng)播種檢測指標(biāo)；進(jìn)一步分析了為解決漏播問題的變量補種技術(shù)和播種檢測信息傳輸技術(shù)的研究概況。在系統(tǒng)總結(jié)和分析播種檢測相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)背景下對中小粒徑種子播種檢測的發(fā)展要求，展望未來中小粒徑種子播種檢測技術(shù)發(fā)展趨勢。

農(nóng)業(yè)機械；檢測；精量播種；傳感原理；中小粒徑種子

0 引 言

中小粒徑種子是指平均直徑小于7 mm的種子，主要包括油菜、小麥、苜蓿、三七、部分豆類及蔬菜種子等，中小粒徑種子多為經(jīng)濟(jì)型作物，隨著中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整，農(nóng)作物種植逐漸向多元經(jīng)濟(jì)型轉(zhuǎn)變，中小粒徑種子作物生產(chǎn)被普遍認(rèn)為是一個發(fā)展?jié)摿Υ蟆⑹袌銮熬昂玫某柈a(chǎn)業(yè)[1]。

對于中小粒徑種子，田間播種時播種機播種過程多處于封閉狀態(tài)，農(nóng)機駕駛員難以對播種狀態(tài)進(jìn)行直觀判斷，在復(fù)雜的田間環(huán)境下排種器不可避免出現(xiàn)因漏播所導(dǎo)致的稀疏缺苗、斷條等情況，嚴(yán)重影響播種質(zhì)量，以油菜播種為例，油菜精量排種器在最佳工作狀態(tài)時仍存在2%～4%漏播[2]，按照現(xiàn)有機播面積166.7萬hm2測算[3]，漏播面積達(dá)3.3萬hm2～6.7萬hm2，相當(dāng)于油菜減產(chǎn)6.9萬～13.8萬噸，通過后期在漏播位置進(jìn)行人工移栽補苗不僅增加勞動力成本，且幼苗的生長差異也會影響作物產(chǎn)量。因此對中小粒徑種子播種過程進(jìn)行檢測，出現(xiàn)漏播狀況及時進(jìn)行補種，可有效保證作物播種質(zhì)量，達(dá)到節(jié)本增效的目的。

中小粒徑種子作物與大粒徑種子作物相比，其排種頻率較高（如油菜排種頻率約20～40 Hz，小麥排種頻率約100～300 Hz），在對中小粒徑種子作物進(jìn)行檢測時，因排種頻率較高，種子序列性差，單粒種子難以準(zhǔn)確區(qū)分，同時還存在因種子粒徑較小其穿越感應(yīng)區(qū)域時產(chǎn)生的種子信號微弱及易存在檢測盲區(qū)等難點，上述原因?qū)е铝穗y以對中小粒徑種子進(jìn)行精確檢測。針對上述問題，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)、高校開展了中小粒徑種子作物播種檢測裝置研制，對于播種檢測裝置，依據(jù)其對種子感知原理，可分為機械機電式、機器視覺式、光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式[4]，不同類型播種檢測裝置對不同類型種子、不同作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性不同。同國外相比，國內(nèi)播種檢測裝置針對性強，對于不同作物如油菜、苜蓿、綠豆等作物均研發(fā)了對應(yīng)播種檢測裝置，解決了播種過程中的播種檢測問題，但由于國內(nèi)播種檢測裝置尚沒有市場化，缺少行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)[5]，各機構(gòu)自行研制的播種檢測裝置在播種信息采集、檢測指標(biāo)、傳輸過程中規(guī)范性較弱，一定程度上阻礙了中小粒徑種子播種檢測裝置大面積推廣。

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，北斗定位、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新興技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用愈發(fā)深入[6]，將新興技術(shù)應(yīng)用于播種檢測，可實現(xiàn)播種過程的全程可視，同時可為配套的變量播種和漏播補種提供支撐。對中小粒徑種子播種過程實時檢測的研究，是未來中小粒徑種子播種技術(shù)的重要發(fā)展方向，是播種機械化邁進(jìn)播種智能化的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)外中小徑粒徑種子播種檢測模式多為“播種檢測裝置+監(jiān)測顯示終端”，播種檢測裝置在對播種信息進(jìn)行采集后將播種信息傳輸至監(jiān)測顯示終端，于監(jiān)測顯示終端對播種信息進(jìn)行顯示，該模式下播種檢測信息多為一次性信息，僅將其進(jìn)行展示沒有對播種信息進(jìn)行進(jìn)一步挖掘，同時采集的播種信息如播種頻率沒有反饋至播種機，難以實現(xiàn)變量作業(yè)。結(jié)合現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用“播種檢測裝置+監(jiān)測顯示終端+播種信息物聯(lián)網(wǎng)控制平臺”的模式，實現(xiàn)播種信息的遠(yuǎn)程傳輸、云存儲及數(shù)據(jù)挖掘，同時于“播種信息物聯(lián)網(wǎng)控制平臺”之上建立播種決策控制模型[7]，將播種檢測裝置采集的播種信息作為模型輸入，依據(jù)該模型決策出機具作業(yè)控制參數(shù)并反饋至播種機具，控制機具變量作業(yè)，是未來播種檢測的重要發(fā)展方向。

本文在分析國內(nèi)外中小粒徑種子播種檢測裝置的基礎(chǔ)上，對目前中小粒徑種子播種檢測裝置采用的感知方法、檢測指標(biāo)、變量補種技術(shù)和播種檢測信息傳輸技術(shù)3個方面進(jìn)行闡述，分析現(xiàn)階段中小粒徑種子播種檢測的技術(shù)難點和存在問題，展望未來中小粒徑種子播種檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

1 中小粒徑種子感知方法研究

自20世紀(jì)80年代，國內(nèi)外對播種檢測開展了相關(guān)研究，且隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推進(jìn)，更有針對性的研制了針對小麥、油菜、三七及部分蔬菜種子的播種檢測裝置[8-11]。對于這些播種檢測裝置，其對種子的感知方法可分為：機械機電式、機器視覺式、光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式等。

