楊碩，王秀，谷趁趁

(1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

精密播種技術(shù)已經(jīng)成為我國玉米播種的主要方式，少免耕環(huán)境下，為高質(zhì)量播種帶來挑戰(zhàn)。玉米精密播種機(jī)類型[1-2]、播種控制方式[3-4]等因素影響，均影響著均勻播種效果。播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)利用排種監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，能夠?qū)ε欧N工況進(jìn)行虛擬評(píng)價(jià)，有效保證播種質(zhì)量[5]。排種監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)是通過對(duì)排種狀態(tài)的感應(yīng)，獲取播種質(zhì)量信息，轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸出的傳感器技術(shù)。目前，排種監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)主要包括基于高速攝像與圖像處理[6-7]和基于光電感應(yīng)[8-10]兩方面。通過高速攝像和圖像處理技術(shù)采集傳送帶上裸露的種子圖像，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行排種器排種性能監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，吳澤全等[11-12]利用地坑模式設(shè)計(jì)了可進(jìn)行各種大中小型播種機(jī)排種器工作性能實(shí)時(shí)工況模擬的JPS-16播種機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。采用圖像處理技術(shù)需要為攝像機(jī)提供一個(gè)光源可控且無振動(dòng)的環(huán)境，而排種器結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹窄，播種機(jī)田間播種時(shí)易受到地表起伏、拖拉機(jī)振動(dòng)等因素影響，使得圖像獲取精度難以保證，而使利用高速攝像和圖像處理技術(shù)進(jìn)行播種機(jī)播種性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)變得十分困難。

光電傳感技術(shù)是通過發(fā)射端光源形成光場(chǎng)，接收端的光敏感元件感應(yīng)光場(chǎng)強(qiáng)度的變化，轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸出。LAN Y等[13]基于光電傳感器設(shè)計(jì)了由LED與光電晶體管構(gòu)成的光柵探測(cè)傳感器，用于對(duì)直徑較小的種子進(jìn)行探測(cè)，監(jiān)測(cè)的508粒甜菜等小顆粒種子時(shí)，漏探測(cè)的種子數(shù)量僅為2粒，對(duì)小顆粒種子達(dá)到了較高的探測(cè)精度，與用油脂傳送帶測(cè)量的種子間距測(cè)量結(jié)果對(duì)比，兩者測(cè)量的粒距基本無差別；史智興等[14]針對(duì)光電傳感器光場(chǎng)覆蓋率的問題，利用平面鏡光路反射的原理，設(shè)計(jì)了紅光半導(dǎo)體激光二極管和硅光電池組成的傳感器，提高了不同體積大小的種子探測(cè)精度；張繼成等[15]利用光敏元件設(shè)計(jì)了顆粒狀物體的實(shí)時(shí)探測(cè)傳感器，通過試驗(yàn)證明了對(duì)播種的監(jiān)測(cè)精度達(dá)到96%以上。采用光電探測(cè)技術(shù)形成的排種探測(cè)傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、影響迅速的優(yōu)點(diǎn)，在玉米精密播種質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)上具有巨大的應(yīng)用潛力。

隨著電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種系統(tǒng)排種轉(zhuǎn)速控制性能[16]和排種監(jiān)測(cè)傳感器在線探測(cè)準(zhǔn)確性的不斷提高[17]，急需對(duì)電驅(qū)排種與播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)進(jìn)行整體研究。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)裝備標(biāo)準(zhǔn)總線通信模式成為目前農(nóng)業(yè)裝備的主要現(xiàn)場(chǎng)通信模式[18-19]，為適應(yīng)我國玉米播種機(jī)電控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化通信研究提供了基礎(chǔ)。由于缺乏播種智能監(jiān)控裝備總線通信協(xié)議制定的研究，使得電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種的精密播種機(jī)播種質(zhì)量集成系統(tǒng)可靠性和擴(kuò)展性低，難以產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。為解決上述問題，本文基于現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)，擬開發(fā)電驅(qū)排種與播種質(zhì)量集成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)電驅(qū)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)軟件，為研究車載電驅(qū)排種監(jiān)控評(píng)價(jià)一體系統(tǒng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)車載電驅(qū)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)，本研究以CAN通信作為現(xiàn)場(chǎng)通信總線，集成電驅(qū)排種功能、質(zhì)量評(píng)價(jià)功能和標(biāo)準(zhǔn)信息交互功能，玉米電驅(qū)排種在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)總體功能框圖如圖1所示。

