彭芳偉 李祥 曾靈鋒 張曉建 范勇 吳正

摘要：針對傳統(tǒng)的氣吸式播種機在作業(yè)過程中常常因?qū)ХN管堵塞、種箱缺種以及機械故障造成的漏播、重播等現(xiàn)象，設(shè)計并開發(fā)一套支持12條播行協(xié)同作業(yè)的精量播種監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括紅外光電監(jiān)測單元、車速監(jiān)測單元、控制器單元、中控儀表單元以及故障報警單元的設(shè)計。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控12條播種行的協(xié)同作業(yè)情況，當出現(xiàn)漏播、重播現(xiàn)象時能夠及時、準確地識別播種行行號并進行故障報警，報警成功率達到100%，且平均響應(yīng)時間在0.5 s以內(nèi)。且在4～12 km/h的正常作業(yè)速度下，系統(tǒng)對不同體積大小的農(nóng)作物種粒播種數(shù)量監(jiān)測精度平均值超過98.5%。能夠?qū)崿F(xiàn)對多路播行同時作業(yè)的實時監(jiān)測需求，對提高播種質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

關(guān)鍵詞：播種監(jiān)測；多播協(xié)同；紅外光電傳感器；霍爾傳感器；氣吸式播種機

中圖分類號：S223.2+5

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02003308

收稿日期：2023年5月17日 ?修回日期：2023年8月18日

基金項目：江西省網(wǎng)絡(luò)空間安全重點實驗室開放基金項目（JKLCIP202205）

第一作者：彭芳偉，男，1999年生，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生；研究方向為自動駕駛。Email： Shepherd_p@163.com

通訊作者：李祥，男，1973年生，江西萍鄉(xiāng)人，博士，教授；研究方向為大數(shù)據(jù)分析與圖像處理。Email： tom_lx@126.com

Research on precision seeding monitoring system for cooperative operation of multicast lines

Peng Fangwei1， Li Xiang1， 2， Zeng Lingfeng1， Zhang Xiaojian1， Fan Yong3， Wu Zheng3

（1. East China University of Technology， Nanchang， 330013， China; 2. Jiangxi Key Laboratory of Intelligent

Perception for Cyberspace Security， Nanchang， 330013， China; 3. Geely Automobile Research Institute，

Ningbo， 315336， China）

Abstract：

In order to address issues such as missseeding and reseeding caused by guide tube clogging， seed box shortages and mechanical failures in the operation of traditional pneumatic seeder， a precision seeding monitoring system was designed and developed to support the cooperative operation of 12 seeding lines. The system comprises of an infrared photoelectric monitoring unit， speed monitoring unit， controller unit， central control instrument unit， and fault alarm unit. Experimental results demonstrate that the?designed monitoring system efficiently provides realtime monitoring of the cooperative operation of the 12 seeding lines. It can accurately identify the seeding line number and promptly raise a fault alarm in case of missseeding or reseeding events. The alarm success rate reaches 100%， with an average response time of less than 0.5 s. Under normal operating speeds of 4 to 12 km/h， the system achieves an average accuracy of over 98.5% in monitoring the seeding number for crops of different sizes. This holds significant value in improving seeding quality and reducing production costs.

Keywords：

seeding monitoring; multicast collaboration; infrared photoelectric sensor; hall sensor; pneumatic seeder

0 引言

播種作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的優(yōu)劣對農(nóng)作物產(chǎn)量有著直接影響。傳統(tǒng)的氣吸式播種機［1］在作業(yè)過程中常常因為導(dǎo)種管堵塞、種箱缺種、機械故障等問題造成漏播、重播，若不能及時發(fā)現(xiàn)，可能導(dǎo)致大面積漏播或重播現(xiàn)象的發(fā)生，進而影響農(nóng)作物產(chǎn)量。隨著農(nóng)機智能化的快速發(fā)展，精量播種監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為當前農(nóng)機智能化的主流研究方向。實現(xiàn)對播種機排種作業(yè)的精確監(jiān)測，有助于提高播種質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