1.1 機械機電式

機械機電式種子感知方法屬于間接感知法，主要通過搭建硬件檢測電路對種箱充種狀態(tài)或?qū)ε欧N器運行狀況進(jìn)行檢測，若出現(xiàn)種箱排空或排種器工作異常則進(jìn)行報警。田間播種機上最早開始應(yīng)用的播種檢測裝置為機械式報警器，如法國在NODET氣吸式播種機上研制的一種機械響鈴報警系統(tǒng)，當(dāng)排種器無法正常工作時，主動套的上彈片隨著主動套旋轉(zhuǎn)，當(dāng)彈片轉(zhuǎn)過撐起的擋片時，彈片彈起并帶動其上的小錘敲響金屬元件發(fā)出響聲進(jìn)行警告，該系統(tǒng)只能對排種器工作狀態(tài)作出簡單判斷[12]。由于播種機在田間作業(yè)時工作環(huán)境噪聲較大，操作者有時難以準(zhǔn)確接收到報警聲。在此基礎(chǔ)上，英國S870型播種機上配備了一種機電信號報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用彈簧加壓的膠木滾輪緊貼在排種帶上，并在排種帶的帶動下轉(zhuǎn)動，滾輪的輪緣側(cè)邊同時裝有與滾輪相通的金屬片，播種指示燈觸點與帶金屬片滾輪緣側(cè)邊接觸時變亮，當(dāng)排種帶正常播種時，滾輪勻速轉(zhuǎn)動，指示燈有規(guī)律的變亮，若排種故障，排種帶不轉(zhuǎn)或速度不均勻，指示燈亮滅無規(guī)律，對播種過程中的故障進(jìn)行示警。此外有學(xué)者在播種機種箱內(nèi)安裝了種量極限電信號的測試裝置，如在種箱內(nèi)安裝帶有圓球頭的浮動桿探測種子在種箱內(nèi)的高度。當(dāng)種量下降時，探測桿隨之下降，達(dá)到設(shè)定的最低位置時連通電路，信號燈發(fā)亮并發(fā)出聲音警報[13]。與機械式播種檢測裝置相比，機電式播種檢測裝置增加了聲音報警模塊與指示燈顯示模塊，實現(xiàn)對種箱內(nèi)種子高度進(jìn)測定。

機械機電式種子感知法，兼容性較好，可對各類型種子種箱及排種器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，但由于其原理限制，僅能對種箱充種狀態(tài)及排種器是否正常運轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)控，對于進(jìn)一步量化的播種檢測信息如：播種量、播種頻率、漏播、重播參數(shù)不能測定。

1.2 機器視覺式

機器視覺種子感知方法是指利用工業(yè)相機實時獲取種子下落的時間、空間信息，并利用圖像處理技術(shù)精準(zhǔn)識別種子，得到單粒種子下落速度、粒數(shù)、粒距、下落軌跡、相鄰種子時間間隔等信息。

隨著機器視覺與圖像處理技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代，Drake等[14]結(jié)合高速攝影技術(shù)與圖像處理技術(shù)測量種子從排種器下落時的運動情況，并對其分析處理。Nataragjan等[15]利用圖像處理技術(shù)對排種器種子落種垂直方向的二維波動進(jìn)行了分析研究。2006年，安卡拉大學(xué)的Karayel等[16]利用高速攝影系統(tǒng)設(shè)計了一種用于監(jiān)測小麥、大豆、棉花精量排種器的排種性能檢測系統(tǒng)，通過獲取種子間距均勻性和種子脫落速度，計算獲得精量排種器的排種性能指標(biāo)。Yazgi等[17]采用高速攝影技術(shù)對排種過程種子的運動軌跡及排種均勻性進(jìn)行研究，從而為優(yōu)化排種器參數(shù)設(shè)計提供可靠理論依據(jù)。Navid等[18]通過在播種機前方一米處的傳送帶上安裝高速攝影儀采集番茄種子圖像，輸送到計算機并利用Matlab軟件對圖像信息進(jìn)行處理，獲得播種過程中漏播指數(shù)、重播指數(shù)和播種均勻性3個排種器參數(shù)指標(biāo)，以便于對排種器的播種狀態(tài)進(jìn)行判斷。

21世紀(jì)初，吉林工業(yè)大學(xué)胡少興等[19]提出了一種采用圖像處理手段檢測排種器充種性能的方法，研制了檢測多目標(biāo)種子高速運動計算機圖像處理系統(tǒng)，建立了根據(jù)種子邊緣、面積以及種子間距評估排種器充填性能的適用算法。馬旭等[20]運用計算機圖像處理技術(shù)對種子動態(tài)圖像分析，采用圖像增強、平滑、銳化及分割等預(yù)處理方法，提出了一種根據(jù)種子面積和種子間距特征評估排種器性能的方法。廖慶喜等[21]通過高速攝影彌補光電傳感器檢測的誤差，提出一種精密排種器性能檢測的新方法，將光電傳感與高速攝影同時用于精密排種器的性能檢測。聶永芳等[22]將機器視覺技術(shù)運用于小麥條播排種器的性能測試，對小麥排種器排種的均勻性和排種量可進(jìn)行有效檢測。齊龍等[23]針對超級稻播量少，易出現(xiàn)空穴的問題，利用CCD相機實時連續(xù)拍攝穴盤圖像，建立與穴盤相對應(yīng)的掩模圖像，并通過圖像識別算法識別穴盤空穴情況，為后期人工精準(zhǔn)補種提供支撐。譚穗妍[24]等基于機器視覺和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對超級雜交水稻秧盤每穴上的種子進(jìn)行檢測，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超級稻檢測模型，實現(xiàn)了對多粒粘連稻米的準(zhǔn)確檢測，滿足精密育秧播種流水在線監(jiān)測要求，為精密播種作業(yè)提供參考。盧彩云等[25]設(shè)計了一種小麥條播排種器排種性能檢測試驗臺，采用數(shù)碼相機采集樣本種子圖像，并利用圖像處理技術(shù)獲取樣本種子數(shù)量，評估排種器排種性能。趙鄭斌[26]等針對穴盤精密播種存在重播、漏播及播種性能不穩(wěn)定的問題，利用雙相機逐行掃描拍攝穴盤圖像，將拍攝的圖像結(jié)合視覺算法進(jìn)行分析，識別穴盤播種時穴盤充種狀況。綜上分析，在機器視覺式種子感知方法中，對圖像中種子的精準(zhǔn)快速識別是關(guān)鍵。

基于機器視覺對排種器排出的種子進(jìn)行感知，對所檢測的種子外形規(guī)則和大小沒有嚴(yán)格要求，尤其適用于試驗室環(huán)境，可對排種器排出種子的落種位姿、落種速度、落種粒數(shù)、種子粒徑等信息進(jìn)行分析，但由于其對環(huán)境要求較高、成本昂貴、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以應(yīng)用于田間實際作業(yè)的實時監(jiān)測。

1.3 光電傳感式

光電傳感式種子感知方法是種子播種檢測中技術(shù)最成熟、應(yīng)用范圍最廣的一種感知方法。一般光電式傳感器由發(fā)射端和接收端組成，播種過程中由排種器排出種子對光電式傳感器發(fā)射端發(fā)射的光線進(jìn)行遮擋使接收端兩端電壓信號發(fā)生改變，對變化的信號進(jìn)行調(diào)理，形成可被控制器識別的脈沖信號，控制器對脈沖信號進(jìn)行采集并分析，從而得出播種總量、排種頻率、漏播重播情況等相關(guān)檢測指標(biāo)。