圖1 集成系統(tǒng)功能框圖

雙模式電驅(qū)排種控制功能通過上位機(jī)軟件和排種驅(qū)動(dòng)ECU(Electronic Control Unit, ECU)的信息交互實(shí)現(xiàn)，主要包括排種參數(shù)設(shè)置功能、支持現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和分段PID電驅(qū)排種雙模式控制功能和電驅(qū)排種轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)功能。其中，排種參數(shù)設(shè)置完成對(duì)播量、粒距等排種轉(zhuǎn)速相關(guān)參數(shù)輸入；電驅(qū)排種轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)完成對(duì)排種器排種盤排種轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)功能。電驅(qū)排種雙模式控制功能分別包括支持現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和分段PID電驅(qū)排種控制兩種模式，主要由排種驅(qū)動(dòng)ECU實(shí)現(xiàn)，在前期研究的基礎(chǔ)上，本研究基于分段線性差值算法和分段PID電驅(qū)排種控制算法，設(shè)計(jì)2種電驅(qū)排種控制模式，該模式的切換功能通過上位機(jī)軟件發(fā)送指令至排種驅(qū)動(dòng)ECU實(shí)現(xiàn)。

播種質(zhì)量評(píng)價(jià)通過上位機(jī)軟件與排種監(jiān)測(cè)集成控制器(排種監(jiān)測(cè)ECU)的交互作用實(shí)現(xiàn)，主要包括車速、氣壓等播種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能，在該環(huán)境下實(shí)現(xiàn)播種粒數(shù)、播種粒距的監(jiān)測(cè)[20]。

標(biāo)準(zhǔn)信息交互包括電驅(qū)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)CAN總線通信應(yīng)用協(xié)議，在該協(xié)議下布置總線通信擴(kuò)展接口，為系統(tǒng)各設(shè)備提供通信接口和標(biāo)準(zhǔn)信息交互依據(jù)，為擴(kuò)展設(shè)備良好信息交互奠定基礎(chǔ)。本文對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過讀取排種監(jiān)測(cè)ECU監(jiān)測(cè)的粒距信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)播種質(zhì)量的在線評(píng)價(jià)。

為完成上述系統(tǒng)功能要求，在前期研究基礎(chǔ)上，通過硬件設(shè)備集成，玉米電驅(qū)排種在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)硬件主要由顯示終端、排種監(jiān)測(cè)ECU、排種驅(qū)動(dòng)ECU、車速測(cè)量模塊、排種相關(guān)傳感器、電驅(qū)排種單元組成，各控制器通過CAN總線通信交互，由車載電瓶提供電源，如圖2所示。

