虚拟仪器技术在水稻排种器播种质量检测方面的应用研究进展

2018-02-09宋朝霞

江西农业 2018年1期

展慧宋朝霞叶佩

水稻机械精量穴直播技术，是指在灌水、泡田、整地、排水和沉实之后，利用水稻精量穴直播机按规定株行距及播种量，在大田直接精量成穴播种，按相应管理要求进行田间管理的水稻播种栽培技术[1]。与传统的机械式插秧机相比，水稻精量直播要按照农艺要求将数量确定的种子按照规定种植穴距和行距投放至田间，其播种质量直接影响水稻的生长、后期管理和最终产量[2]。

随着农业科技的不断发展，水稻精量穴直播技术的应用范围不断扩大。排种器是水稻精量穴直播技术的关键部件，其技术研究对提高我国水稻直播机械化水平，确保粮食安全生产具有重要意义。水稻直播技术的难点在于按照农艺要求将数量确定的种子按照规定种植穴距和行距投放至田间，这就要保证排种器排种精度。因此，能高效、快速检测排种器播种质量，对于研究设计高性能排种器可谓是意义重大。

1 水稻直播机排种器检测的性能指标

播种质量直接影响水稻的生长发育环境，进而影响水稻的产量和质量。如果播种量太大，会导致出苗太密而浪费种子，引起倒伏，以致减产；如果播种量太小，则因田间基本苗不足而引起减产[3]。随着科技的进步，发展精细农业已成为一大发展趋势。水稻精量穴直播技术就是发展水稻精细产业的主要技术之一，而排种器又是水稻精量穴直播机的关键部件，对其性能的检测尤为重要。

排种器性能指标有多个，主要有株距的大小及均匀性、每穴种子粒子数量、漏播、重播等[3]。排种器播种的株距大小及均匀性是衡量其性能好坏的硬性指标，所以株距的大小及均匀性是否符合标准成了排种器性能检测的主要内容。在排种器性能检测试验中，每穴种子数量不同时，也会对整个试验的试验结果产生重要影响，一般按照合格、重播、漏播3个指标，作为排种性能检测的重要指标。

2 水稻排种器性能的常规检测方法

2.1 人工检测法人工检测方法是在实验室模仿田间直播机排种器田间作业环境，在相对地面匀速运动涂有黄油的输送带上，通过人工测量统计穴粒数、穴径、穴距等重要指标来分析得到各项排种器性能指标，从而获知排种器的播种效果[4]。这种方法具有操作简单、直观等优点，但浪费人力和时间，环境污染较大、效率低，还容易产生偶然误差，结果受人为因素影响很大，检测精度较低，故该检测方法逐渐被淘汰。

2.2 传感器与机器视觉检测技术传感器检测法是在输种管的合适位置安装传感器，实时感应经过投种口的种子，将种子流信号转换成电脉冲信号，该脉冲信号经过放大、整形、滤波等基本处理后经单片机的定时、中断、计数后获知相邻两粒种子的排种间隔时间或者检测时间段内的排种频率[5]，从而计算得到漏播指数、重播指数、合格指数等各项排种器性能指标。

3 虚拟仪器概述

随着计算机技术的快速发展，传统的测试仪器随之得到了改进。其中，虚拟仪器就是多门技术与计算机技术结合的产物，代表了现代测试技术和仪器技术的发展方向。虚拟仪器技术正在成为当今世界流行的仪器构成方案，典型的虚拟仪器结构如图1所示[6]。

图1 典型的虚拟仪器的结构

3.1 虚拟仪器技术的特点虚拟仪器有着传统仪器无法比拟的优势，是对传统仪器概念的重大突破。其使得用户可以根据自身需求在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，设计所需的仪器系统。虚拟仪器的开发工具有C/C++、Lab Windows/CVI、Lab VIEW等软件，设计时尽量用软件代替硬件。

与传统的仪器相比，虚拟仪器技术具有以下几个特点：功能强、性价比高、开放性好，虚拟仪器丰富和增强了传统仪器的功能，仪器升级、复用方便，用户可以自定义，便于构成复杂的测试系统；突出“软件就是仪器”的新概念；操作方便，通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板；硬件模块化、系列化，具有开放性，使资源的利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展[7]。

3.2 虚拟仪器系统的构成虚拟仪器由硬件与软件两部分组成。虚拟仪器硬件一般由计算机硬件和仪器硬件构成。计算机硬件是虚拟仪器的硬件基础，仪器硬件的任务是采集数据、提供信号源和控制信号，其可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等，管理着虚拟仪器的软件资源。按照测控功能不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线5种标准体系结构，主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。