國外，1982年，澳大利亞A.E.E有限公司研制了一種利用紅外傳感器對種子進(jìn)行檢測的播種檢測裝置[27]，該裝置通過安裝于各行導(dǎo)種管上的紅外傳感器對種子在排種管內(nèi)的下落狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，若出現(xiàn)堵塞，監(jiān)控器立刻啟動指示燈進(jìn)行警告并顯示故障情況，從而有效獲取播種過程中的播種信息。Karimi等[28]基于光敏二極管研制了紅外傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可檢測播種時種子通過導(dǎo)種管的質(zhì)量流量。意大利MC Electronics公司研制了一種基于紅外光的對射式播種檢測裝置[29]，該裝置通過種子下落時遮擋發(fā)射端的紅外光線從而使接收端的電壓信號發(fā)生改變，控制系統(tǒng)通過采集變化的電壓信號并進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實現(xiàn)對小麥、大豆、玉米等大中粒徑種子的精準(zhǔn)檢測，同時其配套的屏幕顯示裝置可以對排種總量、漏播率、播種面積、株距、單位面積播量等參數(shù)進(jìn)行實時展示，并通過語音信息對堵塞或故障情況進(jìn)行示警。

除上述光電式播種檢測裝置，國外還有美國Dickey-John公司[30]研發(fā)的光電通用型播種檢測裝置、Lan等[31]設(shè)計的光電式種子間距測量系統(tǒng)以及內(nèi)布拉斯加大學(xué)設(shè)計的基于光電傳感器的排種間距檢測系統(tǒng)等播種檢測裝置[32]。

國內(nèi)，何培祥等[33]、錢珊珠等[34]、史智興等[35]、鄭一平等[36]分別基于紅外光電對射傳感器、紅外光敏二極管、半導(dǎo)體紅外發(fā)光二極管、雙路激光逆向直射光電傳感器等元件對水稻、小麥等不同作物種子研制了播種檢測裝置，實現(xiàn)對各類型種子的精準(zhǔn)測定。車宇等[37]采用紅外檢測技術(shù)設(shè)計了對射式播種檢測裝置，并據(jù)此研制了免耕播種機播種質(zhì)量紅外監(jiān)測系統(tǒng)，可對播種作業(yè)過程中發(fā)生堵塞、漏播、缺種等故障狀況時進(jìn)行聲光報警。邱兆美等[38]利用具有面檢測特性的感光器件研制了播種檢測裝置，實現(xiàn)對播種量和漏播情況的實時監(jiān)測，并完成對播種數(shù)據(jù)的實時計數(shù)、顯示和報警，實現(xiàn)播種作業(yè)過程的全程監(jiān)測和結(jié)果的可視化。胡飛等[39]基于光纖傳感器研制了針對小粒徑種子的播種檢測裝置，在此裝置基礎(chǔ)上利用LabVIEW開發(fā)了單粒精密播種監(jiān)測系統(tǒng)，于LabVIEW平臺開發(fā)上位機監(jiān)測軟件，可對粒徑1 mm以上的單粒種子進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。張繼成等[40]基于光電傳感技術(shù)，以紅色高亮度發(fā)光二極管和光敏電阻為種子信號感知器件，利用單片機作為種肥信號采集平臺，研制了光敏式種肥監(jiān)測裝置。丁幼春等[41]基于薄面激光-硅光電池研制的中小粒徑種子播種檢測裝置，解決了油菜、小麥等中小粒徑種子在播種過程中難以兼容檢測的問題，該播種檢測裝置在播種過程中可實時顯示油菜或小麥等種子的播種數(shù)量及排種頻率，并通過指示燈指示播種狀態(tài)。

光電傳感式傳感檢測裝置具有成本低、無接觸傳感、信號響應(yīng)快等特點，但在田間復(fù)雜工況下，田間粉塵可能會對光敏器件附著，導(dǎo)致感光器件響應(yīng)靈敏度下降，進(jìn)而致使檢測精度下降，同時感光區(qū)域的光層厚度限制，也會導(dǎo)致多粒種子信號的混疊，導(dǎo)致檢測精度降低。

1.4 電容傳感式

電容傳感式播種檢測裝置其檢測原理為當(dāng)種子下落經(jīng)過安裝在排種管內(nèi)的電容傳感器時，傳感器極板間介質(zhì)的等效介質(zhì)常數(shù)發(fā)生改變，從而使傳感器的輸出電容值發(fā)生變化，建立該變化與種子數(shù)量間的關(guān)系模型，即可實現(xiàn)對種子的檢測。多年來電容傳感器一直廣泛應(yīng)用于含水率、液位和料位等檢測，近年來才被逐漸引入播種檢測領(lǐng)域。

2009年，Kumhala等[42-43]利用物料密度對介電常數(shù)的影響，設(shè)計了基于電容傳感器的甜菜、土豆產(chǎn)量在線測量裝置。2013年，Taghinezhad等[44]研制了一套基于電容傳感器的甘蔗排種器播種檢測裝置，可實現(xiàn)對甘蔗籽播種過程檢測，該裝置包括矩形平行板電容器、檢測控制單元、信號處理電路等，該裝置可有效獲取甘蔗機播種作業(yè)過程中的漏播指數(shù)與重播指數(shù)。

周利明等[45]基于電容傳感器設(shè)計了棉花精密播種機播種檢測裝置，該裝置由電容棉籽流量傳感器、電容信號調(diào)理電路組成，可對棉花播種過程中出現(xiàn)的漏播或排種管堵塞進(jìn)行報警。同時，周利明等[46]為改善玉米播種機排種監(jiān)測的可靠性，設(shè)計了快速高精度電容播種檢測裝置，該裝置通過獲取相鄰種子電容脈沖峰值間隔并計算脈沖積分面積，可得到播種的排種量、漏播率以及重播率等參數(shù)。陳建國等[47]基于電容法設(shè)計了一種小麥播種量檢測裝置，通過對同時下落的種子數(shù)量與電容變化量之間的線性關(guān)系進(jìn)行建模，并利用時間窗口采樣統(tǒng)計分析，建立了播種量實時檢測模型，并提出了基于排種輪轉(zhuǎn)速和采樣頻率關(guān)系的補償算法，使得檢測裝置能夠有效對小麥播量進(jìn)行統(tǒng)計。田雷等[48]基于E型極板式電容傳感器研制了玉米播種檢測裝置，該裝置通過對檢測電容值的比較與分析，可以對排種器工作中種箱排空、種管阻塞、漏播、正常播種進(jìn)行實時監(jiān)測。