排種驅(qū)動(dòng)ECU以TTC32為主控器，使用CodeSys中ST語言進(jìn)行編程，運(yùn)行雙模式電驅(qū)排種控制程序，通過對(duì)總線數(shù)據(jù)的解析獲取排種目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電驅(qū)排種單元的驅(qū)動(dòng)控制；通過排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)排種轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)。電驅(qū)排種單元以播種單體為載體，可以實(shí)現(xiàn)電驅(qū)播種行的擴(kuò)展，通過排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)完成對(duì)各播種行的排種控制。為了增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械式和氣力式電驅(qū)排種器的適用性，增加氣壓傳感器讀取接口，用于對(duì)氣吸式排種器的工作壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證氣吸排種器工作壓力的穩(wěn)定，防止因氣體壓力低造成漏播的情況發(fā)生。排種監(jiān)測(cè)ECU與排種監(jiān)測(cè)傳感器、氣壓傳感器連接，用于對(duì)玉米精密排種器工作狀態(tài)、播種粒數(shù)、播種粒距等排種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將相關(guān)信息按照總線通信協(xié)議上傳至CAN網(wǎng)絡(luò)。車速測(cè)量模塊接收地輪測(cè)速時(shí)的轉(zhuǎn)速編碼器信號(hào)，或GNSS天線輸出的車速信息，轉(zhuǎn)換為CAN數(shù)據(jù)發(fā)送至總線網(wǎng)絡(luò)。顯示終端運(yùn)行上位機(jī)軟件，通過USB/CAN轉(zhuǎn)換模塊連接至CAN網(wǎng)絡(luò)，完成總線信息的采集、解析、顯示和發(fā)送，由于集成系統(tǒng)設(shè)備較多，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)答機(jī)制，上位機(jī)軟件按照固定時(shí)間間隔向排種驅(qū)動(dòng)ECU、排種監(jiān)測(cè)ECU以及車速測(cè)量模塊進(jìn)行尋址，當(dāng)無應(yīng)答時(shí)，上位機(jī)軟件調(diào)出消息窗口，提醒用戶設(shè)備丟失，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線掛載設(shè)備管理。

圖2 系統(tǒng)硬件組成示意圖

1.2 排種監(jiān)測(cè)ECU硬件設(shè)計(jì)

排種監(jiān)測(cè)ECU穩(wěn)定的排種信息采集時(shí)系統(tǒng)電驅(qū)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)，對(duì)排種監(jiān)測(cè)ECU進(jìn)行硬件端口定義和總線線束設(shè)計(jì)，如圖3所示。排種監(jiān)測(cè)ECU基于STM32控制板開發(fā)，通過LM2596S穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)車載電源DC12V至控制板工作電壓DC3.3V的轉(zhuǎn)換。STM32控制板具有雙路CAN接口，收發(fā)電路基于TJA1050芯片，支持CAN 2.0A和CAN 2.0B，利用CAN1通訊端口連接至總線網(wǎng)絡(luò)；此外，STM32控制板具有兩路TTL串口，通過UART1對(duì)控制器進(jìn)行程序下載，通過UART2與氣壓傳感器通信獲得氣體壓力。通過GPIOC端口讀取響應(yīng)頻率范圍為0～4 kHz的PC817隔離模塊處理后的排種監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)。最后，將車載電源接口、485通訊接口、CAN1接口、排種監(jiān)測(cè)傳感器、車速編碼器接口以及UART1下載端口與總線線束連接，總線線束分成程序下載端口、CAN通訊端口以及由485接口和排種監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)線組成的信號(hào)連接端口，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)電氣連接。

圖3 排種監(jiān)測(cè)ECU硬件組成

1.3 電驅(qū)排種質(zhì)量在線評(píng)價(jià)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 排種質(zhì)量在線評(píng)價(jià)軟件界面

玉米精密播種機(jī)播種質(zhì)量在線評(píng)價(jià)軟件采用VS2010軟件MFC框架編寫，具備播種質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)、電驅(qū)排種控制、播種機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。通過建立與基于STM32的排種監(jiān)測(cè)ECU、與基于TTC32的排種驅(qū)動(dòng)ECU的2個(gè)通訊協(xié)議，對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)精密播種機(jī)播種參數(shù)設(shè)置、播種狀態(tài)監(jiān)測(cè)和排種質(zhì)量評(píng)估，通過對(duì)文件讀寫操作，完成初始設(shè)置參數(shù)的本地存儲(chǔ)，排種質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)在線顯示、本地存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。該系統(tǒng)通過USB/CAN轉(zhuǎn)換模塊與總線連接，完成下位機(jī)通信。該評(píng)價(jià)軟件的主界面如圖4所示。

