候玉強，李俊偉，徐洛川，楊光旭，康亞鵬，許云濤，張亮亮

（石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 引言

目前我國農(nóng)業(yè)正由粗放型經(jīng)濟轉(zhuǎn)向生態(tài)型經(jīng)濟，在“強化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)”的遠景目標(biāo)下，隨著農(nóng)業(yè)機械和智能檢測技術(shù)的高度融合，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械正在向高效化、無人化、智能化發(fā)展，然而我國糧食生產(chǎn)量與世界先進農(nóng)業(yè)國家的差距依然巨大[1]，因此如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量、規(guī)范和配置能力等成為我國農(nóng)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展的關(guān)鍵。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，精準(zhǔn)精量播種作為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、規(guī)范農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和配置土地的主要方式之一備受關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者針對播種器械在田間復(fù)雜工況下的重播、漏播、充種管堵塞和種箱排空等播種問題[2-3]基于不同類型的傳感器構(gòu)建了相應(yīng)排種器和作物播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對其播種量、播種粒距和播種頻率的獲取。

本文針對國內(nèi)外播種監(jiān)測裝置的研究對象、系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)以及播種性能指標(biāo)等三個方面進行闡述，分析當(dāng)前播種監(jiān)測裝置研究中遇到的技術(shù)問題并展望新時期播種檢測裝置的發(fā)展方向。

1 光電式監(jiān)測法

光電式播種監(jiān)測法的應(yīng)用較為廣泛，該方法以發(fā)光器件和光電感知元件獲取種子流信息，通過調(diào)理電路分析處理，一般以粒距、播種數(shù)、播種頻率等作為其性能指標(biāo)。

國外部分學(xué)者通過對置式的光電器件實現(xiàn)了對導(dǎo)種管內(nèi)的種子流進行檢測，獲取種子播種粒距和播種數(shù)等播種參數(shù)，并通過指示燈、蜂鳴器等實現(xiàn)重漏播播種故障的聲光報警。其中Karimi等[4]通過光敏二極管開發(fā)出紅外傳感播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對導(dǎo)種管內(nèi)種子流質(zhì)量和流量的監(jiān)測。Hadi等[5]通過紅外激光二極管陣列傳感器構(gòu)建播種監(jiān)測裝置和播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)播種監(jiān)測。此外，MC Electronics、AEE 企業(yè)通過對射式紅外光電傳感器[6]和光電傳感器[7]構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對小麥、玉米等大中粒徑種子的精準(zhǔn)監(jiān)測，成功獲取排種總量、漏播率、播種面積、株距和單位面積播量等參數(shù)，并通過語音和指示燈等方式實現(xiàn)人機交互，從而實現(xiàn)對漏播等播種故障的報警。

國內(nèi)對光電式播種監(jiān)測裝置的研究也有一定進展，其中張?zhí)鸬萚8]通過光纖計數(shù)式傳感器構(gòu)建了油菜精量排種器監(jiān)測系統(tǒng)（圖1），解決了速度過高導(dǎo)致的檢測精度不高的問題。徐春保等[9]通過薄面光折射式構(gòu)建多通道并行檢測裝置對導(dǎo)種管內(nèi)的小麥種子流進行檢測，獲取排種量和排種總量等性能指標(biāo)，實現(xiàn)了小麥高頻種子流的精準(zhǔn)檢測和漏播故障報警。王在滿等[10]通過環(huán)形布置面源式光電傳感器構(gòu)建了水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了不同工作轉(zhuǎn)速條件下的不同尺寸水稻的播種監(jiān)測，但由于種子重疊導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)測精度不高。賈洪雷等[11]通過凹形光電傳感器和光電旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對吸種信息的獲取和定位。解春季等[12]以紅外光電的方式實現(xiàn)播種監(jiān)測，獲取了播種量、合格率、漏播率、重播率等參數(shù)。史智興等[13]采用紅光半導(dǎo)體激光二極管（RLD）和硅光電池構(gòu)造了一種高覆蓋率的排種傳感器，實現(xiàn)了對不同體積種子的準(zhǔn)確監(jiān)測。

圖1 傳感器裝置

光電式播種監(jiān)測方法結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度較高，但是由于田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，其工作穩(wěn)定性和監(jiān)測精度不高且易受外界影響。其中大部分學(xué)者通過選擇不同類型的光電傳感器實現(xiàn)對導(dǎo)種管內(nèi)不同作物種子流的在線監(jiān)測，但一些學(xué)者通過“光電式傳感器+編碼裝置”實現(xiàn)了對取種盤狀態(tài)的判定和定位。

