油菜宽幅播种作业监测系统设计与试验

丁幼春，陈礼源，董万静，王万超，刘晓东，王凯阳，刘伟鹏

油菜宽幅播种作业监测系统设计与试验

丁幼春，陈礼源，董万静，王万超，刘晓东，王凯阳，刘伟鹏

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

针对油菜宽幅播种作业过程中播量监测与漏播检测的问题，该研究设计了一种适用于宽幅播种的油菜播种监测系统。该监测系统由播种监测终端与种子流传感检测模块构成，可通过改变连接种子流传感检测模块的数量，适配不同作业幅宽的播种机。种子流传感检测模块将种子穿过感应面生成的单脉冲排种信号并传递给播种监测终端；播种监测终端利用I2C总线对端口扩展用于接收多路油菜种子的排种信号，并生成油菜排种过程的多路种子流排种时间间隔序列，用于实现各行播量、排种频率的计量，并依据相关国家标准对播种作业进行漏播判定。在播种监测终端内构建MariaDB服务器用于对播量、排种频率和漏播状态等播种状态信息进行实时存储、管理，为田间管理与处方作业提供支持。播种监测系统的台架试验表明，在排种频率不高于32.73 Hz时，播量监测的准确率不低于97%，满足播种监测的准确性要求；在排种器不产生严重漏播（漏播指数≤15%）时，漏播指数检测值与高精度的视觉检测试验台的最大偏差为2.21个百分点。结果表明播种监测系统对油菜播种的播种监测与漏播检测的准确性满足使用要求。田间试验表明针对油菜播种的田间播种播量监测准确率不低于96.5%，监测系统在田间作业环境下可稳定工作。该油菜播种监测系统为油菜播种的作业质量评价提供了技术支持。

农业机械；监测；漏播检测；油菜种子流；数据库

0 引 言

宽幅播种机具有工作幅宽广、作业效率高的特性，对提升油菜种植的规模化、播种的机械化水平具有积极意义[1-2]；油菜播种作业过程的播量统计、排种器工作性能检测有利于播种环节的透明化、智能化、信息化[3]。研究一种适用于油菜宽幅播种机的播种监测系统，实现播种过程中播量的监测, 对于提升油菜播种作业信息化程度，推动机械化播种作业质量发展具有重要的现实意义。

国内外专家学者和企业对播种监测系统做了大量的研究。Hadi等[4-7]基于种子流监测的红外激光二极管阵列传感器构建了田间播种监测装置和播种监测系统，实现了种子流量的测算。卢彩云等[8]基于CAN总线设计了一种小麦播种监测系统，并分别设计了播种监测模块与监测终端，用于对播种机系统故障的实时监测。赵立新等[9]通过变距光电传感器实现了对小麦精量播种与施肥实时监测，能作业过程中的种肥缺失、堵塞、泄漏快速警报。纪超等[10]设计了一种玉米排种质量监测系统，对玉米排种过程的漏播、重播等进行了监测。黄东岩等[11]基于GPS和GPRS技术实现玉米排种质量的远程监测。美国Precision Planting、意大利MC ELECTRONICS等[12-14]公司研制了可对小麦、玉米等大、中粒径种子的排种量、播种面积等播种过程状态进行实时监测的播种监测系统。上述研究与应用主要针对于玉米、小麦等种子的精量播种监测与排种器故障检测，且部分产品价格昂贵，难以适应以油菜为代表的小粒径种子的监测，但对油菜等小粒径播种监测系统的设计具有借鉴意义。

针对小粒径种子的播种监测系统，国内的研究者也进行了些探索性研究。邱兆美等[15]基于矩形红外面检测的光电传感器结合CMOS图像传感器设计了小粒径种子播种机作业质量监测系统,通过落种影像采集与光电传感器实现播种作业监测的可视化。胡飞等[16]通过光纤传感器基于LabVIEW设计了蔬菜精密播种监测系统，对不同类型的小粒径种子实现了单粒感应。丁幼春等[17-20]基于多种传感方式，结合nRF无线传输模式，设计了适用于小粒径种子的播种监测系统，实现了油菜精量播种作业质量与播种量的实时监测与计量，但缺乏排种相关信息的管理、存储模式与方法，难以对监测的播种信息进一步价值化。

目前国外内的播种监测系统难以适用于高效的宽幅油菜播种机。一方面，小粒径种子精量播种的播种作业质量监测的配套硬件成本往往远高于播种机价格，在宽幅播种中随着排种通道路数增加，传感装置数量的增多使得整套系统监测成本进一步上升，不利于监测系统在宽幅播种中的应用；另一方面，现有播种监测系统对多路并行监测的排种的信息管理模式还不完善，限制了播种监测系统在油菜播种作业中的应用。

综上分析，本文设计了一种多行并行监测的油菜播种监测系统，实现宽幅油菜播种作业的播量监测和漏播检测，通过构建本地数据库对播种监测过程数据进行存储与管理，并在2BFM-12油菜播种机上开展了田间试验，以期实现宽幅油菜播种机的田间播种质量监测。