電容檢測式傳感檢測裝置具有工作穩(wěn)定、可靠性高、抗粉塵污染能力強等方面的優(yōu)勢。但因單粒種子在通過電容傳感器時，引起電容值變化微小，對于單粒種子檢測分辨率不足，不適合種子精密計數(shù)。

1.5 壓電傳感式

壓電傳感式傳感檢測裝置其檢測原理為當(dāng)種子下落與壓電元件發(fā)生碰撞，壓電元件兩端發(fā)生信號變化，通過對這種變化的信號進(jìn)行調(diào)理，可將下落的種子信號轉(zhuǎn)換為可供使用的脈沖信號，從而獲取落種信息。利用壓電式傳感器研制的播種檢測裝置，其檢測精度與壓電傳感器感應(yīng)靈敏度、輸出波形規(guī)整度、壓電傳感器有效感應(yīng)區(qū)間、及安裝方式等參數(shù)均有關(guān)，因此在設(shè)計基于壓電式播種檢測裝置時，應(yīng)選擇合適壓電傳感元件并配套設(shè)計合理安裝結(jié)構(gòu)。

張曌[49]基于PVDF壓電薄膜設(shè)計了水稻種子播種檢測裝置，該裝置可對水稻穴播過程中的漏播、重播指標(biāo)進(jìn)行有效監(jiān)測。王樹才等[50]采用壓電傳感器研制了玉米精密排種器播種檢測裝置，該裝置將單粒排種落粒物理量轉(zhuǎn)化為電信號，通過單片機精確檢測每兩次落粒之間的時間間隔，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)的檢測。張霖等[51]利用典型的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)理論對懸臂式壓電陶瓷片的振動頻率和阻尼進(jìn)行分析，選擇合適的粘彈性材料和安裝方式，設(shè)計了一種基于壓電原理的綠豆播種檢測裝置。吳明亮等[52]借助壓力傳感器直接檢測排種箱質(zhì)量變化，實現(xiàn)對油菜的播量實時檢測，同時根據(jù)獲取的實時播量，調(diào)控排種器轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制播種量。黃東巖等[53]基于聚偏二氟乙烯壓電薄膜傳感器設(shè)計了玉米播種檢測裝置，將從排種器下落的單粒玉米物理量轉(zhuǎn)化為脈沖電壓信號，通過對脈沖信號處理可得到播量、頻率、漏播率等相關(guān)參數(shù)。趙博[54]等為實現(xiàn)氣流輸送播種機播種質(zhì)量的快速準(zhǔn)確檢測，設(shè)計了一種基于壓電陶瓷的弧形陣列式播種檢測裝置，通過多次種子碰撞試驗，最終確定了壓電感知單元的材料與結(jié)構(gòu)尺寸，該檢測裝置可對排種過程中的堵塞進(jìn)行可靠報警。段婷[55]針對苜蓿播種時輸種管堵塞，種箱排空的問題，基于壓電檢測元件，設(shè)計了播種檢測裝置，當(dāng)苜蓿種子出現(xiàn)漏播或種箱排空時，該裝置即可進(jìn)行聲光報警。丁幼春等[56]基于壓電薄膜設(shè)計了一種油菜精量排種器播種檢測裝置，該裝置采用沉槽基板設(shè)計，可有效降低機具振動對壓電信號的干擾，可對油菜精量排種器排出的油菜種子進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。

壓電傳感檢測法具有成本低廉，在低頻排種頻率條件下檢測準(zhǔn)確的特點，但由于壓電傳感器件易受振動影響，安裝時對安裝結(jié)構(gòu)要求較高，同時壓電式播種檢測裝置受其檢測原理限制，必須要求種子與壓電感應(yīng)區(qū)發(fā)生碰撞才能進(jìn)行檢測，碰撞會導(dǎo)致種子下落序列發(fā)生改變，對播種均勻性造成影響。

2 中小粒徑種子播種檢測指標(biāo)

播種機作業(yè)過程中，應(yīng)用各類型傳感檢測裝置對播種機播種狀態(tài)進(jìn)行檢測，其中是否出現(xiàn)導(dǎo)種管堵塞或種箱排空是基本的檢測指標(biāo)，為進(jìn)一步評估播種質(zhì)量，又提出播量、播種頻率、行距/株距、漏播、重播等指標(biāo)。實際生產(chǎn)中通過對各指標(biāo)的測算，可對播種質(zhì)量進(jìn)行有效評估。

2.1 堵塞及排空

在播種過程中，因排種量大、塵土堆積或排種器故障等原因，可能造成堵塞現(xiàn)象發(fā)生，堵塞發(fā)生時，如及時停車疏通，會造成大面積漏播。目前對播種過程中堵塞的檢測多采用紅外發(fā)光二極管和紅外光敏二極管組成對射式光敏傳感器，通過對光敏傳感器兩端的電壓變化進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而對堵塞狀況進(jìn)行判斷[57-58]。

播種機長時間進(jìn)行播種作業(yè)時，種箱會出現(xiàn)排空。針對種箱排空狀態(tài)，多于種箱內(nèi)安裝光敏傳感器，當(dāng)種箱排空時，光敏傳感器持續(xù)受到光照，其輸出電壓或通斷狀態(tài)發(fā)生改變，對這種變化進(jìn)行監(jiān)測即可對種箱充種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[59]。

2.2 播量指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，中小粒徑種子播量指標(biāo)多定義為畝播量，以油菜種子為例，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《2018—2019年度冬油菜生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見》指出，每畝地需播種油菜200～400 g才能滿足播種密度要求。

實際生產(chǎn)中畝播量的監(jiān)測多為間接監(jiān)測，首先通過試驗得出種子數(shù)量與質(zhì)量之間的關(guān)系（如千粒質(zhì)量），種子傳感檢測裝置在檢測出播種數(shù)量后，結(jié)合種子數(shù)量與質(zhì)量關(guān)系即可得出播種量，同時配套播種機上的測速模塊計算播種機播種面積[60]，將播種面積與播種量結(jié)合即可得出畝播種量指標(biāo)，對播量的監(jiān)測可從宏觀角度對播種質(zhì)量進(jìn)行評判。

2.3 播種頻率指標(biāo)

播種機排種器單位時間內(nèi)排出的種子數(shù)目為播種頻率，播種頻率可有效反映播種機在播種過程中播種速率大小，通過對播種頻率的實時監(jiān)測，可進(jìn)一步衡量播種機播種質(zhì)量。