2 電容式監(jiān)測法

電容式播種監(jiān)測法相較于光電式監(jiān)測法具有一定的抗塵和抗干擾能力，能夠?qū)χ丿B種子進行辨識。該類型傳感器一般以極板結(jié)構(gòu)為主，工作時對極板施加一定激勵電壓，當(dāng)被檢測對象運動經(jīng)過極板產(chǎn)生的電場區(qū)域時引起極板檢測區(qū)域的等效介電常數(shù)的變化，從而引起輸出電容變化，據(jù)此采集并分析處理該信號，從而獲取相關(guān)播種信息。

國內(nèi)外電容檢測的研究主要集中于含水率測算和探傷等，其中JavadTaghinezhad 等[14]通過矩形平行板電容器傳感器構(gòu)建甘蔗排種器播種監(jiān)測系統(tǒng)，對甘蔗播種粒距均勻性進行監(jiān)測，獲取其作業(yè)過程中的漏播指數(shù)與重播指數(shù)。徐洛川等[15]基于棉種與所測電容值的數(shù)值關(guān)系建立預(yù)測模型，構(gòu)建棉種散粒物料的播種監(jiān)測裝置。

國內(nèi)關(guān)于電容檢測的研究也較多，其中朱亮等[16]通過空間電容器構(gòu)建排種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（圖2），改善傳統(tǒng)排種監(jiān)測裝置因環(huán)境灰塵而引起的不穩(wěn)定等問題，實現(xiàn)對正常、漏播和重播的判定。陳建國等[17]通過對置式平行極板電容傳感器構(gòu)建小麥直穴播監(jiān)測系統(tǒng)并進行試驗設(shè)計，提出差分動態(tài)閾值法檢測其播種量，實現(xiàn)對其精準(zhǔn)檢測。田雷等[18]采用E型電容傳感器構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對其作業(yè)過程中的漏播或排種管堵塞等播種故障的監(jiān)測。周利明等[19]基于散粒物料的介電特性開發(fā)出一種排種器性能監(jiān)測系統(tǒng)，用于獲取播種工況下的排種量、漏播量及重播量等性能指標(biāo)。王宇清等[20]通過非接觸式電容傳感器構(gòu)建新型精密播種機的播種性能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了種子流的精準(zhǔn)檢測及對種箱排空、輸種管堵塞等播種故障的聲光報警。

圖2 試驗臺

綜上所述，電容式播種監(jiān)測法雖然具有一定的抗塵和抗干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對多粒種子的準(zhǔn)確判定，但其易受振動、溫度和外部電容電感的影響。

3 “機器視覺+數(shù)字圖像處理”監(jiān)測法

“機器視覺+圖像處理”作為可視化檢測技術(shù)之一在國內(nèi)外一直備受關(guān)注。該方法通過高速攝像追蹤種子的運動軌跡，并通過相關(guān)數(shù)字圖像處理方法實時獲取其運動時間和空間位置等信息，隨后利用先進數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取粒距等播種參數(shù)，從而實現(xiàn)對重漏播等播種故障的報警。

其中A.A.Borja 等[21]通過機器視覺技術(shù)對特定區(qū)域內(nèi)玉米作物的特征進行獲取并記錄，實現(xiàn)對種子間距均勻性和落種速度的準(zhǔn)確測算。Cognex企業(yè)[22]通過“機器視覺+數(shù)字圖像處理”構(gòu)建系統(tǒng)并對整套系統(tǒng)裝置的性能進行試驗，實現(xiàn)對目標(biāo)對象的自動監(jiān)測。

