精密播种机播种计量监测系统的研究

戈天剑，赵　斌，衣淑娟，陈　金，王晓伟，范学佳，赵明慧

(1.黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆　163319；2.黑龙江省建三江前进工商行政管理局，黑龙江 佳木斯　156331)



精密播种机播种计量监测系统的研究

戈天剑1，赵斌1，衣淑娟1，陈金1，王晓伟1，范学佳1，赵明慧2

(1.黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆163319；2.黑龙江省建三江前进工商行政管理局，黑龙江 佳木斯156331)

摘要：为了提高播种机作业效率与质量，设计了播种计量监测系统。系统以嵌入式微处理器为核心，采用无线通信的方式进行数据传输，使用编码器实时采集播种机的作业距离，通过3对红外光电传感器对种子下落信息进行采集，使用电容式接近开关进行种箱状态的监测，由LCD液晶屏显示获取的参数。田间试验结果表明：系统性能稳定可靠，报警及时准确，对提高播种机工作效率具有重要意义。

关键词：播种机；计量；监测；编码器；接近开关

0引言

随着农业机械化水平的不断提高，精密播种机已经广泛应用于大面积播种作业中。精密播种机可实现一穴一粒，不仅节约种子、减少定苗工作量，而且能增加作物产量[1]，提高了播种效率和质量。播种机的导种管安装在两个开沟器中间，排种器也是封闭设计的，作业过程中无法观察其工作情况；另外，精密播种机都是多行同时作业，田间情况恶劣，会出现导种管管口被杂物堵塞或种子在导种管内部堆积造成堵塞、种箱排空等问题，如果无法及时发现故障并排除，会造成大面积漏播，严重影响粮食产量。因此，研究一套播种机播种计量监测系统对提高农业生产水平具有重要意义。

国外对精密播种机监测系统研究起步较早，技术比较成熟[2]，如美国内布拉斯加大学研究出一种快速测量播种机排种间距的光电传感器系统[3]。国内对播种机监测技术的研究起步较晚，华中农业大学王树才等采用压电传感器，将单粒种子下落的物理量转化为电量，通过信号转换检测其排种性能参数[4]。国内多数研究为种管堵塞及种箱排空的监测[5-9]，在重播、漏播的技术上不完善，且光电传感器监测盲区较大；

在株距和作业面积两个参数测量上，常常通过测量机具作业距离来计算。以往的距离测量常采用超声波测距法[10]，但由于田间空旷，没有参照物，无法实现。随着GPS技术的发展和广泛使用，GPS被用来测量各种作业面积[11-14]，但精度不高。为了弥补上述的不足，设计了一套精密播种机播种计量监测系统，将3对光电传感器并排安装在导种管中部[15-16]，有效地减少了监测盲区；通过安装在地轮的编码器间接测量机具的作业距离，提高了精度，降低了成本；系统可显示播种机作业过程中的各项参数，发现故障并及时报警，并可适用于不同类型的播种机，性能稳定。

1监测系统的构成

监测系统结构如图1所示。系统由上位机系统和下位机系统组成，上位机系统主要完成接收数据显示、人机通信及播种机作业距离采集等。编码器安装在播种机的地轮上，由上位机进行信号采集，计算出的作业距离和传上来的播种量经计算后得出平均株距，作业面积由播种机作业距离与作业幅宽计算后获得，最终显示在LCD液晶屏上；农户通过按键设定监测系统的工作范围(4、6、9、12行)；通过无线模块，上位机可以向下位机发送控制指令、接收信息并显示，下位机根据不同的指令向上位机传送数据。下位机主要完成播种量的测量、种箱与种管状态的监测，并及时将信息传送到上位机。由光电传感器对种子下落信号进行采集和导种管空、堵的监测，正常工作状态下采集到的落种信号经调理电路和逻辑判断后送入单片机运算处理，将播种量传输到上位机。如果发生导种管排空或堵塞的故障，立即向上位机发送报警信息。安装在种箱内的电容式接近开关会实时监测种箱内的状况，一旦发生故障，向上位机发送报警信息。上位机接到报警信息后会在显示屏上显示故障区域，启动报警器通知驾驶员停车排除故障。