不同類型作物種子根據(jù)農(nóng)藝要求播種頻率不同，如油菜按照現(xiàn)行農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)其播種頻率約20～40 Hz，該頻率條件下的種子監(jiān)測使用基于光電原理或壓電原理的播種檢測裝置均具有較好檢測效果。而對于小麥，其播種頻率較高，播種頻率可達(dá)100～300 Hz，基于光電或壓電原理的傳感檢測裝置在進(jìn)行檢測時，由于傳感原理及種子信號調(diào)理電路的限制，導(dǎo)致其難以對高頻種子流進(jìn)行精確檢測。為解決高頻播種情況下對中小粒徑種子的精確檢測，針對未來油菜高頻播種，丁幼春等[61]提出了一種將高通量種子流分流為多路低通量種子流并行檢測的方法，并研制了高通量油菜種子流傳感檢測裝置，實現(xiàn)了油菜高頻排種時的精確檢測，此原理可為其他作物高頻排種或顆粒肥的精確檢測提供一定思路。

2.4 行距/株距指標(biāo)

作物播種時，需保持一定行距與株距，合理的行距株距使得作物在生長過程中可獲取充分光照及養(yǎng)分，提高植物光合作用速率，因此在播種中對行距、株距的調(diào)節(jié)是保障作物增產(chǎn)增收的重要手段。

行距指田間兩行農(nóng)作物之間的間距，不同作物播種行距差別較大，如油菜播種行距一般為10 cm，小麥播種行距一般為15 cm。播種時行距多為固定值，合理的行距既保證了作物正常生長的需求，還為后期機械化收獲提供了便利。

株距主要指同一播行內(nèi)相鄰兩作物的間距，是衡量作物田間分布情況的重要參數(shù)，同時播種機排種器在進(jìn)行精密播種與穴播時，株距將作為衡量排種器性能優(yōu)劣的重要參考指標(biāo)。

對株距檢測可分為播種前、播種時、播種后，播種前檢測是指利用人工黃油帆布帶檢測法或機器視覺等技術(shù)對排種器落種間距進(jìn)行檢測[62-64]，具有代表性的是黑龍江省農(nóng)機研究院與中國農(nóng)機院呼和浩特分院基于人工黃油帶檢測法研制的JPS－16播種機試驗臺[65]，該試驗臺可進(jìn)行各種大中小型播種機及機械式、氣力式排種器播種情況實況模擬，并可完成精播、穴播與條播排種器落種株距的測定；播種時檢測是指利用套接于導(dǎo)種管的傳感檢測裝置，計算相鄰兩粒種子通過傳感檢測裝置的時間差，并結(jié)合播種機前進(jìn)速度進(jìn)行測算，即可得出株距信息；播種后檢測是指當(dāng)作物出苗后，利用遙感技術(shù)對出苗田塊進(jìn)行取樣分析進(jìn)而得出相應(yīng)株距信息，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)趙必權(quán)等[66]利用低空無人機配合超高分辨率遙感相機對油菜出苗區(qū)域進(jìn)行采集，通過對采集的高分辨率圖像進(jìn)行識別，區(qū)分出圖像中油菜植株信息，可有效識別油菜植株數(shù)量，并可對油菜株距進(jìn)行測算。

2.5 漏播/重播指標(biāo)

相鄰兩粒種子由出種管排出至種溝時間間隔不同，在相同作業(yè)速度下造成播種株距不同，據(jù)此可將整個播種過程株距樣本進(jìn)行分類，得到漏播、重播及合格3個區(qū)域，根據(jù)《GB/T6973—2005單粒（精密）播種機試驗方法》計算可得到漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)作為試驗評價指標(biāo)[67]，具體計算公式如下：

丁幼春等[68]為快速準(zhǔn)確地反映不同漏播狀態(tài)類型，針對油菜精量排種器漏播實時檢測問題，在界定了“稀疏缺苗”和“斷條”2 種不同漏播類型的基礎(chǔ)上定義了稀疏缺苗系數(shù)與斷條系數(shù)，分析了兩系數(shù)的二維平面分布，提出了一種采用排種盤轉(zhuǎn)速與排種脈沖同步檢測、排種頻率與時間間隔雙重閾值約束的檢測方法，該方法不僅有效解決了小粒徑精量排種器重播條件下漏播的檢測，而且對播量不足進(jìn)行了約束，提高了漏播檢測的實時性。

上述播種檢測指標(biāo)多維度評估了播種機播種質(zhì)量，為農(nóng)戶對農(nóng)田管理提供了一定依據(jù)，同時隨著播種環(huán)節(jié)智能化的推進(jìn)，將播種檢測指標(biāo)信息傳輸至云端，并在云端進(jìn)行相應(yīng)決策對播種機播種狀態(tài)進(jìn)行指導(dǎo)也將是播種檢測指標(biāo)未來的應(yīng)用之處。

3 播種檢測配套技術(shù)

3.1 變量補種技術(shù)

播種機播種過程中出現(xiàn)漏播故障時，如不能及時發(fā)現(xiàn)并采取補種措施，會造成播種質(zhì)量降低，后期進(jìn)行人工補苗提高作物種植成本，因而變量播種技術(shù)研究隨之出現(xiàn)，變量補種系統(tǒng)多由播種檢測裝置和變量補種裝置組成，當(dāng)播種檢測裝置檢測到漏播發(fā)生，檢測裝置將漏播指數(shù)實時傳輸至變量補種裝置，變量補種裝置配合機具作業(yè)速度及漏播指數(shù)，結(jié)合相應(yīng)農(nóng)藝要求，開展變量補種，實現(xiàn)“漏多少種，補多少種”，保證播種作業(yè)質(zhì)量。

針對小粒徑種子作物變量補種，丁幼春等[69]設(shè)計了油菜籽漏播螺管式補種器，同時針對油菜籽氣力式精量排種器產(chǎn)生的漏播情況，設(shè)計了油菜精量排種器變量補種系統(tǒng)[70]，該補種系統(tǒng)由漏播檢測裝置、排種盤測速裝置、變量補種裝置及補種監(jiān)測顯示裝置組成，各裝置間指令和數(shù)據(jù)采用無線方式進(jìn)行有序?qū)崟r傳輸，經(jīng)測試，該套系統(tǒng)在油菜精量排種器出現(xiàn)漏播時，可及時準(zhǔn)確補種。陳剛等[71]研究的免耕精密播種機漏播補償系統(tǒng)，采用等待補種、實時充種的方式，根據(jù)補種過程各動作時間關(guān)系，控制電磁閥和補種系統(tǒng)排種器動作時間，實現(xiàn)適時補種。吳南等[72]針對免耕播種機存在的漏播問題設(shè)計了補種系統(tǒng)，該系統(tǒng)以漏播補償監(jiān)測系統(tǒng)為核心將步進(jìn)電機與補種器的排種軸直連，通過控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角實現(xiàn)漏播補種。