圖4 軟件操作界面

圖4中，通訊串口號(hào)設(shè)置區(qū)用于串口開關(guān)和串口選擇，系統(tǒng)默認(rèn)通訊參數(shù)為9 600 bps、N、8、1；參數(shù)設(shè)置區(qū)用于對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)目標(biāo)種數(shù)和行距、粒距、等參數(shù)設(shè)置；作業(yè)參數(shù)監(jiān)測(cè)包括車速監(jiān)測(cè)、排種盤理論轉(zhuǎn)速、理論播種量、氣壓、單路排種器排種量、播種機(jī)總排種量，排種盤實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和各路實(shí)時(shí)播種粒距采用進(jìn)度條的方式進(jìn)行顯示，當(dāng)粒距出現(xiàn)漏播時(shí)，對(duì)應(yīng)進(jìn)度條顏色由綠色變?yōu)榧t色。播種機(jī)總排種量為6路排種器排種粒數(shù)的總和；實(shí)時(shí)粒距為排種監(jiān)測(cè)ECU發(fā)送至總線的粒距值，作為軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)?！伴_始評(píng)價(jià)”按鈕用于播種質(zhì)量評(píng)價(jià)啟停控制；質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果通過List Control控件顯示，將目標(biāo)粒數(shù)、排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)按照序號(hào)和系統(tǒng)接收時(shí)間進(jìn)行在線列表顯示；“保存”按鈕實(shí)現(xiàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果本地存儲(chǔ)至“*.csv”文件，具體過程如下：利用CFile類打開默認(rèn)命名*.csv文件，默認(rèn)命名為系統(tǒng)存儲(chǔ)文件的時(shí)間，讀取List Control控件中顯示的字符，按行依次進(jìn)行保存，保存完成后，關(guān)閉文件，實(shí)現(xiàn)播種質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的保存；“查看歷史數(shù)據(jù)”按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)保存文件在List Control控件中的顯示。

1.3.2 總線數(shù)據(jù)解析程序

數(shù)據(jù)交互時(shí)，上位機(jī)通過CSerialPort類對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。數(shù)據(jù)解析的程序流程見圖5。

圖5 總線數(shù)據(jù)解析程序流程

通過串口通訊接口與USB/CAN轉(zhuǎn)換器連接，將總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)由軟件接收，USB/CAN轉(zhuǎn)換器的輸出模式設(shè)定為包模式，數(shù)據(jù)格式如表1所示。該模式下串口數(shù)據(jù)長度固定16 bytes，數(shù)據(jù)不足自動(dòng)補(bǔ)0，包首標(biāo)識(shí)固定為AA，擴(kuò)展幀標(biāo)識(shí)、遠(yuǎn)程幀標(biāo)識(shí)和有效數(shù)據(jù)長度分別用1byte數(shù)據(jù)位標(biāo)識(shí)，識(shí)別ID用于對(duì)包數(shù)據(jù)進(jìn)行分類判別，數(shù)據(jù)位長度為8 byte。通過對(duì)上述包模式格式的接收解析和發(fā)送，用戶可以進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。串口接收到數(shù)據(jù)后，判斷包頭是否為AA，若為AA，判斷串口接收數(shù)據(jù)長度是否達(dá)到16 bytes，若達(dá)到，則按照USB/CAN轉(zhuǎn)換器包模式定義，截取數(shù)據(jù)識(shí)別ID，判斷總線通信協(xié)議，截取數(shù)據(jù)位，進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，由16進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如，接收的氣壓傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，總線數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)范圍為0～2 000的整數(shù)，對(duì)應(yīng)壓力范圍為-20～20 kPa，氣壓總線包數(shù)據(jù)傳送值與實(shí)際氣壓值的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

Pr=(Pt-1 000)×0.02，

(1)

式(1)中Pt為氣壓總線包數(shù)據(jù)傳送值；Pr為實(shí)際氣壓值，kPa。

數(shù)據(jù)發(fā)送同樣按照表1中規(guī)定的總線數(shù)據(jù)包格式，識(shí)別ID和數(shù)據(jù)位根據(jù)指定的總線通信協(xié)議向外發(fā)送，數(shù)據(jù)收、發(fā)轉(zhuǎn)換完成后，通過刷新編輯框，完成各個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的更新，直至串口關(guān)閉，程序結(jié)束。