目前，精量播種監(jiān)測的技術(shù)方式［29］主要包括電容式、高速攝像、壓電式、機器視覺、光電式等。趙鄭斌等［6］利用機器視覺算法進行圖像分析與處理，來識別穴盤的播種情況。周利明等［10］利用電容量隨電容極板相對介質(zhì)變化而改變的原理，實現(xiàn)對排種量的監(jiān)測。Kumar等［11］設(shè)計了一種配備紅外傳感器和嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測種子流的信息。結(jié)果表明，在不同轉(zhuǎn)速下（轉(zhuǎn)速為40～80 r/min），所研制的系統(tǒng)能較好地檢測出導(dǎo)種管內(nèi)的種子流量。AlMallahi等［12］開發(fā)了一種使用光纖傳感器監(jiān)測小種子的質(zhì)量流模型。轉(zhuǎn)速較低時，模型擬合良好，誤差較小。轉(zhuǎn)速越高，誤差越大，總體估計誤差為5.3%。上述相關(guān)研究都是對種子流量的監(jiān)測，這是一個估計值，而不是一個準確的量。

國內(nèi)外學(xué)者對單株播種的精準監(jiān)測進行了研究。丁幼春等［13］設(shè)計的油菜播種監(jiān)測系統(tǒng)通過內(nèi)嵌的北斗定位單元獲取農(nóng)機位置信息，并采用4G無線通信技術(shù)將播種作業(yè)信息和定位信息實時傳輸至云服務(wù)器，實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)信息的遠程監(jiān)控。Borja等［14］設(shè)計具有機器視覺和機電一體化技術(shù)的控制系統(tǒng)，能夠精確地監(jiān)測播種情況。張永超等［15］設(shè)計基于線陣Complementary MetalOxideSemiconductor（CMOS）的播種監(jiān)測系統(tǒng)，利用高頻線陣CMOS圖像傳感器檢測種粒下落情況。

此外，對播種故障的監(jiān)測也非常重要，如導(dǎo)種管堵塞、種箱缺種等。Raheman團隊指出，如果播種機沒有配備監(jiān)測設(shè)備，駕駛員在播種過程中無法觀察到播種情況，播種機所經(jīng)過的耕地的播種情況是未知的。Cuhac等［16］指出，造成種溝內(nèi)缺籽的兩個主要原因包括排種器未排出種子或種子被堵在導(dǎo)種管中未落入種溝。Kumar等［17］設(shè)計并開發(fā)了一種用于監(jiān)測種管種子信息的嵌入式系統(tǒng)，裝有蜂鳴器和發(fā)光二極管，通過聲音和視覺信號提醒司機種子是否落入種子溝。

針對目前多播行協(xié)同作業(yè)監(jiān)測方面存在的問題，本研究以精密氣吸式排種器的播種參數(shù)監(jiān)測為研究對象，利用紅外光電傳感器和霍爾傳感器獲取播種參數(shù)，設(shè)計了一套面向多播行協(xié)同作業(yè)的精量播種監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)快速、準確、實時的播種質(zhì)量監(jiān)測，進一步提高了農(nóng)機作業(yè)的智能化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的精量播種監(jiān)測系統(tǒng)（圖1），具體包括紅外光電監(jiān)測單元的設(shè)計、車速監(jiān)測單元的設(shè)計、控制器單元的設(shè)計、中控儀表單元的設(shè)計以及故障報警單元的設(shè)計。以四行播種單體為一組，可以根據(jù)單行播種數(shù)量的增加而任意擴展，能夠?qū)崟r監(jiān)測各個播種單體的作業(yè)情況。

1.2 工作原理

1.2.1 精密氣吸式排種器工作原理

排種器在工作時，先啟動播種風(fēng)機，在管路中產(chǎn)生氣吸負壓后，播種控制器驅(qū)動播種盤旋轉(zhuǎn)，進行充種。同時，系統(tǒng)根據(jù)霍爾傳感器測得的速度參數(shù)來計算實時車速，在到達預(yù)定土壤位置時，播種控制器進一步根據(jù)用戶設(shè)定的播種參數(shù)精準的驅(qū)動排種器落種，完成一次排種。

1.2.2 精量播種監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

精量播種監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本系統(tǒng)在導(dǎo)種管內(nèi)安裝紅外光電傳感器，實時監(jiān)測種子的通過情況。當種子經(jīng)過時，傳感器產(chǎn)生高低電壓變化，產(chǎn)生脈沖信號?？刂破鞯腎O（Input/Output）引腳與傳感器信號線相連，實時捕獲脈沖信號，并通過相應(yīng)的處理計算得到排種的時間間隔、頻率和總數(shù)等參數(shù)。同時，利用霍爾傳感器實時獲取播種機的前進速度，為播種參數(shù)的計算提供速度參數(shù)。控制器采集到相關(guān)參數(shù)后計算得到實際播種粒距、播種面積，并根據(jù)用戶設(shè)定的理論粒距計算得到漏播率和重播率等播種參數(shù)。通信線分別與控制器和顯示終端相連，按照設(shè)計的協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，最后將監(jiān)控信息實時顯示在中控儀表上。當系統(tǒng)監(jiān)測到某個播種行發(fā)生漏播或重播現(xiàn)象時，聲光報警器將發(fā)出報警信號，同時，中控儀表上會顯示故障所在的播種行行號信息，及時提醒駕駛員。系統(tǒng)采用獨立電源供電，與拖拉機和播種機完全分離，目的是避免相互干擾，便于安裝和拆卸。