图1　监测系统结构图

2上位机系统硬件设计及测量原理

上位机系统由微处理器模块、无线模块、旋转编码器、按键开关及报警模块组成，主要是完成系统监测范围的设定、作业面积和株距的计算、与下位机之间的无线通信，以及对接收到的数据进行显示。当下位机传上来报警信号时，及时处理并在显示屏上显示出故障区域，同时启动报警。

2.1　作业面积及株距测量原理

GPS定位和测量作业面积的方法已应用到农业生产中，但市场上大部分廉价的GPS模块定位精度不高、误差较大，影响监测系统的准确性。精度高的GPS模块价格非常昂贵，会大大增加成本，无法应用到实际生产中。考虑到成本和测量精度的问题，选择在精密播种机的地轮上加装旋转编码器，由上位机的T0工作在计数器模式下采集编码器的脉冲数，通过编码器的脉冲数间接测量机具的作业距离。

监测系统使用PKT1030-512-G05C型号的编码器，1圈512个脉冲，抗干扰性强、分辨率高。根据播种机地轮周长，计算出1个脉冲机具的行进距离，通过采集到的脉冲数和作业幅宽计算出作业面积，则

(1)

S = L·M

(2)

其中，L为机具的作业距离(m)；N为编码器的脉冲数；M为机具作业幅宽(m)；S为作业面积(m2)。将机具作业距离与相应下位机传上来的播种量相除，即得到该单体作业的平均株距。

2.2　人机通信模块设计

上位机系统电路图如图2所示。上位机系统一共设计安装8个人机对话按键，分别定义为向上按键S1、向下按键S2、确定按键S3、返回按键S4、下位机启动按键S5、数据采集按键S6、正常停止按键S7、异常停止按键S8。系统开始工作后，通过按键对不同行数的播种机进行监测范围的设定，范围确定后，先按下S5键向下位机发送启动指令，启动下位机工作，然后按下S6键进行数据采集；下位机将采集的播种量、种箱状态上传，按下正常停止按键S5后，会显示当前的总播种量、作业面积。显示屏选用带有汉字库的QC12864B液晶显示模块，可以显示4行，每行可以显示8个汉字，蓝色背光，与微处理器采用并行的控制方式。

图 2　上位机系统电路图

3下位机系统硬件设计

下位机主要完成播种量的采集，实时监测导种管和种箱的工作状态，将数据传送到上位机。系统以微处理器为核心，光电传感器为播种量采集和导种管工作状态监测器件，将电容式接近开关安装在距离种箱底部5cm的位置，监测种箱状态。

3.1　光电传感器模块

为减少监测盲区，系统将3对并列排布的光电传感器安装在导种管中部，相比于只安装1对光电传感器，3对并列安装方式可以监测到在导种管中发生弹跳的种子，实现无盲区监测，且可以监测到重播。发射端使用穿透性强、光束集中的红外发光二极管，接收端使用可减少日杂光干扰的黑胶体光敏三极管。调理电路使用CD401106BE型施密特触发器，内置6个反相器。逻辑判断电路使用74LS10型3路3输入与非门，将整形后的信号经过逻辑电路2次逻辑判断后，将信号传送给微处理器。电路图如图3所示。

图3　下位机系统电路图

3.2　微处理器模块

微处理器是监测系统的核心，主要完成数据的传输处理、按键控制、液晶屏的显示及控制指令的发送等。系统使用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片，该单片机具有60k的用户应用程序空间、3个时钟输出口、2个串口，有独立波特率发生器，具备EEPROM功能；相比于传统的8051单片机，运行速度提高8～12倍，稳定性强。

3.3　箱空检测电路

由于田间播种作业距离较长，一个种箱的种子无法完成整个作业过程，需要不断添加种子。如果种箱排空未被及时发现，会造成大面积漏播，影响粮食产量。测量种箱的剩余种量常用压力检测法，将压力传感器放入种箱内，测量压力传感器在箱空时的阻值大小，计算出加上5V电压后的输出值，输出电压值经过AD转换后设为箱空标定值。当微处理器检测到传感器达到箱空值时，发出报警信号；但是，压力传感器的敏感区域较小，种子在种箱内会不断晃动，使传感器的输出电压不断变化，容易发生误报警现象。因此，设计了一种电容式接近开关箱空检测电路，系统使用LJC30A3-H-Z/BY型电容式接近开关，PNP常开型，工作电压5V，接近距离可调范围1～25mm。当种量充足时，输出高电平；当种量不足时，种子离开关距离超出范围，输出低电平，微处理器根据接近开关的输出电平判断种箱状态。相比于压力检测法，此方法受外界干扰更小，准确性更高。