表1 USB/CAN轉(zhuǎn)換器包模式數(shù)據(jù)格式

1.3.3 播種質(zhì)量評(píng)價(jià)程序

根據(jù)總線接收的粒距更新值，實(shí)現(xiàn)對(duì)播種質(zhì)量的在線評(píng)價(jià)，程序流程如圖6所示。

播種質(zhì)量評(píng)價(jià)程序啟動(dòng)后，根據(jù)接收的粒距更新值，對(duì)粒距所屬理論粒距劃分等級(jí)進(jìn)行判斷，判斷方法依據(jù)國標(biāo)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》中規(guī)定，將播種粒距根據(jù)理論粒距L(cm)劃分為小于等于0.5L、0.5～1.5L、1.5～2.5L、2.5～3.5L、大于3.5L共5個(gè)等級(jí)，質(zhì)量評(píng)價(jià)目標(biāo)粒數(shù)范圍內(nèi)，上位機(jī)軟件對(duì)排種監(jiān)測(cè)ECU監(jiān)測(cè)的播種粒距。按照上述5個(gè)等級(jí)進(jìn)行分類，分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)粒距區(qū)間段內(nèi)的種子粒數(shù)，記為n1、n2、n3、n4、n5，則質(zhì)量評(píng)價(jià)種子粒數(shù)為：

Nt=n1+n2+n3+n4+n5，

(2)

式(1)中Nt是質(zhì)量評(píng)價(jià)種子粒數(shù)，粒。

判斷Nt是否達(dá)到播種質(zhì)量評(píng)價(jià)目標(biāo)粒數(shù)，若到達(dá)，計(jì)算理論粒距的區(qū)間數(shù)為：

N′=n2+2n3+3n4+4n5，

(3)

式(2)中N′是區(qū)間數(shù)，個(gè)。

最終獲得播種質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中QTFI為合格指數(shù)，%；MISS為漏播指數(shù)，%；MUL為重播指數(shù)，%。

將播種質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果按照序號(hào)、完成時(shí)間、質(zhì)量評(píng)價(jià)種子粒數(shù)、合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)的順序，逐行顯示在列表控件中。顯示完成后，判斷串口開關(guān)是否結(jié)束，若未結(jié)束，則按照上述流程，循環(huán)進(jìn)行播種質(zhì)量評(píng)價(jià)(圖6)。

圖6 播種質(zhì)量評(píng)價(jià)程序流程圖

1.4 播種總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

ISO 11783基于CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，一般包括拖拉機(jī)總線和農(nóng)業(yè)機(jī)具總線，建議遵守物理層規(guī)定，由ISO 11783—2∶2014規(guī)定通信速率為250 kb/s，通信線纜為4芯絞線，其中2芯絞線用于傳到CAN信號(hào)，另外2芯作為總線終端電阻電源連接線。參照ISO 11783—7∶2014應(yīng)用層協(xié)議對(duì)某些通用量的規(guī)定，如表2所示。基于地速和距離的數(shù)據(jù)幀建議PGN為00FE49，優(yōu)先級(jí)為3，更新速率為100 ms，Byte 1～2表示車速，分辨率為0.001(m/s)/bit，范圍為0～64 255 m/s；Byte 3～6表示行駛距離，分辨率為0.001 m/bit，范圍為0～4 211 081 215 m；Byte 7為保留位；Byte 8中1～2 bits表示行駛方向，00表示倒車，01表示向前行駛，10表示出錯(cuò)提示，11表示不可用，后3～8 bits為保留位。

表2 播種總線報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)協(xié)議

根據(jù)上述規(guī)則，針對(duì)6行玉米精密播種機(jī)，電驅(qū)排種監(jiān)控評(píng)價(jià)系統(tǒng)PGN地址分配如表3所示，完成系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)量和控制量的總線協(xié)議定義，其中，控制量的優(yōu)先級(jí)定為3，監(jiān)測(cè)量的優(yōu)先級(jí)定為6。