2 精量播種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

精量播種監(jiān)測系統(tǒng)由中控儀表人機交互系統(tǒng)單元、控制器單元、車速監(jiān)測單元和紅外光電傳感器監(jiān)測單元組成。

2.1 紅外光電監(jiān)測單元設(shè)計

本文針對不同粒徑大小的農(nóng)作物播種監(jiān)測需求，設(shè)計了一種基于紅外對射式傳感器的落種監(jiān)測模塊。該模塊的發(fā)射端采用3個紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號，接收端采用3個光敏二極管接收紅外信號，由此形成的紅外光線通路可以覆蓋整個導(dǎo)種管的橫截面，實現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)測。此外，采用調(diào)制管對紅外發(fā)射管的發(fā)射頻率進行調(diào)制，可提高系統(tǒng)的抗粉塵干擾能力，并實現(xiàn)對不同粒徑大小的農(nóng)作物播種監(jiān)測。紅外光電傳感器實體如圖3所示。

1.接收端 2.支架 3.發(fā)射端

正常作業(yè)過程中，當種粒通過監(jiān)測單元時會遮蔽紅外光線通路，此時光敏二極管接收到的光源信號發(fā)生改變，當信號強度低于設(shè)定的閾值時，檢測電路會形成脈沖信號，并傳輸至控制器端。紅外光電監(jiān)測單元模型如圖4所示。

2.2 車速監(jiān)測單元設(shè)計

本文的車速監(jiān)測單元采用NJK-5002C型直流三線NPN（NegativePositiveNegative）常開型霍爾接近開關(guān)作為車速檢測傳感器［1819］。將傳感器安裝在車輪電機蓋上，感應(yīng)塊固定在夾片上，再用兩顆螺絲將夾片固定在轉(zhuǎn)軸上，作為測量點，并調(diào)整貼片與轉(zhuǎn)軸間距為2～3 mm。車速檢測單元模型如圖5所示。

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當鐵片接近霍爾接近開關(guān)時，霍爾接近開關(guān)會產(chǎn)生脈沖信號并傳輸至控制器，控制器通過計算ΔT時間內(nèi)接收到的脈沖信號個數(shù)，得到脈沖頻率。車輪電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過霍爾接近開關(guān)捕獲，再經(jīng)過異點剔除、脈沖濾波等算法形成輪速脈沖信號，控制器進一步對脈沖信號進行采集并分析，來達到車速監(jiān)測的目的［2021］。

輪速計算原理公式如式（1）所示。

v=2×π×R×uK×f=2×π×R×u×QK×ΔT

（1）

式中：

R——車輪半徑，m；

u——地輪滑移率；

f——輪速脈沖頻率，Hz；

K——齒圈的齒數(shù)比；

v——車速，m/s；

Q——ΔT時間內(nèi)輪速脈沖個數(shù)。

脈沖頻率的計算是通過單片機的脈沖輸入捕捉、記錄脈沖發(fā)生時刻和發(fā)生個數(shù)完成的。通常周期越大，累計捕獲的脈沖個數(shù)越多，計算誤差越小，但同時實時性會越差。播種機主要側(cè)重于低速區(qū)更新頻率，可取較低數(shù)值如500 ms更新周期。

當顯示車速和實際車速不符時，監(jiān)測系統(tǒng)需要調(diào)整參數(shù)C的數(shù)值。C表示每行駛100 m車速傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)，控制器將通過參數(shù)C來計算已作業(yè)面積數(shù)。表1是通過對不同型號播種機測試得出的常用C值參考。

例如：變速器齒數(shù)B為16、輪邊齒數(shù)A為23、輪胎規(guī)格為7.50-16，則C為58。當檢測到的車速和實際車速相符時，參數(shù)C才是正確的設(shè)定。為更精確地計算播種面積，還可通過自動校準程序設(shè)置參數(shù)C，其原理是使播種機行駛100 m的距離后停下，脈沖數(shù)記為C。

