精量播种机排种质量电子监测技术研究现状

张 景，纪 超 ※，陈金成 ，汤允猛

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.石河子大学机械电气工程学院）

0 引言

播种是农业生产中的重要环节，相比传统播种机具，精量播种机具有作业速度快、播种效率高、省种节支等优势，越来越受到广大农户欢迎，在新疆、东北等种植面积辽阔的地区得到广泛应用。

农田非结构化环境下，工况条件复杂、干扰因素多发，精量播种机长时间作业过程中难免发生机械振动、传动故障、信号中断等问题，影响作业质量，如产生断条漏播将严重影响农作物生长，造成大幅减产。当前精量播种机普遍为封闭式作业，难以直接观测内部排种过程，若采用人力跟随监视，需长时间同时目测多项指标参数，不仅劳动强度大，还将增加劳动力成本，观测结果也易受人为主观因素影响。

随着农机自动化、智能化发展，机电一体化、传感器探测、信息融合等相关技术在农业装备领域得到了广泛应用。研发先进的精量播种机排种质量电子监测系统，取代人工监测，节约成本、提质增效，已逐渐成为精量播种技术发展的重要方向。

1 国内外研究现状

根据技术变革历程，在实现电子监测之前，国内外相关研究经历了机械式监测与机电式监测两个前期阶段[1～5]，其典型代表分别为早期的法国NODET气吸式播种机[6]和英国S870型精量播种机[7]。两者均将排种器作为监测对象，若排种器发生故障，将触动监测机构，通过响铃或指示灯提示报警。由于监测对象不能直接反映排种过程，且误差大，无法分辨故障类型，故随着科技的发展，机械式与机电式监测技术已被完全淘汰。

随着传感器技术应用到在农机装备领域，国内外相关研究逐渐将监测对象从排种器转变为下落种粒，通过监测落种过程，更为直观的反映出实际排种质量，从而获得更高的监测精度，实现故障类型判定。

根据传感器类型不同，可将当前国内外已研发的电子监测系统分为四大类型：光电感应式、机器视觉式、电容感应式和压电感应式。

1.1 光电感应式

光电感应式通常利用光感应元件采集种粒对光线的遮挡信息，实现光信号向电信号转变。根据实际配套机具、安装位置以及作物种粒不同，光感应元件的选择具有较强针对性。如：美国cyclo-500型、英国斯塔赫S870型播种机配备的监测装置选用了光电传感器[8～9]；日本的并河…清[10]利用多组红外LED与光敏三极管构建了种粒监测传感器；澳大利亚A.E.E有限公司研制的气力播种机选用了红外传感器作为感应元件；国内赵立业等人[11]利用硅光电池、小灯泡以及凸透镜构造了一种排种性能传感器；张继成等人[12]利用红色高亮度发光二极管和光敏电阻构建的监测传感器可实现种肥同时监测；李雷霞等人[13]采用3对并列排布的红外发光二极管和光敏三极管分别作为光电传感器的发射端和接收端，实现多行精量播种全程无盲区监测。

根据光感应元件发光端与接收端相对位置不同，光电感应式监测系统又可分为对射式[14]和反射式[15]。其中对射式的发光端与接收端相对安装，接收端受光中断时，则认为有下落种粒；反射式的发光端与接收端位于同侧，接收端受光时，则认为有下落种粒。

图1 播种监测器产品实例1

由于光电传感器响应灵敏、成本低，相关技术成熟，系统易于构建，利于产品化研发。国内部分企业已推出相关产品，具有重播、漏播报警，播种量、作业面积等参数统计功能。例如：保定联宇电子科技有限公司开发的播种监测器（图1）利用反射式光电感应原理针对指夹式排种器与勺轮式排种器分别开发了对应的排种监测探头，监视报警器在发生堵塞或长时间断条漏播时，发出报警提示。

辽宁省东港市新星电子播种器厂研发的监测探头采用对射式结构，发射端为1支10 mm直径红外发光二极管，接收端为四组平行排布的3 mm直径红外光电二极管，探头安装于排种管外侧，同样具备统计和报警功能（图2）。