目前中小粒徑種子變量補種技術(shù)的研究多集中于高校，市面上成熟的變量補種系統(tǒng)鮮見。對于中小粒徑作物種子變量補種技術(shù)研究主要存在以下難點：中小粒徑種子尺寸較小，精確檢測較為困難，難以準(zhǔn)確得出漏播指數(shù)；變量補種裝置接收到漏播指數(shù)時，存在一定滯后，導(dǎo)致補種裝置補種不及時?；谏鲜鲈?，目前中小粒徑種子變量補種系統(tǒng)多為科研探究，距實際推廣應(yīng)用仍有一段距離，因此還需對中小粒徑種子變量補種技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，確保變量補種系統(tǒng)在檢測到漏播后能迅速準(zhǔn)確補種。

3.2 播種信息傳輸技術(shù)

中小粒徑種子播種檢測裝置可對播種機播種信息進(jìn)行獲取，為更好利用獲取的播種信息，應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)對播種信息進(jìn)行傳輸，傳輸至云服務(wù)器，可實現(xiàn)云端存儲或云端決策，大大提高了播種過程智能化。播種信息傳輸至云服務(wù)器處理終端的模式可分為有線傳輸方式和無線傳輸方式。

3.2.1 播種信息有線傳輸

在播種作業(yè)過程中，由于工作環(huán)境惡劣，為保證播種監(jiān)測信息能有效傳輸，可選擇有線傳輸方式進(jìn)行信息傳遞。有線傳輸具有抗干擾能力強、故障率低等特點，是確保播種信息能準(zhǔn)確、有效傳輸?shù)谋貍涫侄?。在?dāng)前播種檢測系統(tǒng)中，多采用有線方式進(jìn)行信息傳輸。有線傳輸包括CAN總線技術(shù)、RS485總線技術(shù)等。

CAN總線最初是為解決汽車產(chǎn)業(yè)中多電子控制系統(tǒng)信息交互而產(chǎn)生的現(xiàn)場總線技術(shù)，由于其高性能與高可靠性，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、醫(yī)療、裝備等領(lǐng)域。近年來，在播種檢測信息傳輸中運用CAN總線技術(shù)也逐漸增多，丁友強等[73]基于CAN總線設(shè)計了一套玉米精量播種機監(jiān)測系統(tǒng)，采用CAN總線分布式控制方式完成主控制器和各個播種單體之間的指令傳輸。盧彩云等[74]為實現(xiàn)小麥播種作業(yè)性能的實時監(jiān)控，設(shè)計了一種基于CAN總線的小麥精密播種機實時監(jiān)控系統(tǒng)，將光電傳感器采集的播種信息通過CAN總線傳輸至播種監(jiān)測終端并實時顯示。金鑫等[75]利用CAN總線，采集2BFJ-24小麥精量播種機變量施肥機稱量傳感器、肥料堵塞傳感器、漏播檢測傳感器及前進(jìn)速度傳感器信息并進(jìn)行處理，實現(xiàn)了播種檢測信息的穩(wěn)定傳輸。楊碩等[76]設(shè)計了一種具有CAN總線接口的播種監(jiān)測ECU，裝備有CAN總線接口的播種監(jiān)測ECU在接收到播種監(jiān)測傳感器感應(yīng)的種子信息后將播種檢測信息通過CAN總線傳輸至排種驅(qū)動控制器單元，進(jìn)行變量排種。林二東等[77]基于CAN總線設(shè)計了大豆播種檢測系統(tǒng)，通過CAN總線實現(xiàn)檢測裝置與控制器之間的播種信息傳輸。

RS485總線是串行通訊標(biāo)準(zhǔn)之一，具有抗噪聲干擾性強、長距離傳輸、多節(jié)點傳輸?shù)忍攸c。周利明等[78]為解決大型寬幅條播機作業(yè)質(zhì)量檢測的問題，開發(fā)了一種基于RS485總線的播種機種肥監(jiān)測系統(tǒng)，利用RS485總線實現(xiàn)了多節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸，便于數(shù)據(jù)擴展。

除以上兩種有線播種信息傳輸方式，各企業(yè)、專家、學(xué)者根據(jù)自身研制的播種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了配套的有線傳輸線路。如意大利MC Electronics公司研制的播種檢測系統(tǒng)能夠?qū)τ衩?、小麥等播種株距、單位面積播種量、播種面積進(jìn)行顯示。國內(nèi)苑嚴(yán)偉等[79]、丁幼春等[80]研制的播種檢測裝置所檢測的播種信息均通過有線方式傳輸。

3.2.2 播種信息無線傳輸

實現(xiàn)播種信息無線傳輸主要依靠各無線傳輸模塊，按照無線傳輸模塊通訊距離遠(yuǎn)近可將播種信息傳輸技術(shù)分為無線局域網(wǎng)技術(shù)和無線廣域網(wǎng)技術(shù)。

無線局域網(wǎng)技術(shù)主要包括Bluetooth，Wi-Fi，Zigbee，三者相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1。

國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用無線局域網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了相應(yīng)播種檢測系統(tǒng)。譙睿等[81]在三七播種檢測系統(tǒng)中增加了藍(lán)牙無線通訊模塊，可將檢測到的各導(dǎo)種管的播種信息傳輸至10 m內(nèi)的上位機終端。李進(jìn)鵬[82]設(shè)計的播種檢測系統(tǒng)，在上位機檢測顯示終端和下位機種子播種上均安裝藍(lán)牙串口適配器，檢測裝置采集的，通過藍(lán)牙適配器傳輸至上位機，上位機對接收的播種信息進(jìn)行實時顯示。王金武等[83]在所設(shè)計的檢測系統(tǒng)中集成了藍(lán)牙串口通訊模塊，實現(xiàn)了信號的無線傳輸，并開發(fā)了適用于安卓系統(tǒng)的手機APP。

張勤仕[84]通過WiFi無線模塊將油菜播種質(zhì)量信息發(fā)送到上位機系統(tǒng)，上位機軟件以Android APP的方式安裝于手機中，人機界面友好，可顯示各行播種粒數(shù)、畝播種量等信息。崔紅光等[85]設(shè)計的水稻直播機播種信息無線檢測系統(tǒng)，構(gòu)建了基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點，通過路由節(jié)點上傳數(shù)據(jù)，將播種信息于液晶顯示屏展示并通過蜂鳴器報警。趙繼成等[86]基于Zigbee技術(shù)設(shè)計了播種信息無線檢測系統(tǒng)，所測播種信息由無線傳輸模塊與單片機進(jìn)行串口通信，再由單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后用液晶顯示模塊實時顯示。宮鶴[87]基于ZigBee設(shè)計了玉米漏播補種系統(tǒng)，在主排種器后加裝一個由步進(jìn)電機驅(qū)動的副排種器，當(dāng)漏播發(fā)生時，漏播信號由種子播種檢測裝置通過ZigBee無線傳輸模塊傳輸至副排種器，副排種器開始補種。劉志欣等[88]基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和PLC控制技術(shù)，設(shè)計了一個基于ZigBee的播種檢測信息無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光電播種檢測裝置采集播種信息，檢測裝置將采集的播種信息通過ZigBee發(fā)送到PLC，進(jìn)而控制播種機行進(jìn)速度及排種軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)播種狀況的實時調(diào)控，使播種機行進(jìn)速度與排種頻率相匹配。

