呂 青 ，付全有

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 研究目的及意義

我國(guó)作為世界油菜生產(chǎn)、加工、銷(xiāo)售大國(guó)，油菜種植范圍非常廣泛，全國(guó)各省份均有不同程度的分布，主要產(chǎn)區(qū)集中在長(zhǎng)江流域，種植面積占全國(guó)的70%。油菜不僅可以加工食用油，在化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。油菜生產(chǎn)多數(shù)采用人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，勞動(dòng)力成本不斷提高，受多重不利因素影響，我國(guó)油菜生產(chǎn)效益低下，生產(chǎn)規(guī)模減小。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，2012—2018 年油菜籽種植面積持續(xù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，2018 年油菜籽種植面積一度減少至6 550.61 khm2。

我國(guó)油菜種植方式主要有人工撒播、育苗移栽和機(jī)械化直播三種方式。人工撒播機(jī)械化水平低，浪費(fèi)大量種子，消耗大量勞動(dòng)力；育苗移栽實(shí)現(xiàn)株距均勻分布，但移栽的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量大，效率低，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；機(jī)械化直播是使用油菜播種機(jī)將油菜種子直接播種到田里，節(jié)省了大量勞動(dòng)力，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，保證了株距均勻性，方便了后期的田間管理與油菜收獲，是提高油菜發(fā)展水平的重要途徑。

隨著油菜生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，油菜籽單位面積產(chǎn)量從2012 年的1 864.78 kg/hm2不斷提高，2020年單位面積產(chǎn)量達(dá)到2 076.82 kg/hm2，如圖1所示。

圖1 2012—2020年油菜籽單位面積產(chǎn)量

2 精密排種器檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家積極研究排種器監(jiān)測(cè)技術(shù)，在傳感器觸發(fā)信號(hào)、圖像處理、智能控制等方面取得了一定成果。美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)精準(zhǔn)播種的監(jiān)測(cè)。排種器監(jiān)測(cè)裝置的相關(guān)研究在國(guó)外已經(jīng)有了比較長(zhǎng)的歷史。早在20 世紀(jì)50 年代，美國(guó)就開(kāi)始研究利用光電技術(shù)監(jiān)測(cè)播種的密度和位置。到了20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)工程師William Lienweber 提出了精密播種機(jī)的概念，并利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)種子的準(zhǔn)確定位和控制，使得機(jī)械播種的精度得到了顯著提高。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)精量播種研究起步較晚，隨著我國(guó)精量播種技術(shù)不斷創(chuàng)新，對(duì)精量播種器檢測(cè)系統(tǒng)的研究力度也在不斷增大。

丁幼春等通過(guò)利用高速攝影技術(shù)對(duì)種子投種軌跡進(jìn)行提取，分別研究了投種軌跡與正壓力關(guān)系、投種軌跡與成穴性關(guān)系，為精量排種器投種口、導(dǎo)種管的設(shè)計(jì)提供了參考[1-2]。

張勤仕利用激光管作為發(fā)光元件，光敏二極管作為光敏元件，設(shè)計(jì)了光柵式排種檢測(cè)傳感器[3]。

王雪玲設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)變窗口的漏播實(shí)時(shí)檢測(cè)與自補(bǔ)種系統(tǒng)，可有效準(zhǔn)確地檢測(cè)出油菜精量排種器的不同漏播狀態(tài)類型，并及時(shí)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)種器進(jìn)行補(bǔ)種[4]。

吳明亮等基于壓力傳感器設(shè)計(jì)排量調(diào)控檢測(cè)系統(tǒng)，直接檢測(cè)排種箱的質(zhì)量變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)排種軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)排量的調(diào)控[5-6]。

3 油菜籽精密排種器監(jiān)測(cè)裝置的研究

3.1 研究?jī)?nèi)容

本文以油菜精密排種器智能檢測(cè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要研究?jī)?nèi)容如下[7]。

1）油菜籽特性研究：選取油菜籽作為研究對(duì)象，對(duì)油菜籽特性進(jìn)行研究，得到油菜籽下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，確定傳感器的安裝位置和傳感器檢測(cè)的高度和幅寬。

2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：選擇合適的傳感器及單片機(jī)型號(hào)，用仿真軟件模擬傳感器工作過(guò)程，獲取播種時(shí)的漏播和重播情況[8]，搭建蜂鳴器及顯示屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互讀取到播種實(shí)時(shí)情況。

3.2 技術(shù)方案

油菜籽排種器排種工況監(jiān)測(cè)裝置的安裝位置選擇：在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高整個(gè)排種器的工作效率和性能，應(yīng)該將排種工況監(jiān)測(cè)裝置安裝于緊靠在開(kāi)溝器上方的位置，通過(guò)這樣的安裝方式，可以最大限度地保證監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于排種工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，保證排種器的順利運(yùn)行。