表3 系統(tǒng)PGN地址分配

根據(jù)設(shè)定的PGN標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)場(chǎng)協(xié)議規(guī)定為：PGN為00FF01、00FF02兩個(gè)單幀報(bào)文負(fù)責(zé)傳送1～6行排種盤反饋轉(zhuǎn)速，單路排種盤反饋轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)長度為Byte 2，分辨率為0.01(r/min)/bit，范圍為0～655.35 r/min，其中，00FF02報(bào)文的Byte 5～8為保留位，便于擴(kuò)展；PGN為00FF03、00FF04兩個(gè)單幀報(bào)文負(fù)責(zé)發(fā)送1～6行排種盤設(shè)定轉(zhuǎn)速，單行排種盤設(shè)定轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)長度為Byte 2，分辨率為0.01(r/min)/bit，范圍為0～655.35r/min；00FF04報(bào)文的Byte 5～8為保留位；00FF05報(bào)文表示監(jiān)測(cè)1～6行粒距，粒距數(shù)據(jù)長度為1 byte，分辨率為1 cm/bit，范圍為0～255 cm，7～8 Bytes為保留位；00FF06報(bào)文表示監(jiān)測(cè)氣體壓力，分辨率為0.01 kPa/bit，范圍為-327.67～327.67 kPa；00FF07報(bào)文為播量計(jì)數(shù)開關(guān)，0x00為關(guān)閉，0x01為啟動(dòng)；00FF08報(bào)文表示1～6行播種粒數(shù)反饋，周期為1 000 ms，單行粒距數(shù)據(jù)長度為Byte 1，分辨率為1粒/bit，范圍為0～255粒，Byte 7～8為保留位；00FF09報(bào)文表示播種質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)設(shè)定，Byte 1表示質(zhì)量評(píng)價(jià)啟停，0x00為停止，0x01為啟動(dòng)，Byte 2表示播種質(zhì)量評(píng)價(jià)周期粒數(shù)，分辨率為1百粒/bit，范圍為0～255百粒，Byte 3為理論粒距，分辨率為1 cm/bit，范圍為0～255 cm，Byte 4～8為保留位；00FF0A～00FF0F報(bào)文表示1～6行播種單體播種質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果反饋，Byte 1～2表示反饋的質(zhì)量評(píng)價(jià)周期粒數(shù)，分辨率為1粒/bit，范圍為0～65535粒，Byte 3～4為合格率，分辨率為0.01%/bit，范圍為0.01～100.00%，同理Byte 5～6為漏播率，Byte 7～8為重播率；00FF10為支持現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的電驅(qū)排種標(biāo)定程序參數(shù)報(bào)文，Byte 1為標(biāo)定程序開關(guān)，0x00為關(guān)閉，0x01為開啟，Byte 2～3為標(biāo)定模擬量初值，分辨率為1 mV/bit，范圍為0～65 535 mV，同理Byte 4～5為標(biāo)定模擬量峰值，Byte 6～7為轉(zhuǎn)換系數(shù)，范圍為0～65 535，Byte 8為保留位；00FF11報(bào)文為轉(zhuǎn)速標(biāo)定結(jié)果反饋，通過多包發(fā)送的方式，將10組包含控制信號(hào)和標(biāo)定轉(zhuǎn)速的組合點(diǎn)向總線發(fā)送，單幀的Byte 1為分段標(biāo)識(shí)，分段標(biāo)識(shí)1表示發(fā)送的轉(zhuǎn)速標(biāo)定組合點(diǎn)1～2，Byte 2～3為控制信號(hào)1，分辨率為1 mV/bit，范圍為0～65 535 mV，Byte 4為標(biāo)定轉(zhuǎn)速1，分辨率為1(r/min)/bit，范圍為0～255 r/min，同理控制型號(hào)2(Byte 5～6)和標(biāo)定轉(zhuǎn)速3(Byte7)，Byte 8為保留位，分段標(biāo)識(shí)2～5依次類推；00FF12為電驅(qū)排種開關(guān)，Byte 1表示電驅(qū)排種開關(guān)，0x00為關(guān)閉，0x01為啟動(dòng)。