图2 播种监测器产品实例2

江苏常州怀玉电子有限公司采用对射式光电感应原理，监测探头可适配方形、圆形排种管以及无排种管的播种机，能够监视1到6行的播种情况并附带LCD计数显示（图3）。

图3 播种监测器产品实例3

黑龙江海声电子有限公司的监测探头最为简单，采用对射式光电感应原理，两个红外光电二极管均布于红外发光二极管两侧，该探头结构简单，能够实现堵塞、漏播判定（图4）。

图4 播种监测器产品实例4

1.2 机器视觉式

机器视觉感应法一般利用视觉相机对下落种粒进行高速摄像，通过图像处理将相邻种粒的像素间距转化为实际粒距参数，并通过与标准粒距进行对比，判定当前粒距是否属于漏播或重播范围。

根据视觉系统搭建方式以及待测目标特征不同，除硬件构成有所差别外，研究人员基于各自系统分别开发了最适软件算法。例如：蔡晓华[16]等人研究了预处理式动态阈值法，选取最佳阈值以及利用种子分布样本进行种子识别与粒距测量；胡少兴[17]等人提出了基于神经网络的种子位置智能检测方法；乔曦[18]等人设计了基于Tsai的RAC方法对摄像机进行线性标定建立数学模型；王辰星[19]等人通过投影、差分等方法处理静态图像从而得到处理目标，然后用自行设计的检测算法判断每穴水稻粒数。安爱琴[20]等人提出了以样本图像中相邻种子间距差为随机变量的排种质量识别模型；吴海平[21]等人采用平稳随机过程模型来描述排种时间和型孔种子数序列。

1.3 电容感应式

电容感应法通常将2块电容感应极板置于种粒下落轨迹两侧，建立种粒质量与电容变化量线性关系，通过转换电路将电容变化量以高低电平信号即数字信号形式传输给单片机等控制单元。周利明[22]等人利用种子介电特性，研究了一种基于电容信号获取与分析的播种性能监测方法。通过对玉米播种机排种过程的运动学分折，获得电容传感器极板长度的约束条件，为传感器设计提供理论性参考。此外，周利明[23]等人又将电容感应法推广到小麦播种质量监测方面，利用AD7745数字转换器和单片机搭建微电容信号调理电路，电容传感器与调理电路采用短线连接，减小了寄生电容对测量精度的影响。通过标定，获得了传感器电容值与排种量的关系模型。

1.4 压电感应式

压电感应法采用压电薄膜等压力传感器感应种粒下落冲击力，实现压力值向电压脉冲信号转变。黄东岩[24]等人采用聚偏二氟乙烯（polyvinylidence fluoride，PVDF）压电薄膜传感器将排种器落粒物理量转变成脉冲电压信号，设计了以单片机STC89C52为核心的监测系统。黄东岩[25]等人将压电感应技术推广至播种深度监测方面，采用压电薄膜传感器将免耕播种机限深轮的胎面形变量转换为电压信号，系统根据信号峰值实时监测播种单体对地表的压力，当压力不足时控制空气弹簧产生推力，使播种单体产生对地表的压力，从而保证播种深度一致性。

1.5 技术对比

光电感应法具有良好的响应速度，系统构建简单，是最早且最多在实际中应用的排种监测感应方法。但在农田作业环境下，光电传感器直接暴露于高温高尘工况中，其表面极易粘附灰尘等杂质，影响系统监测精度。机器视觉方法监测精度高，但对作业环境要求严格，不仅同样容易受到灰尘粘附影响，同时高昂的成本也限制了在现实生产中的推广应用[26]。压电感应法需要将感应元件置于导种管内，影响种粒下落轨迹，不仅可能改变种粒入土位置，并且增加了种管堵塞可能性。电容感应法易受温度变化和寄生电容干扰，其田间试验的可靠性、稳定性等方面还达不到实际使用的要求。