光電傳感器由發(fā)射端和接收端兩個(gè)互相獨(dú)立的部分組成。發(fā)射端內(nèi)置直徑為10 mm 的紅外線發(fā)射二極管，其波長(zhǎng)為850 nm，發(fā)射角度為45°，針對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的特殊性，采用了長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其尺寸為45 mm×35 mm×40 mm，通過(guò)安裝焦距為17.5 mm的凸透鏡，實(shí)現(xiàn)了光線的聚焦和監(jiān)測(cè)精度的提升。接收端則采用了緊密排列的寬度為2 mm 的貼片式紅外接收二極管，通過(guò)串聯(lián)連接成一字型，用于接收發(fā)射端發(fā)出的紅外光信號(hào)，并且將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)電位差的變化來(lái)確定目標(biāo)的存在與否。

該光電傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲干擾小、體積小、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，發(fā)射端和接收端都安裝有塑料防塵罩，以有效防止塵土附著等外界干擾因素影響光電傳感器的性能，同時(shí)方便清潔。該光電傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種子落地質(zhì)量和顆粒均勻度，監(jiān)測(cè)裝置俯視圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置俯視圖

該排種器排種工況監(jiān)測(cè)裝置的整體裝配圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)裝置整體裝配圖

3.3 裝置工作原理

在正常工作狀態(tài)下，紅外光線通過(guò)凸透鏡后被平行照射至接收端。通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置排放的光線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油菜籽的排種監(jiān)測(cè)，當(dāng)種子通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置完全遮擋一個(gè)或多個(gè)紅外接收二極管時(shí)，接收端會(huì)產(chǎn)生電平變化，并將該電平信號(hào)傳輸至單片機(jī)中。通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算，可以根據(jù)電平信號(hào)統(tǒng)計(jì)種子下落時(shí)間間隔，并結(jié)合增量式編碼器測(cè)得機(jī)具的前進(jìn)速度，進(jìn)而得出實(shí)際株距[9]。

相對(duì)于設(shè)定的理論株距，結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析可以得出漏播率、重播率以及播種量等信息。因此，監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于油菜籽的排種過(guò)程監(jiān)測(cè)起著至關(guān)重要的作用，可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)更為精確和高效的油菜籽排種作業(yè)。

監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)單片機(jī)獲取相鄰兩粒種子下落時(shí)間間隔t，計(jì)算時(shí)采用t與播種機(jī)行進(jìn)速度v的乘積，即vt，作為實(shí)際粒距的監(jiān)測(cè)值。

參考GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》，運(yùn)用監(jiān)測(cè)裝置對(duì)比理論粒距與實(shí)際粒距進(jìn)行分析，并根據(jù)如下判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重播或漏播情況進(jìn)行判定。

若vt≤0.5d，則視為重播；若vt>1.5d，則視為漏播。其中，d為播種理論株距（m），可以通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的按鍵模板進(jìn)行設(shè)定。

這樣得出的實(shí)際粒距信息、漏播率、重播率等數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)油菜籽種植行業(yè)決策，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。

理論排種量的計(jì)算方式為1 min 內(nèi)排種軸的轉(zhuǎn)數(shù)與排種盤(pán)的孔數(shù)的乘積。

與此同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能夠記錄播種過(guò)程中1 min 內(nèi)計(jì)算得到的播種粒數(shù)，即實(shí)際排種量，通過(guò)將其與理論排種量比較，計(jì)算出報(bào)警系數(shù)[10]。

排種軸的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)下式計(jì)算得出：

式中，n為排種軸轉(zhuǎn)速（r/min），i為傳動(dòng)比。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)裝置能夠通過(guò)采集光電傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將其傳輸給嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行處理[11-12]。程序執(zhí)行過(guò)程中，嵌入式系統(tǒng)會(huì)定期檢測(cè)報(bào)警系數(shù)P是否超出設(shè)定范圍，以及是否出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象。如果檢測(cè)到超出設(shè)定范圍或者存在漏播或重播現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲或光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)采取處理措施。

此外，如果單片機(jī)監(jiān)測(cè)到播種機(jī)的行進(jìn)速度為0，則系統(tǒng)會(huì)判定播種機(jī)已停止工作并停止對(duì)播種過(guò)程的監(jiān)測(cè)。這些功能的實(shí)現(xiàn)可以在很大程度上提高播種的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，有效地降低播種過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)和損失。