表1 常見短距離無線傳輸技術(shù)及其參數(shù)

除上述3種無線傳輸技術(shù)，在農(nóng)機播種信息的無線短距離傳輸中以nRF24L01模塊為代表的射頻通信技術(shù)也被廣泛使用。李丹等[89]為實時檢測播種機工作性能，設(shè)計了一種用于對播種機性能檢測的無線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用nRF24L01無線傳輸模塊，對玉米播種機播種過程種的種子重播、漏播進(jìn)行聲光報警。王潤濤等[90]利用nRF24L01模塊，實現(xiàn)了播種機播種作業(yè)過程中的播種參數(shù)的無線傳輸，將播種參數(shù)通過nRF24L01模塊傳輸至LCD12864液晶進(jìn)行顯示。丁幼春等[91]設(shè)計的油菜精量聯(lián)合直播機播種檢測系統(tǒng)，利用nRF2401無線傳輸模塊采用“多對一”傳輸方式，將油菜播種檢測信息傳輸至播種檢測顯示終端，終端可實時顯示多路播量信息、排種性能指標(biāo)信息以及各路排種頻率曲線。

無線廣域網(wǎng)技術(shù)主要包括蜂窩移動通信技術(shù)（2G3G4G5G），尹彥鑫[92]利用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，對播種機的每一個檢測位置部署具備數(shù)據(jù)采集及傳輸能力的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將采集到的播種檢測信息以無線傳輸方式匯聚于總節(jié)點，總節(jié)點將采集的播種信息轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程計算機監(jiān)控中心，實現(xiàn)播種機播種作業(yè)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

隨著未來播種過程智能化程度的提升，制定統(tǒng)一的播種檢測信息采集標(biāo)準(zhǔn)，將有線及無線信息傳輸手段相結(jié)合，保證播種檢測信息的可靠傳輸。

4 發(fā)展趨勢建議

近年來，國內(nèi)中小粒徑種子播種檢測研究進(jìn)展迅速，針對不同作物研制不同類型播種檢測裝置，為實現(xiàn)播種智能化提供了技術(shù)支撐。然而，從當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看，尚存在以下問題，在后續(xù)研究中應(yīng)著重解決。

1）高速播種精準(zhǔn)檢測問題

目前中小粒徑作物播種機作業(yè)速度較慢，其相應(yīng)播種頻率較低，隨著未來農(nóng)機裝備發(fā)展，高速、寬幅播種機成為趨勢。因此為滿足播種時植株密度農(nóng)藝要求，需提高播種機排種器播種頻率，為保證高頻播種質(zhì)量，需對高頻種子播種過程進(jìn)行精準(zhǔn)檢測。在進(jìn)行中小粒徑種子高頻播種精準(zhǔn)快速檢測時，面臨以下兩個問題：其一，當(dāng)播種頻率過高時，單位時間內(nèi)穿越播種檢測裝置感應(yīng)區(qū)內(nèi)種子數(shù)目增多，對感應(yīng)元件檢測分辨率及種子信號調(diào)理條路處理信號處理時間提出更高要求；其二，因播種頻率較高，兩?；騼闪Ｒ陨戏N子同時穿越感應(yīng)區(qū)概率增大，此時，播種檢測裝置難以準(zhǔn)確分辨，一般將兩粒或兩粒以上的種子檢測為一粒種子。綜上，為解決中小粒徑種子高頻播種精準(zhǔn)快速檢測，可考慮將高頻種子分流為多路低通量種子流并行檢測，對高頻種子進(jìn)行精準(zhǔn)快速檢測。

2）多類型種子檢測適應(yīng)性問題

中小粒徑種子類型眾多，其相應(yīng)物理特征也有較大差別。目前對不同粒徑種子進(jìn)行檢測時需研制對應(yīng)特制檢測裝置，造成檢測裝置種類繁雜，難以形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

因此對于不同類型種子，研究基于相同傳感方法的檢測裝置，在進(jìn)行不同類型種子檢測時，僅需簡單調(diào)整檢測電路元件參數(shù)或不做任何調(diào)整，即可實現(xiàn)對不同粒徑種子的兼容檢測。研制具有廣適性的播種檢測裝置，解決不同種子檢測適應(yīng)性問題，可為播種檢測標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)提供便利工具，同時也利于播種檢測裝置的大面積推廣與使用，為智能化播種信息采集提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3）播種檢測標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建問題

針對不同類型播種方式，其相應(yīng)播種指標(biāo)不盡相同，利用播種檢測裝置進(jìn)行檢測時，會得到不同參數(shù)。目前國內(nèi)還沒有建立完整的播種檢測標(biāo)準(zhǔn)體系，制約了播種檢測技術(shù)發(fā)展。對不同播種方式構(gòu)建對應(yīng)播種檢測標(biāo)準(zhǔn)，可更加科學(xué)對播種質(zhì)量進(jìn)行評估。未來播種方式主要包括：精量播種、精密播種等。針對精量播種，評估精量播種播種性能指標(biāo)主要應(yīng)包括播量、播種均勻性；對于精密播種，評估精密播種性能指標(biāo)主要包括播種粒數(shù)、粒距等指標(biāo)，同時為實現(xiàn)智能化播種，對于每一粒種子的時間、空間信息也應(yīng)進(jìn)行采集。除對不同播種方式各自典型的播種檢測指標(biāo)進(jìn)行檢測，各播種方式共有的檢測指標(biāo)如播種頻率、漏播率、重播率、播深、作業(yè)速度等，應(yīng)作為作物播種檢測的基礎(chǔ)指標(biāo)。因此結(jié)合不同地區(qū)作物種植模式，配套區(qū)域性地方播種檢測標(biāo)準(zhǔn)，可有效推動播種智能化發(fā)展。

當(dāng)前播種監(jiān)測信息主要包括播種量、播種頻率、播種間距、穴粒數(shù)、播種面積、作業(yè)速度等傳統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推進(jìn)對于播種信息的需求日益豐富，為每一粒種子標(biāo)記時間、空間信息，可對播種田塊的播種狀態(tài)分布圖進(jìn)行繪制，能夠更好評估播種質(zhì)量優(yōu)劣，為后期針對性補種、間苗提供便利。目前對于播種信息融合的研究鮮有涉及，播種信息與時間、空間信息融合的算法研究及相應(yīng)硬件平臺搭建是一個可深度挖掘且具有實際意義的命題。