综合对比以上4种常用排种监测方法，并参考实际应用效果可以发现，光电感应法因其系统稳定、成本低廉，仍然是当前应用最为广泛的监测手段。

2 播种监测技术发展趋势

2.1 自动补种

配备播种监测系统的播种机能够在发生堵塞、漏播等故障问题时发出报警，提示驾驶员停车检修。若排种器性能不良而产生反复缺种或大幅断条漏播时，需进行人工补种，这样虽能保证播种质量，但势必会增加二次人力成本。基于此，相关研究人员提出在监测到漏播信号时，系统能够替代人工实现自动补种。龚丽农[27]等人利用光电传感器监测主排种器充种情况，当出现漏播现象时，通过测控系统控制副排种器在恰当时间补充排种，避免空穴。朱瑞祥[28]等人提出了一种基于超越离合器的大籽粒作物漏播自补种方法，采用激光光电传感器和霍尔传感器分别监测漏种和排种器速度，依靠排种器自身的超越旋转实现位置无偏差补种并能够故障报警。孙伟[29]等人针对马铃薯漏播补种设计了由定位和测薯模块组成的漏播检测系统以及由固态继电器和电磁铁组成的速动补薯装置，如发生漏播，系统将控制速动补薯装置将待补薯种击打至预定位置，实现自动补种。

2.2 除尘机构

当前最为主流且成熟的播种监测系统仍以光电感应式为主，但田间高尘环境下如何剔除灰尘粘附干扰，保证系统监测灵敏度，是限制光电传感器进一步推广应用的主要问题。为此，相关研究人员设计了自清洁除尘机构，将光电元件与外界环境有效隔离，从而降低灰尘侵蚀对系统精度的影响。宋鹏[30]等人设计了基于双层玻璃板的自清洁装置，人为将监测探头部分分隔为工作区与清洁区，通过旋转擦拭，使作业区的玻璃表层一直处于洁净状态，从而保证了光线穿透能力。纪超[31]等人设计了基于旋转式透明防尘罩的自清洁除尘装置，将红外监测探头置于罩体内部，从而隔离外部环境，同时利用微型电机驱动罩体自转，使其外表面不断被毛刷擦拭，实现自我清洁。

3 问题与建议

3.1 存在的问题

（1）重播监测精度低。重、漏播的判定依据一般选择为相邻种粒间的落种时差，若系统判定该时差超过正常工况下标准时差，则认为发生漏播，反之为重播。由排种器作业过程可知，重播现象多由同一种孔携带多余数量的种粒所造成，从垂直于下落方向的角度来看，相邻种粒多存在完全或部分重叠现象。若重叠面积过大，当前常见类型的传感器难以对相邻种粒辨离，反将其认定为大颗粒种子，从而造成重播漏判。

（2）不规则小粒种子监测难度大。除视觉相机外，其他常见传感器难以对种子种类、形状、破损状况等进行识别判定，尤其针对不规则小粒种子，经常将其与土粒、杂草种子以及破碎种粒等小颗粒杂质相混淆，从而产生漏判、误判现象。

（3）环境适应性差。农田非结构化环境下，强光、高温、潮湿、高尘、震动等外界不良因素均会对监测系统灵敏度与稳定性产生较大影响。部分监测系统在实验室台架条件下试验效果良好，且性能指标远高于现有市场产品，但在大田作业工况下，则常发生误判、漏判、信号中断等问题。

3.2 建议

（1）多传感器融合，优化系统构成。传统监测探头多采用单一类型传感器，无论采用何种安装位置，都难以打破自身局限性。为此，应将多种感应方式融合，通过合理配置，可相互弥补对方缺陷，提高系统整体性能。例如可首先利用光谱传感器根据种、杂间的光谱差异进行初次区分，其后通过常规监测探头进行二次判定，从而增强识别效果，提高系统监测精度。

（2）提高传感器性能，配置防护装置。为提高监测系统环境适应性，首先应优化探头性能，选用穿透力、抗干扰能力更强的传感器，同时优化探头内各传感器间的空间排布与信号处理电路，从而滤除一般型干扰影响。对于较强干扰，需设计结构精简，具有强隔离性的防护装置，将监测系统与外部环境有效分隔，提升系统稳定性。

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