3.4 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 單片機(jī)和LM2576 降壓芯片以及LM393AD 電壓比較器作為核心搭建而成。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括監(jiān)測(cè)模塊、測(cè)速模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊和LED 報(bào)警模塊等。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的電源來(lái)自拖拉機(jī)的蓄電池，系統(tǒng)的控制面板上的按鍵模塊可以對(duì)理論株距、測(cè)速輪直徑、滑移率、傳動(dòng)比、測(cè)速周期和報(bào)警系數(shù)的范圍進(jìn)行設(shè)置。其液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示單行播量、總播種量、播種機(jī)行進(jìn)速度、漏播率和重播率。此外，LED 報(bào)警模塊與播種通道對(duì)應(yīng)，若某一行或多行出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象，則對(duì)應(yīng)的LED 燈會(huì)閃爍報(bào)警，并且蜂鳴器會(huì)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警。

油菜籽排種器監(jiān)測(cè)電路如圖5 所示，該油菜籽排種器監(jiān)測(cè)電路主要由紅外發(fā)射二極管、紅外接收二極管和LM393AD 電壓比較器等器件組成。系統(tǒng)采用LM393AD 電壓比較器作為電子元器件，以提高監(jiān)測(cè)過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性，并可以同時(shí)處理兩路信號(hào)以提高工作效率。

圖5 排種器監(jiān)測(cè)電路

該系統(tǒng)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R3 來(lái)調(diào)節(jié)傳感器靈敏度，以滿足不同品種的種子經(jīng)過(guò)時(shí)對(duì)精度的不同要求。

此外，采用一個(gè)0.1 μF 電容C1 來(lái)濾除采集信號(hào)過(guò)程中的雜波，并保護(hù)電壓比較器的正常工作。

以上是該農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

4 結(jié)論與討論

該油菜籽排種器工況監(jiān)測(cè)裝置使用紅外線檢測(cè)裝置來(lái)獲得每一粒種子下降過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)脈沖，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后加以記錄，用來(lái)監(jiān)測(cè)油菜籽排種器工況是否出現(xiàn)漏播、重播等不利情況，記錄每一行的播種量等指標(biāo)。

1）該排種器監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)主要包括：

①提高種植效率。排種器監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)精度高，無(wú)需人工干預(yù)，可以大大提高種植效率。

②減少浪費(fèi)。監(jiān)測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)每一顆種子的位置和數(shù)量，避免了傳統(tǒng)播種方式中難以避免的浪費(fèi)和重復(fù)種植。

③降低勞動(dòng)強(qiáng)度。排種器監(jiān)測(cè)裝置能夠自動(dòng)完成種子的監(jiān)測(cè)和排種，不需要人工干預(yù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

④提高種植質(zhì)量。監(jiān)測(cè)裝置能夠精確控制數(shù)量和位置，保證了種子的均勻分布，從而提高了種植質(zhì)量。

2）該排種器監(jiān)測(cè)裝置的缺點(diǎn)主要包括：

①費(fèi)用高昂。由于采用了較為先進(jìn)的技術(shù)，排種器監(jiān)測(cè)裝置價(jià)格相對(duì)較高。

②對(duì)操作人員要求較高。監(jiān)測(cè)裝置需要專業(yè)人員進(jìn)行安裝和調(diào)試，對(duì)操作人員要求較高，且需要嚴(yán)格按照操作說(shuō)明正確定位和調(diào)試每一步操作。

③適應(yīng)性有限。由于不同作物的種子特征不同，監(jiān)測(cè)裝置在適應(yīng)性方面存在一定局限性。

④信號(hào)干擾。此裝置對(duì)于信號(hào)干擾的適應(yīng)性表現(xiàn)得不太理想。

綜上，盡管排種器監(jiān)測(cè)裝置還存在一些局限和缺陷，但其在提高種植效率、減少浪費(fèi)、減小勞動(dòng)強(qiáng)度、提高種植質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)仍然使得其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

3）排種器監(jiān)測(cè)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)需要從多個(gè)方面來(lái)考慮，以下是一些可能的方向和設(shè)想：

①提高精度?？梢詮膫鞲衅鞯倪x擇和放置位置等方面入手，選擇更精準(zhǔn)的傳感器并優(yōu)化其放置位置，從而提高監(jiān)測(cè)精度。

②降低成本?？梢詮目刂葡到y(tǒng)硬件改進(jìn)和單片機(jī)軟件優(yōu)化等方面入手，盡可能地使用價(jià)格低廉但性能不錯(cuò)的器件，以達(dá)到降低成本的目的。

③提高穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^(guò)改進(jìn)傳感器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化信號(hào)濾波和放大電路等措施提高監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定性，降低誤差和干擾的影響。

④增加監(jiān)測(cè)功能?？梢栽黾颖O(jiān)測(cè)功能來(lái)豐富裝置的應(yīng)用場(chǎng)景，例如監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)情況、溫濕度等環(huán)境參數(shù)等。

⑤引入智能化技術(shù)?？梢岳糜?jì)算機(jī)視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化操作和決策，進(jìn)一步提高排種器監(jiān)測(cè)裝置的自動(dòng)化程度和作業(yè)效率。