4系统软件设计

软件的设计主要是控制硬件的稳定运行和进行高效率的工作，系统使用C语言进行程序的编写。软件设计分为上位机软件设计和下位机软件设计。上位机上电初始化后，进行监测范围的选择，范围确定后，按下启动按键启动下位机工作，然后按下数据采集键;上位机以1s的间隔依次向监测范围内的下位机循环发送采集指令，下位机接收到指令后，将播种量和种箱状态上传；上位机将计算出的作业面积、株距与下位机上传的播种量、种箱状态一同显示到液晶屏上；如果接收到报警信号，则启动报警器，在液晶屏上显示故障区域。上位机软件流程图如图4所示。

图4　上位机系统软件流程图

下位机上电初始化后，等待主机发出启动指令，当接收到上位机的启动指令后，先检测种管和种箱状态是否正常，确认正常后，启动计数器工作；当接收到上位机数据采集指令后，将采集的播种量和种箱状态上传；如果发现故障，通过无线模块将报警信息传送到上位机处理。下位机软件流程图如图5所示。

图5　下位机系统软件流程

5试验方法与结果

为验证系统工作的可靠性和准确性，于2015年9月20-22日在黑龙江省曙光农场进行田间试验。试验作物为玉米，使用黑龙江八一农垦大学研制的2BJM-6型大马力气吸式精密播种机，行距650mm,分别进行了播种量、作业面积及报警准确性的测试。

5.1　田间试验方案

将12行播种机的前10个导种管与种箱作为试验设备，按顺序设定为1～10号。播种量的监测为选取2 000粒玉米种子，分成10等份，分别放入10个种箱中，让拖拉机以6km/h的速度将其播完，将系统测量的值与实际值相比较；机具的作业面积为机具的作业距离和作业幅宽的乘积，作业幅宽为定值。所以，通过机具作业距离的测量就可以估算出作业面积测量的精度，取5、10、15、20m距离进行试验测量,每段距离进行3次试验。导种管空、堵及种箱排空检测试验采用人为设置故障的方法，导种管排空检测试验为先将少量种子放入1号种箱内，2～5号导种管与种箱的监测设备关闭，让拖拉机以6km/h的速度进行作业，依次试验5次，观察报警信息显示是否与实际相符。导种管堵塞检测方法与导种管排空检测方法大体相同，不同点就是用物体将导种管堵住。箱空检测试验是观察种子与接近开关的距离超出设置的范围(10mm)后是否报警，显示信息是否准确，测试10组。

5.2　试验结果

播种量测量结果如表1所示。播种量测量值最大误差5%，准确度较高，满足生产需求。有些种子尺寸偏大，同时挡住3对光电传感器，影响到逻辑判断，系统误认为下落2粒种子，从而导致测量结果比实际值偏大。

机具作业距离的测量结果如表2所示。测量值比实际值偏小，原因是地轮打滑、测量土地不平整等产生的误差。因此，应该通过不同地段多次试验，计算出较准确的误差系数，在微处理器计算时加入误差系数，提高监测系统的精度。

播种防堵、防排空10组实验中，监测系统均能及时发现故障报警，且显示的故障区域与实际的故障区域相符。种箱防排空10组试验中，电容式接近开关能够准确地监测出种箱内的状态，一旦种子距离开关达到报警距离(10mm),及时发出报警信号。

表1　播种量试验结果

表2　作业距离测量结果

6结论

监测系统通过3对并列排布的光电传感器对种子下落信息进行采集，解决了一对光电传感器监测盲区大、无法监测到重播的问题；采用编码器实时采集机具的作业距离，经微处理器计算出机具的作业面积、株距，具有结构简单、精度高等特点，有效地降低了成本。上位机与下位机通过无线模块进行数据的传输，减少了布线，便于装置的安装和拆卸；通过人机对话可以选择不同的监测范围，适用于不同行数的播种机，通用性较强。试验结果证明：系统能够完成对播种机作业中的各项数据的采集显示，能够及时发现导种管堵塞、排空及种箱排空等故障并启动报警，准确地显示出的故障区域。其监测系统精度高，测量最大误差率仅为5%，报警误报率为0，可有效提高播种机作业质量和农业现代化水平，便于推广使用。

参考文献：

[1]王吉奎,黄勇.夹持自锁式棉花精量点播轮的研究[J].石河子大学学报:自然科学版,2007,25(2):240-243.