2.3 控制器單元設(shè)計

控制器是信號采集和參數(shù)計算的中心，本系統(tǒng)的控制器單元創(chuàng)建了兩個主芯片（AT89S52-24U-TW和STC15F2K60S2-28I LQFP44）。其中，STC15F2K60S2-28I LQFP44為主控制芯片，主要作用是將作業(yè)信息（工作面積、播種數(shù)量等指數(shù)）通過CAN（Controller Area Network）報文上傳至后臺，并對每一次的作業(yè)信息進行存儲。P3.7/INT3/TxD_2/CCP2/CCP2_2管腳具有寫保護功能，當該引腳為高電平時，禁止寫入數(shù)據(jù)，當引腳為低電平時，允許寫入數(shù)據(jù)。CANINTE（Controller Area Network Interrupt Enable Register）寄存器包含了使能各中斷源的中斷使能位。信號1～信號6用于配置CAN控制器。CANINTF（Controller Area Network Interrupt Flag Register）寄存器包含了各中斷源的中斷標志位。當發(fā)生中斷時，INT引腳被拉為低電平，并保持低電平狀態(tài)直至中斷清除。中斷只有在引起相應(yīng)的中斷條件消失后，才會被清除［22］。

AT89S52-24U-TW是CMOS 8位微控制器。其中，（INT0）P3.2管腳用于接收車身的轉(zhuǎn)速信號，沒有信號時是低電平，有信號時是高電平；（T0）P3.4管腳用于對PWM（Pulse Width Modulation）波的檢測，如測試車速恒定時，走100 m有多少個PWM波。

通信協(xié)議采用CAN通信網(wǎng)絡(luò)，參照ISO 11783進行協(xié)議設(shè)計，利于系統(tǒng)針對多播行協(xié)同作業(yè)監(jiān)測單體的擴展;信號線主要包括紅外光電傳感器信號線、車速傳感器信號線以及中控儀表信號線，信號由控制器進行集中解算。

2.4 播種參數(shù)計算程序設(shè)計

播種量、漏播率以及重播率等參數(shù)可根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》［31］進行計算。實際播種粒距大于1.5倍理論粒距時判定為漏播，實際播種粒距小于或等于0.5倍理論粒距時判定為重播，其余為合格粒距。

2.4.1 播種參數(shù)計算方法

播種器啟動計算的條件是當輪速脈沖變化并且檢測到任意一個播種行落種時，控制器開始啟動作業(yè)參數(shù)的計算。

1） 播種作業(yè)面積的計算方法。根據(jù)設(shè)定的行駛速度與單位行駛時間可計算播種作業(yè)面積。

行駛距離=行駛速度×行駛時間

播種作業(yè)面積=行數(shù)×行寬×行駛距離

2） 理論播種量的計算方法。理論播種數(shù)量就是在行駛距離內(nèi)應(yīng)播種數(shù)量。

理論播種數(shù)量=行駛距離/理論粒距

3） 實際播種數(shù)量的計算方法。通過累計紅外光電傳感器產(chǎn)生的脈沖信號計數(shù)可獲取當前實際播種數(shù)量。

4） 實際粒距的計算方法。根據(jù)行駛時間內(nèi)的實際播種數(shù)量和行駛距離可計算播種作物的實際粒距。

實際粒距=行駛距離/實際播種數(shù)量

2.4.2 相關(guān)指數(shù)計算方法

按照GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》［31］，計算合格率、重播率、漏播率，每250粒種子為一組。