國內(nèi)部分學(xué)者通過算法優(yōu)化實現(xiàn)了對不同作物種子流的監(jiān)測。其中曹葉等[23]通過LabVIEW設(shè)計了基于計算機視覺的精密排種器的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對種子圖像坐標(biāo)的獲取。韓國鑫等[24]針對水稻穴直播過程中人工監(jiān)測困難等問題開發(fā)了基于運動圖像處理技術(shù)的播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對播種量和作業(yè)質(zhì)量的實時監(jiān)測。董文浩等[25]通過嵌入式機器視覺的檢測和控制裝置設(shè)計了雜交稻低播量檢控裝置，實時采集播種后種子圖像，實現(xiàn)恒量播種?？凳烙⒌萚26]通過機器視覺技術(shù)建立了糧種顆粒自動化監(jiān)測系統(tǒng)，通過試驗對照分析驗證了該系統(tǒng)的可行性。王桂蓮等[27]通過構(gòu)建“CCD攝像裝置+圖像處理”裝置（圖3）實現(xiàn)了秧盤位置的定位和空穴位置的動態(tài)補種。李潤濤等[28]利用“CCD 攝像機+光纖傳感器”對動態(tài)種子流的運動軌跡進行記錄，測出排種器的相關(guān)性能指標(biāo)。徐彥蘭等[29]基于種子坐標(biāo)監(jiān)測和平穩(wěn)隨機過程提出自動化排種器性能監(jiān)測方法，進一步闡述了試驗?zāi)康?、試驗監(jiān)測系統(tǒng)、試驗設(shè)計以及試驗實施方法。李朋飛等[30]針對重播、漏播、播種性能不穩(wěn)定等問題通過機器視覺技術(shù)構(gòu)建穴盤精量播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對玉米播種狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測。

圖3 水稻秧盤育秧智能補種裝置結(jié)構(gòu)示意

“機器視覺+數(shù)字圖像處理”技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，但是由于硬件設(shè)施成本和工作環(huán)境要求制約，該監(jiān)測技術(shù)目前仍處于試驗階段，未能完全推廣和應(yīng)用。

4 壓電式監(jiān)測法

光電式、電容式和“機器視覺+數(shù)字圖像處理”均為典型的非接觸播種監(jiān)測方法，而壓電式監(jiān)測法是接觸式播種監(jiān)測技術(shù)，該類型傳感器通過壓電薄膜等壓力傳感器采集種粒下落沖擊力，將壓力值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖信號。

孫國俊等[31]通過PVDF 雙壓電薄膜傳感器構(gòu)建了播種機性能監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)置參照壓電薄膜，基于遲滯原理通過“邏輯運算模塊+施密特電路”消除比較器抖動干擾，濾除外部振動信號干擾，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)的監(jiān)測。王金武等[32]以彈射式耳勺型水稻穴直播排種器為研究對象，通過PVDF 壓電薄膜和ATmega328PMCU 控制器構(gòu)建水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計相應(yīng)導(dǎo)種管確定播種故障判定算法，該系統(tǒng)能夠有效采集輸出信號并獲取系統(tǒng)重播監(jiān)測精度和漏播監(jiān)測精度等。丁幼春等[33]以小粒徑種子流為研究對象，設(shè)計油菜排種器種子流監(jiān)測裝置，通過種子與壓電薄膜之間碰撞信號特征設(shè)計了“沉槽基板+壓電薄膜感應(yīng)結(jié)構(gòu)”，實現(xiàn)對高頻種子流的檢測，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。黃東巖[34]等通過聚偏二氟乙烯（polyvinylidencefluoride，PVDF）壓電薄膜和單片機ST C89C52 構(gòu)建排種監(jiān)測系統(tǒng)（圖4），將落粒物理量輸出為脈沖電壓信號，實現(xiàn)對排種器的實時監(jiān)測。

圖4 系統(tǒng)框圖

壓電式監(jiān)測法具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、抗塵能力強等優(yōu)點，但由于其易受外部振動的影響，對安裝方式要求較高，此外該方法無法準(zhǔn)確分辨同時、多粒狀態(tài)的接觸種子流，因而僅適用于漏播監(jiān)測。

5 未來發(fā)展趨勢

隨著先進檢測方法的完善和創(chuàng)新，國內(nèi)學(xué)者基于現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)和工作特點構(gòu)建播種監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對不同類型排種器、不同作物的在線排種監(jiān)測，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支持，但大部分播種監(jiān)測裝置存在高頻、高通量、播種檢測分辨率不高且作物兼容性不強的問題。

隨著農(nóng)業(yè)機械的不斷優(yōu)化和發(fā)展，高頻、寬幅必將成為其未來的發(fā)展趨勢，為實現(xiàn)高頻、高通種子流的精準(zhǔn)檢測，應(yīng)對相應(yīng)播種檢測裝置的傳感器元件和信號處理電路進行優(yōu)化，提高其檢測效率，此外應(yīng)開展將高頻、高通量種子流分為多路低通量種子流的研究，從而實現(xiàn)其精準(zhǔn)檢測。