4）前沿科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于播種檢測的問題

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算及5G技術(shù)為工業(yè)賦能，讓工業(yè)生產(chǎn)更加智能，同樣新興科技手段也逐漸進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，將新興技術(shù)手段應(yīng)用于播種檢測領(lǐng)域，由播種檢測裝置采集的播種狀態(tài)信息通過5G上傳至云端數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同田塊構(gòu)建不同區(qū)域播種信息數(shù)據(jù)庫，對上傳的播種信息進(jìn)行分析并做出決策反饋到播種機具上，調(diào)整作業(yè)模式，實現(xiàn)智能化播種。

5）播種檢測信息深度挖掘與應(yīng)用問題

國內(nèi)針對不同作物研制了相應(yīng)播種信息采集裝置，多數(shù)信息采集裝置采集的播種信息均為一次性信息，僅對播種質(zhì)量信息進(jìn)行實時檢測，采集的信息在播種作業(yè)結(jié)束后便被丟失。因此將播種信息上傳至云服務(wù)器進(jìn)行存儲與決策，可真正實現(xiàn)播種過程智能化。播種檢測裝置實時發(fā)送排種頻率及定位等信息，將上傳的信息作為云服務(wù)器播種決策模型輸入?yún)?shù)，經(jīng)決策后可得出播種機作業(yè)速度，將該速度信息反饋至播種機，即刻實現(xiàn)播種機變量作業(yè)；同時，通過對同一地區(qū)相同作物播種信息進(jìn)行采集，將該作物播種信息上傳至云服務(wù)器，構(gòu)建區(qū)域性作物種植信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)處理、深度學(xué)習(xí)技術(shù)，將天氣、田塊肥力、播種質(zhì)量信息進(jìn)行融合，可對區(qū)域作物產(chǎn)量及適收期進(jìn)行預(yù)測。

5 結(jié)　論

中小粒徑種子作物發(fā)展?jié)摿Υ蟆⑹袌銮熬昂?，本文對中小粒徑種子播種檢測的感知方法、檢測指標(biāo)、配套技術(shù)及發(fā)展趨勢展開論述，主要得到以下結(jié)論。

1）實際生產(chǎn)中，針對不同作物不同作業(yè)場景，選擇合適感知方法研制播種檢測裝置實現(xiàn)中小粒徑種子的精準(zhǔn)檢測。

2）播種檢測指標(biāo)多維度評估了播種質(zhì)量，量化的指標(biāo)為大田農(nóng)作物管理提供一定依據(jù)，并為未來智能化農(nóng)機播種決策提供支撐。

3）以播種檢測為基礎(chǔ)的變量補種技術(shù)有效解決了田間漏播的發(fā)生，保證了播種質(zhì)量；播種信息傳輸技術(shù)的應(yīng)用，為播種信息化進(jìn)程的推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

4）未來中小粒徑播種檢測技術(shù)研究可以從以下方面開展：高速播種精準(zhǔn)檢測、多類型種子通用性檢測、播種檢測標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建、前沿科學(xué)技術(shù)播種檢測融合、播種檢測信息深度挖掘。

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Research progress of seeding detection technology for medium and small-size seeds

Ding Youchun, Wang Kaiyang,, Liu Xiaodong, Liu Weipeng,Chen Liyuan,Liu Wenbo, Du Chaoqun

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

Small to medium-sized seeds are characterized by non-food crops with an average diameter of less than 7 mm, mainly including rape, wheat，alfalfa, panax ginseng, and cereals. Since crop cultivation is gradually changing from the original grain to the diversified economic type under the adjustment of agricultural industry in China, the small to medium-sized seed crop is generally expected to serve as a sunrise industry with more promising markets. However, it is difficult to monitor the sowing status because the seeder seeds thought tube is enclosed status, when small and medium-sized seeds are sown in the field. In addition, in the detection of small to medium-sized seed crops, the seeds sow frequency is higher compared with large seed crops (rape row frequency is about 20-40 Hz, wheat row frequency is about 100-300 Hz), and it is difficult to accurately distinguish single seeds because of the high row frequency and poor seed sequencing, and there are also difficulties in detecting small to medium-sized seeds because of the small seed size and the weak seed signal generated when the seeds cross the sensing area. The above reasons make it difficult to accurately detect small and medium sized seeds. Correspondingly, the quality of seeding depends seriously on the seed rower, where missing seeds can inevitably result in sparse seedlings and broken strips in the complex field environment. Once a missed sowing cannot be found in time, a large area to be missed can inevitably occur, especially for the wide high-speed seeder with a high operation speed and sowing width. Manual replenishment of seedlings at a later stage is also time-consuming and labor-intensive. Therefore, it is necessary to real-time monitor the sowing process of small and medium-sized seeds for the high quality of crop sowing. Alternatively, the state-of-art technology of seeding detection is widely expected to realize variable seeding in intelligent agriculture. In this study, a systematic review was performed on the progress of detection technology and corresponding equipment for small and medium-sized seeds in the international market. Five sensing methods were selected to clarify the benefits and limitations, including mechanical electromechanical alarm, machine vision, photoelectric, capacitive, and piezoelectric sensing detection. Meanwhile, seven evaluation indicators were selected to determine the sowing detection, including sower failure monitoring, sowing volume, sowing frequency, rowing spacing, planting spacing, missing sowing, reseeding. The specific indexes of sowing detection were proposed for different sowing modes in combination with precision agricultural requirements. Furthermore, a full overview was made on the leakage compensation and information transmission of sowing detection to avoid the sowing leakage. In addition, a systematic summary was given on the sowing detection related technologies, and the possible development requirements for small and medium-sized seed sowing detection in the context of precision agriculture. Future detecting trend was foreseen when sowing small and medium-sized seeds. Consequently, three aspects were elaborated, including the current detection, detection indexes, and sowing detection for small and medium-sized seeds. Technical difficulties were given using detection devices for small and medium-sized seed flow during this stage. The finding can provide a key technical support to sowing detection of small and medium-sized seeds.

agricultural machinery; detection; precision seeding; sensing principle; small to medium-sized seeds

丁幼春，王凱陽，劉曉東，等. 中小粒徑種子播種檢測技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(8)：30-41.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, et al. Research progress of seeding detection technology for medium and small- size seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 30-41. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004 http://www.tcsae.org

2020-12-17

2021-03-31

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）湖北省重點研發(fā)計劃項目（2020BAB097）

丁幼春，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為油菜機械化生產(chǎn)智能化技術(shù)與裝備。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004

S223.2+5

A

1002-6819(2021)-08-0030-12