P=n0N×100%

（2）

D=n1N×100%

（3）

M=n2N×100%

（4）

式中：

n0——合格播種數(shù)量；

n1——重播數(shù)量；

n2——漏播數(shù)量；

N——實際播種數(shù)量；

P——合格率；

D——重播率；

M——漏播率。

2.5 中控儀表單元設(shè)計

系統(tǒng)上電后進入開機模式，中控儀表的所有部件亮燈并且聲音信號（嗡嗡聲）響起。開機后中控儀表顯示已作業(yè)時間，通過加減按鈕分別顯示總播種面積和部分播種面積。長按“width”按鍵進入設(shè)置模式，設(shè)置作業(yè)寬度，可以實現(xiàn)同時對最多12條播行的信號接收，作業(yè)寬度是計算總面積和部分面積的重要參數(shù)。此外，還可以設(shè)置參數(shù)C和光電監(jiān)測靈敏度，實現(xiàn)對玉米、大豆、棉花和小麥等不同體積大小的常見農(nóng)作物種粒的排種監(jiān)測。各值設(shè)置之后，連接傳感器，當沒有信號或只有一個信號值時，屏幕會顯示信號所在位置，同時聲光報警器會報警。當有一個以上信號值時，屏幕會顯示信號所在位置并進入工作模式。作業(yè)開始時，紅外光電元件向控制器發(fā)出脈沖信號，開始當前行的存儲階段：在此階段大約持續(xù)4 s，與確認并存儲的行對應(yīng)的部件將在顯示屏上亮起。每次進入設(shè)置模式時，控制器僅運行行存儲步驟一次，并且在此階段沒有保存的播行數(shù)保持在此數(shù)值下，直到控制器關(guān)閉。軟件控制流程圖如圖6所示。

2.6 故障報警單元設(shè)計

軟件控制流程如圖7所示。

故障報警是精量播種監(jiān)控系統(tǒng)中非常重要的功能，特別是在大型農(nóng)場的播種工作過程中，故障報警功能是非常必要的。對此，本文設(shè)計了針對漏播、重播現(xiàn)象的報警功能。當某個播種行的播種粒距超過設(shè)定的范圍時，中控儀表上對應(yīng)行的黑色方塊會閃爍，同時蜂鳴器會發(fā)出報警聲音，及時提醒駕駛員去檢查對應(yīng)播種行的播種器故障；同樣，當某個播種行的播種粒距小于設(shè)定的范圍時，此時中控儀表和蜂鳴器會發(fā)出報警。

3 精量播種監(jiān)測系統(tǒng)性能試驗

為驗證面向多播行協(xié)同作業(yè)的精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的性能，本團隊進行了臺架模擬試驗和田間播種試驗。主要包括模擬車速監(jiān)測精度試驗、模擬多播行協(xié)同作業(yè)的監(jiān)測性能試驗、故障報警可靠性試驗以及針對播種參數(shù)實時監(jiān)測的田間播種試驗。

3.1 模擬車速監(jiān)測精度試驗和模擬多播行協(xié)同作業(yè)的監(jiān)測性能試驗

為驗證精量播種監(jiān)測系統(tǒng)在多行協(xié)同作業(yè)過程中的系統(tǒng)可靠性，設(shè)計以播種模擬器為核心，多個輔助輔助模塊協(xié)同作業(yè)的模擬多播行播種作業(yè)測試平臺。播種模擬器的設(shè)計思想是采用可控電機模擬輪機轉(zhuǎn)動，并將24個紅外光電傳感器等距分布安裝在圓形底座上，以及一塊同樣等距分布有24根細鐵桿的轉(zhuǎn)盤固定在電機旋轉(zhuǎn)軸上，可模擬最多24路播行的播種作業(yè)情況。同時，將2個霍爾傳感器安裝在電機底座上，并在轉(zhuǎn)盤上穿孔固定兩個螺絲充當感應(yīng)塊，分別用于模擬拖拉機的電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測和播種模擬器的電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測。由于本文設(shè)計的是面向12個播行協(xié)同作業(yè)的精量播種監(jiān)測系統(tǒng)，因此，試驗過程中只需接通12個紅外光電傳感器的電源和信號線，并根據(jù)上文提到的C值參考表，選擇變速器齒數(shù)B為23、輪邊齒數(shù)A為23、輪胎規(guī)格為6.5/80-15，并設(shè)置C值為45，通過調(diào)節(jié)播種模擬器的電機轉(zhuǎn)速模擬拖拉機的車速。在電機轉(zhuǎn)速為20 r/min、30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min時的情況下分別進行試驗，記錄下監(jiān)測系統(tǒng)顯示的實時車速。通過以上試驗成功模擬了12條播行協(xié)同作業(yè)過程，并有效監(jiān)測到了各個播種參數(shù)。播種模擬器測試平臺如圖8所示。

3.2 故障報警可靠性試驗

為驗證精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的故障報警功能的可靠性，本團隊采用可控播種風(fēng)機，搭建了以精密氣吸式排種器為核心的臺架測試平臺。測試平臺如圖9所示。