[2]许建平，谢宇峰.国内外播种机械的技术现状及发展趋势[J].农机化研究，2011,33(2):234-237.

[3]陆黎,胡建平.精密播种机监测系统的发展现状及创新研究[J].农机化研究,2005(2):13-15.

[4]王树才，许绮川.单粒排种器单片机检测系统性能研究[J].华中农业大学学报，1998,17(1):96-100.

[5]赵斌，匡丽红.气吸式精播机种、肥作业智能计量监测系统[J].农业工程学报，2010,26(2):147-153.

[6]张锡智，李敏，孟臣.精密播种机智能监测仪的研制[J].农业工程学报，2004,20(2):136-139.

[7]张晓辉，赵百通.播种机自动补播式监控系统的研究[J].农业工程学报，2008,24(7):119-123.

[8]史智兴，高焕文.排种监测传感器的实验研究[J].农业机械学报，2002,33(2):41-43.

[9]张晓辉，赵秀珍，李法德，等.精密播种机工况自动监控及播种数显系统的研制[J].农业工程学报，1997,13(2):169-172.

[10]王润涛，张晓康.气吸式播种机种肥无线监测系统研究-基于NRF24L01[J].农机化研究，2015,37(6)：101-104.

[11]陈水森，柳钦火.粮食作物播种面积遥感监测研究进展[J].农业工程学报，2005,21(6)：166-171.

[12]张林林，陈树人.基于ARM7和GPS作业面积测量系统的开发[J].农业工程学报,2009,25(2):83-86.

[13]周文奇，全岳民.农机作业面积快速定位测量仪的开发与应用[J].中国农机化,2006(1):57-58.

[14]冯娟，曾立华，史智兴.一种双轮测量农机具行进速度和距离的装置[J].农机化研究，2008(6):142-144.

[15]宋鹏，张俊雄.精密播种机工作性能实时监测系统[J].农业机械学报，2011,42(2):71-74.

[16]李雷霞，郝志明.精密播种机排种性能监测系统的研制[J].农业工程学报，2012(8):16-19.

Abstract ID:1003-188X(2016)12-0096-EA

Research on Precision Seeder Seeding Measurement and Monitoring System

Ge Tianjian1, Zhao Bin1, Yi Shujuan1, Chen Jin1， Wang Xiaowei1, Fan Xuejia1, Zhao Minghui2

(1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China;2.Qianjin Industrial and Commercial Administration Bureau of Jiansanjiang, Jiamusi 156331, China)

Abstract：In order to improve the operation efficiency and quality of seeder, seeder seeding measurement and monitoring system was designed. Embedded microcontroller is the core of system, sending data by wireless communication, using encoder to gather the operation distance of seeder, gathering fall condition of seeds by three pairs of infrared photoelectric sensor, using capacitor approach switch to monitor the state of seed can, displaying the obtained parameters in LCD . Field experiment showed that the system performance was stable and reliable, alarms promptly and accurately, and has important meanings in agricultural production and improve seeder operating efficiency.

Key words：seeder; measurement; monitoring; encoder; approach switch

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0096-05

作者简介：戈天剑(1993-),男，黑龙江大庆人，硕士研究生，(E-mail)1933605369@qq.com。通讯作者：赵斌(1970-)，男，黑龙江宝清人，教授，硕士生导师，(E-mail)616283364@qq.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-03)；黑龙江省科技厅项目(GZ13B013)；黑龙江省农垦总局科委(HNK125B-07-15)；耕播机工况检测与手机管理平台的研究(HNK125B-05-19A)

收稿日期：2015-12-03