软件是虚拟仪器中最重要的组成部分，虚拟仪器的应用软件主要包括I/O接口仪器驱动程序和应用程序。I/O接口仪器驱动程序主要用于完成外部仪器硬件的驱动、扩展、通信与控制功能。用户可以根据不同的测试任务，编制不同的测试软件，实现复杂的测试任务。虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序：实现虚拟面板功能的软件程序与定义测试功能的流程图软件程序。虚拟仪器目前的开发工具有VB、Delphi、LabVIEW等。

4 虚拟仪器技术在排种器性能检测方面的应用

虚拟仪器是近年来信息技术发展的一个新领域。在某些检测方面，其既可以完全代替传统的仪器，又具有传统仪器不可替代的功能，特别是对于一些非标准的或超常规的检测要求，应用虚拟仪器技术可以起到非常显著的效果。因此，虚拟仪器技术在电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、电力工程、机械工程、建筑工程、教学及科研等诸多领域得到了广泛的应用。

在农业领域，虚拟仪器技术同样具有广阔的应用前景。目前已在农机产品的计算机检测、农产品等级分选，自动化农场的监控与数据采集，种子、秧苗或细胞生物特性的研究等方面得到了广泛的应用。

4.1 虚拟仪器技术在农业自动化领域的应用早在1997年，美国Goldsmith种子公司利用虚拟仪器开发工具和计算机视觉软件开发了计算机自动化秧苗分析系统（CASA），用于监视秧苗质量以及预测在最后发芽期限发芽良好的秧苗数量。该系统通过GUI操作界面来设置应用参数，可实现视频捕捉、图像显示、图像处理及分析等操作。

我国虚拟仪器技术同样发展迅速。早在1998年，中国农业大学机械工程学院利用面向对象的虚拟仪器开发工具lab win．dows/CVI，开发了苹果自动分选系统，通过IMAQ Vision的图像分析处理函数，进行苹果品质分析，最后得出苹果等级的鉴定结果。周兵等[8]利用虚拟仪器技术构建了大棚温室环境因子测试与控制系统，该系统利用Labview软件平台对其数据进行采集、记录、分析、处理和存储。整个测试与控制系统具有灵活的、可视的、可操作的人机交互界面，实现大棚温室环境因子最佳参数的测试和控制。白士宝等[9]利用虚拟仪器技术构建了一个蛋鸡舍环境舒适度实时监测系统，采用LabVIEW该系统，输出实时的环境舒适度评价结果。该系统采用层次分析法得到冬季鸡舍温度、湿度、风速、二氧化碳浓度和氨气浓度的权重集，能较全面地反映出舍内的舒适程度，为蛋鸡舍内综合环境评价提供了一种新的方法。

4.2 虚拟仪器技术在排种器性能检测方面的应用近年来，随着计算机和自动控制技术的发展，国内对播种质量的检测逐渐向自动化和精准化方向发展，对排种器检测系统的研究有了较大的发展。目前，传感器技术、控制技术、信息采集和处理技术、机器视觉技术在排种器播种性能检测中得到了广泛的应用。

2005年，陈海燕等[10]研究了一套基于虚拟仪器的排种器播种检测系统，此系统能根据所测粒距样本得出合格指数、漏播指数、重播率等评价指标。而且解决了光电法检测系统检测过程中易受灰尘影响和不易识别多粒种子同时下落的问题。2009年，夏俊芳等[11]采用虚拟仪器技术，以LabVIEW为开发平台，对精密排种器漏播性能进行了研究，验证了基于虚拟仪器检测系统的可靠性和准确性。2012年，周海波等[12]为进一步提高超级稻钵体秧盘精准育秧的成秧率，研究设计了基于LabVIEW图形化编程软件平台，对水稻钵体秧盘的图像处理算法进行了研究，设计播种质量检测系统，并进行了播种质量检测试验。结果表明，采用自动阈值分割和Roberts边缘检测算子相结合的方法对图像进行分割，检测精度得到了提高，为今后的排种器性能检测和补种技术提供了参考依据。2015年1月，丁时峰等[13]以AT89C52单片机作为控制核心，利用光电检测技术，设计了一套监测水稻直播机工作过程中漏播情况的检测装置，该漏播检测装置在实际使用中漏播检测效果好、工作可靠。

综上所述，对于排种器的播种质量性能检测，大多数播种质量检测系统的检测性能较为单一，只是针对排种器的漏播、重播、排钟均匀度等单一方面的检测性能较好，而对综合的检测效果一般；排种器播钟质量性能检测方法主要采用单片机、光电传感器、高速摄影、计算机图像处理技术等；所检测的排种器多为单粒落种或秧苗育种。采用虚拟仪器技术开发全新的综合性精密播种机性能测试系统，将会实现测试技术的自动化、智能化及数据采集的准确化，大大提高试验效率。