故障報警可靠性試驗主要是模擬播種機在作業(yè)過程中最常發(fā)生的種箱缺種和導(dǎo)種管堵塞這兩個故障，以驗證精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的故障報警功能的可靠性。首先，通過控制播種風(fēng)機的啟停按鈕來控制氣吸式排種器的工作，人為造成漏播現(xiàn)象，模擬出排種器缺種故障。其次，在播種過程中通過人為堵塞導(dǎo)種管，使種粒無法下落，造成漏播現(xiàn)象，模擬出導(dǎo)種管堵塞故障。在試驗過程中，小組成員通過協(xié)調(diào)配合，人為制造播種故障，同時觀察播種故障發(fā)生時監(jiān)測系統(tǒng)是否正確發(fā)出報警，并記錄系統(tǒng)的響應(yīng)時間，得到系統(tǒng)的響應(yīng)速度。兩種方法分別進行了100次重復(fù)試驗。

3.3 田間播種試驗

為驗證所設(shè)計的精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的在真實播種作業(yè)工況下的監(jiān)測性能，進行了田間播種試驗。采用十二行精密氣吸式播種機進行播種作業(yè)試驗，粒距為0.3 m，播種距離為75 m。并針對4.0 km/h、6.0 km/h、8.0 km/h、10.0 km/h、12.0 km/h等5種不同作業(yè)速度，各重復(fù)試驗了5次，測試結(jié)果取平均值。試驗安排符合中國國家標準GBT 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》［23］。試驗場景如圖10所示。

4 試驗結(jié)果分析

通過臺架模擬試驗和田間播種試驗，對系統(tǒng)性能進行了全面、準確地驗證。

4.1 模擬車速監(jiān)測精度試驗和模擬多播行協(xié)同作業(yè)的監(jiān)測性能試驗結(jié)果分析

在電機轉(zhuǎn)速分別為20 r/min、30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min時的分別進行了車速檢測測試，并根據(jù)上文提到的輪機轉(zhuǎn)速公式，在不考慮地輪滑移率的情況下，分別計算得到5種電機轉(zhuǎn)速下的實際車速，并與記錄的監(jiān)測系統(tǒng)顯示的實時檢測車速對比。如表2所示，實際車速與系統(tǒng)監(jiān)測車速完全一致，無差異，驗證了本研究設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)的測速功能的準確性。

在模擬多播行協(xié)同作業(yè)監(jiān)測性能的試驗過程中，當參數(shù)C正確設(shè)定后，系統(tǒng)能夠準確監(jiān)測到各行的播種信息，并在屏幕中內(nèi)用黑色方塊顯示播種狀態(tài)，每一列黑色方塊表示一條播種行。當各行實際粒距等于理論粒距時，屏幕中各黑色方塊處于常亮狀態(tài)。試驗過程中通過調(diào)節(jié)播種模擬器電機轉(zhuǎn)速的高低，成功模擬了漏播和重播現(xiàn)象，使第7、8、10、11、12條播種行的百分比誤差超過設(shè)定的范圍，這時顯示器中對應(yīng)的黑色方塊閃爍，測試界面如圖11所示。通過上述試驗成功模擬了12條播行協(xié)同作業(yè)的情景，驗證了多播行協(xié)同作業(yè)的報警功能的準確性與可靠性。

4.2 故障報警可靠性試驗結(jié)果分析

通過故障報警可靠性試驗，成功模擬了由于種箱缺種和導(dǎo)種管堵塞兩種故障所造成的漏播現(xiàn)象，同時記錄下了從故障發(fā)生到系統(tǒng)報警的時間間隔，假設(shè)人工計時的響應(yīng)時間可以忽略不計。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對兩種故障監(jiān)測的準確率和報警成功率均為100%，沒有發(fā)生漏報警事故。成功驗證了精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的故障報警功能的可靠性。圖12為系統(tǒng)故障報警響應(yīng)時間的散點圖。從圖12可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)時間范圍相對穩(wěn)定，誤差平均值小于0.5 s。系統(tǒng)的故障報警響應(yīng)時間很快，能夠準確、及時地報警，滿足實際工作要求。