2 電驅(qū)排種質(zhì)量在線評(píng)價(jià)性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

在北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)性能試驗(yàn)，包括系統(tǒng)播量計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)精度和排種質(zhì)量評(píng)價(jià)性能兩個(gè)方面。選取河北農(nóng)哈哈機(jī)械集團(tuán)有限公司勺輪式排種器進(jìn)行系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種(圖7)，勺輪排種器排種盤有18勺，排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用型號(hào)HST57BLD95-75，配減速器型號(hào)1∶50渦輪蝸桿減速器。試驗(yàn)時(shí)，勺輪式排種器由固定架支撐，電驅(qū)排種系統(tǒng)對(duì)排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，獲得排種盤穩(wěn)定工作范圍為5～30r/min。試驗(yàn)過程中，設(shè)定模擬車速范圍為3～8 km/h，以1 km/h間隔遞增，系統(tǒng)讀取導(dǎo)種上安裝的排種監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)進(jìn)行播種數(shù)監(jiān)測(cè)精度和電驅(qū)排種性能評(píng)價(jià)，同時(shí)采集各個(gè)車速下種子收集盒內(nèi)的種子粒數(shù)，作為實(shí)際播種粒數(shù)值。

圖7 電驅(qū)勺輪排種單元

播種粒數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，每個(gè)車速值下重復(fù)采集3次播種粒數(shù)，對(duì)播量計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果(表4)顯示：隨著車速的增加，系統(tǒng)對(duì)播量計(jì)數(shù)的平均監(jiān)測(cè)精度波動(dòng)范圍小于1%，平均監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率最小為99.18%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.83%，系統(tǒng)播量計(jì)數(shù)總體監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率平均為99.53%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.58%，證明了系統(tǒng)對(duì)播量計(jì)數(shù)具有較高的監(jiān)測(cè)精度。

表4 系統(tǒng)播量計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

質(zhì)量評(píng)價(jià)目標(biāo)粒數(shù)設(shè)定為100粒，每個(gè)車速取3次重復(fù)，對(duì)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果(表5)顯示：勺輪式排種器在車速范圍為3～8 km/h時(shí)，合格指數(shù)平均為98.19%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.56%，漏播指數(shù)的平均值為1.31%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.17%，重播指數(shù)的平均值為0.50%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.45%。

表5 系統(tǒng)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：采用本文系統(tǒng)對(duì)勺輪排種器進(jìn)行電驅(qū)排種控制，在一定的工作車速范圍內(nèi)能夠改善排種效果，此時(shí)排種器排種合格指數(shù)高于95%，這證明本文電驅(qū)排種監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)具有較好的排種控制與排種質(zhì)量評(píng)價(jià)性能。

3 結(jié)論

(1)本文通過CAN總線通信技術(shù)研發(fā)了電驅(qū)排種質(zhì)量監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了玉米電驅(qū)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)軟件,制定了基于ISO11783的總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)播種控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)、排種質(zhì)量在線評(píng)價(jià)。

(2)系統(tǒng)播量計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，在3～8 km/h的車速范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)電驅(qū)勺輪式排種器的播量計(jì)數(shù)的總體監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率平均為99.53%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.58%。車速增加的過程中，系統(tǒng)對(duì)播量計(jì)數(shù)的平均監(jiān)測(cè)精度變化范圍小于1%，證明系統(tǒng)對(duì)播量計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)具有較好的精度和可靠性。

(3)系統(tǒng)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改裝的勺輪排種器，在3～8 km/h工作車速范圍內(nèi)排種器排種合格指數(shù)高于95%，具有較好的排種控制效果；監(jiān)測(cè)排種合格指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為1.56%，驗(yàn)證了電驅(qū)排種質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的排種質(zhì)量評(píng)價(jià)性能。