4.3 田間播種試驗結(jié)果分析

針對玉米、大豆、棉花和小麥等4種不同體積大小的常見農(nóng)作物種粒，在粒距為0.3 m，播種長度為75 m的播種參數(shù)下，可計算得到每次試驗的理論播種數(shù)量為250粒。此外，考慮到作業(yè)速度的快慢是否會對監(jiān)測精度產(chǎn)生影響，分別在4.0 km/h、6.0 km/h、8.0 km/h、10.0 km/h、12.0 km/h的播種速度下進行了播種試驗，并對實際播種數(shù)量進行人工統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果平均值如圖13所示。從圖13可以得出，不同體積大小的農(nóng)作物播種監(jiān)測的合格率、漏播率和重播率平均監(jiān)測精度分別超過96.5%、97.4%和98.8%，誤差較小，并且在常用作業(yè)速度范圍內(nèi)的播種監(jiān)測精度相差未超過0.5%，沒有較大波動，證明系統(tǒng)的監(jiān)測性能能夠滿足實際作業(yè)要求，具有較高可靠性。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計并開發(fā)了一種面向多播行協(xié)同作業(yè)的精量播種監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用紅外光電傳感器和車速傳感器作為信號捕獲源，實現(xiàn)了對播種面積、漏播率、重播率和合格率等播種參數(shù)的有效監(jiān)測。同時在播種故障發(fā)生時能夠及時報警，避免因漏播或重播現(xiàn)象而造成損失。

1） 為方便開發(fā)過程中需對軟硬件協(xié)調(diào)一致性進行檢驗，設(shè)計了支持12條播行協(xié)同作業(yè)監(jiān)測的播種模擬器。有效解決了試驗場地限制以及能耗成本等問題，提升了開發(fā)測試過程中的便捷性。驗證了車速監(jiān)測功能的精確性和多播行協(xié)同作業(yè)監(jiān)測性能的可靠性。

2） 監(jiān)測系統(tǒng)的故障報警平均響應(yīng)時間小于0.5 s，報警成功率達到100%。系統(tǒng)的故障報警響應(yīng)時間很快，能夠準確、及時地報警，滿足實際工作要求。

3） 田間試驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在4～12 km/h的播種作業(yè)速度下，對不同體積大小的農(nóng)作物種粒播種數(shù)量監(jiān)測精度平均值超過98.5%，合格率、漏播率、重播率監(jiān)測精度分別達到96.5%、97.4%和98.8%以上。針對不同體積大小的農(nóng)作物種粒，監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度相對穩(wěn)定，且播種速度對監(jiān)測精度影響不大，能夠滿足精量播種作業(yè)的監(jiān)測需求。

參 考 文 獻

［1］呂泰紅. 氣力式播種機的基本原理與失效形式分析［J］. 農(nóng)機使用與維修， 2023（2）： 74-76.

Lü Taihong. Analysis of the basic principle and failure form of pneumatic seeder ［J］. Agricultural Machinery Using & Maintenance， 2023（2）： 74-76.

［2］陳進， 邊疆， 李耀明， 等. 基于高速攝像系統(tǒng)的精密排種器性能檢測試驗［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2009， 25（9）： 90-95.

Chen Jin， Bian Jiang， Li Yaoming， et al. Performance detection experiment of precision seed metering device based on highspeed camera system ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2009， 25（9）： 90-95.

［3］孫國峻， 張金然， 徐勇， 等. 基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與試驗［J］. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2022， 48（5）： 601-607.

Sun Guojun， Zhang Jinran， Xu Yong， et al. Design and experiment of rapeseed sowing monitoring system based on PVDF bipiezoelectric film ［J］. Journal of Hunan Agricultural University （Natural Sciences）， 2022， 48（5）： 601-607.

［4］趙鄭斌， 劉昱程， 劉忠軍， 等. 基于機器視覺的穴盤精密播種性能檢測系統(tǒng)［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2014， 45（S1）： 24-28.

Zhao Zhengbin， Liu Yucheng， Liu Zhongjun， et al. Performance detection system of tray precision seeder based on machine vision ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2014， 45（S1）： 24-28.

［5］Marrion C C， Foster N J， Lifeng L I U， et al. System and method for threedimensional alignment of objects using machine vision ［P］. U.S. Patent： 8，442， 304， 2013-5-14.

［6］謝竹青， 胡建平. 磁吸式精密播種器性能圖像檢測技術(shù)研究［J］. 計算機應(yīng)用與軟件， 2009， 26（2）： 177-178， 213.

Xie Zhuqing， Hu Jianping. Study on image detection technology for performance of magnetic type precision seeder ［J］. Computer Applications and Software， 2009， 26（2）： 177-178， 213.

［7］Lan Y， Kocher M F， Smith J A. Optoelectronic sensor system for laboratory measurement of planter seed spacing with small seeds ［J］. Journal of Agricultural Engineering Research， 1999， 72（2）： 119-127.

［8］解春季， 楊麗， 張東興， 等. 基于激光傳感器的播種參數(shù)監(jiān)測方法［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2021， 37（3）： 140-146.

Xie Chunji， Yang Li， Zhang Dongxing， et al. Seeding parameter monitoring method based on laser sensors ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 201， 37（3）： 140-146.

［9］張景， 紀超， 陳金成， 等. 精量播種機排種質(zhì)量電子監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］. 新疆農(nóng)機化， 2018（2）： 15-19.

Zhang Jing， Ji Chao， Chen Jincheng， et al. Research status of electrical seeding quality monitoring technology for precision seeder ［J］. Xinjiang Agricultural Mechanization， 2018（2）： 15-19.

［10］周利明， 王書茂， 張小超， 等. 基于電容信號的玉米播種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2012， 28（13）： 16-21.

Zhou Liming， Wang Shumao， Zhang Xiaochao， et al. Seed monitoring system for corn planter based on capacitance signal ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012， 28（13）： 16-21.

［11］Kumar R， Raheman H. An embedded system for detecting seed flow in the delivery tube of a seed drill ［C］. Proceedings of International Conference on Advances in Chemical， Biological & Environmental Engineering （ACBEE）. 2015： 236-241.

［12］AlMallahi A A， Kataoka T. Estimation of mass flow of seeds using fibre sensor and multiple linear regression modelling ［J］. Computers & Electronics in Agriculture， 2013， 99： 116-122.

［13］丁幼春， 陳禮源， 王登輝， 等. 油菜播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2021， 42（6）： 43-51.

Ding Youchun， Chen Liyuan， Wang Denghui， et al. Design and test of monitoring system for rapeseed sowing quality ［J］. Journal of South China Agricultural University， 2019， 42（6）： 43-51.

［14］Borja A A， Amongo R M C， Suministrado D C， et al. A machine vision assisted mechatronic seed meter for precision planting of corn ［C］. 2018 3rd International Conference on Control and Robotics Engineering （ICCRE）. IEEE， 2018： 183-187.

［15］張永超， 趙錄懷， 艾雄雄. 基于線陣CMOS的播種量檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］. 國外電子測量技術(shù)， 2019， 38（12）： 50-55.

Zhang Yongchao， Zhao Luhuai， Ai Xiongxiong. Design of seeding quantity detection system based on linear array CMOS ［J］. Foreign Electronic Measurement Technology， 2019， 38（12）： 50-55.

［16］Cuhac C， Virrankoski R， Hninen P， et al. Seed flow monitoring in wireless sensor networks ［C］. 2nd Workshop on Wireless Sensor Systems （WoWSS2012）. 2012.

［17］Kumar R， Raheman H. Detection of flow of seeds in the seed delivery tube and choking of boot of a seed drill ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2018， 153： 266-277.

［18］盧偉業(yè)， 魏榕山， 蔡魏威. 三維霍爾開關(guān)型傳感器［J］. 傳感器與微系統(tǒng)， 2023， 42（1）： 83-86.

Lu Weiye， Wei Rongshan， Cai Weiwei. Threedimensional hall switch sensor ［J］. Transducer and Microsystem Technologies， 2023， 42（1）： 83-86.

［19］陳蕩， 陳杰， 連晟， 等. 霍爾接近開關(guān)金屬探測器系統(tǒng)設(shè)計［J］. 河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 35（5）： 46-49， 110.

Chen Dang， Chen Jie， Lian Sheng， et al. Design of metal detector system based on hall proximity switch ［J］. Journal of Henan University of Science and Technology （Natural Science）， 2014， 35（5）： 46-49， 110.

［20］孟志軍， 劉卉， 付衛(wèi)強， 等. 農(nóng)田作業(yè)機械測速方法試驗［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2010， 26（6）： 141-145.

Meng Zhijun， Liu Hui， Fu Weiqiang， et al. Evaluation of ground speed measurements for agricultural machinery ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2010， 26（6）： 141-145.

［21］陳育中. 霍爾傳感器測速系統(tǒng)的設(shè)計［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2010， 10（30）： 7529-7532.

Chen Yuzhong. Design of the velocitymeasuring system of hall sensor ［J］. Science Technology and Engineering， 2010， 10（30）： 7529-7532.

［22］GB/T 41588.2—2022， 道路車輛控制器局域網(wǎng)（CAN） 第2部分： 高速媒介訪問單元［S］.

［23］GB/T 6973—2005， 單粒（精密）播種機試驗方法［S］.