1 油菜播种监测系统的组成

油菜播种监测系统结构如图1所示。系统由种子流传感检测模块与播种监测终端构成，油菜种子流传感装置安装于油菜精量排种器投种口下方的输种管道上，经由排种器排出的种子流通过种子流传感检测模块生成排种序列脉冲信号。播种监测终端通过对排种脉冲信号的边沿检测进行种子流的识别。油菜种子流传感装置与播种监测终端之间通过GX-12航空插座进行连接，传感装置将脉冲信号传输给监测终端，监测终端为传感装置的工作供电。监测终端内部通过信号传递电路对信号进行电平匹配，部分信号脉冲信号直接输入至GPIO引脚；部分信号经由I/O扩展模块通过I2C总线将脉冲信号传递给终端内部的树莓派3B+计算机。

2 系统硬件设计

2.1 种子流传感装置设计

文献[17]设计了一种小粒径种子流监测装置，该装置运用薄面激光发射模组对射到硅光电池的光被种子局部遮挡致使传感器两端电势差产生变化的响应特性，实现了种子流的感应。

基于该原理，本文重新设计了监测系统所适用的种子流传感检测模块，结合传感器底噪与种子经过感应区域所生成响应信号的幅频特性，对种子流传感检测模块所使用的种子流感应后电路进行了优化改进，以期进一步提高种子流感应电路的响应性能。

传感装置总体结构如图2所示，主要包括入种口、出种口、上导管、下导管、薄面激光发射器、硅光电池、信号处理电路板等。传感装置通过外部供电驱动薄面激光发射器与信号处理电路板工作，使由上导管穿越到下导管的种子被硅光电池所感知。

种子穿过薄面光层所需的时间与穿越光层时的速度相关，该速度来自排种器出种口处的下落带来的重力势能到动能的转化。忽略种子下落过程中空气阻力与管壁碰撞造成的速度损失，种子穿越光层的时间速度关系有：

解得种子穿越感应面的最长时间为

式中为种子的直径，为2.2 mm；为激光层的厚度，为1 mm；为重力加速度，取9.8 m/s2；为排种器出种口到传感装置的高度，不低于0.8 m。在此高度下计算得穿越光层的时间约为0.8 ms。实际排种过程中种子与管壁碰撞、摩擦会造成一定的动能损失，种子穿越感应面的时间一般在2 ms以内。

硅光电池两端的电压变化经由种子流感应电路经滤波、放大、电压比较、电平匹配等环节，形成与种子流相对应的排种脉冲序列信号，生成脉冲序列后将脉冲传输给监测终端。

基于上述环节设计了信号处理电路，如图3所示，种子流感应电路中增设低通滤波器以滤除信号所携带的高频杂波；利用光电耦合器TLP-521替换文献[17]是信号处理电路使用的单稳态触发器，通过调整光电耦合器的阴极限流电阻与发射极限流电阻之间的比例关系，对比较电路输出的信号方波的上升沿与下降沿的转化过程进行平滑，将信号转化为规整的方波。优化后的电路降低了单粒种子响应信号的电平变化持续时间，对油菜种子流，信号响应持续时间约为2 ms，响应持续时间较优化前降低了约30%，使得传感装置具有更好的响应性能。

2.2 播种监测终端与终端内部电路设计

考虑到系统功能的可拓展性，监测系统以树莓派3B+计算机为基础，通过GPIO的外部中断功能对排种脉冲序列信号进行监听，用于计算机对种子的感知。为实现监测系统对多路排种监测，通过并口扩展芯片PCF8574，基于I2C总线，使PCF8574的P0～P7对I/O端口进行扩展。PCF8574基于INT端口对P0～P7上接收的外部中断进行监听，当P0～P7中存在电平变化时，INT端口低电平触发，使GPIO.7端口触发外部中断，中断内通过对P0～P7端口状态的进行读取，判断产生信号的通道并记录中断生成时刻。PCF8574通过A0～A2端口对地址进配置，用于并口扩展芯片的多片挂载，I2C总线至多可读取64路信号的输入。本文以12路油菜宽幅播种监测为例，在播种监测终端内挂载1片PCF8574，通过I2C总线接收8路外部中断，GPIO引脚接收4路外部中断，用于实现12路的多行并行监测。

系统供电由内置12 V锂电池提供，可通过开关将电源切换至拖拉机蓄电池，用于监测终端内部电路与传感检测模块的供电。监测终端中，树莓派3 B+与触控显示屏的工作电压为5 V；PCF8574、TLP-521的供电电压为3.3 V。通过对电源进行降压的方式用于给各部件提供稳定的电压。选用VRB1205YMD为监测终端内部器件提供5 V供电，将电源的12 V电压降至5 V；选用K7803为监测终端内部器件提供3.3 V供电，将12 V的电压降低至3.3 V，通过在K7803的电源输入端串联10H的差模电感减小电源模块间的干扰。监测终端与种子流传感检测模块连接的接口为传感检测模块提供12 V的供电。

3 系统软件设计

监测系统的软件主要包括4个功能：系统的硬件驱动、播种状态数据处理、图形界面与触控交互与数据库播种信息管理。监测系统软件采用Python3编程。系统的硬件驱动程序通过接受外部中断信号实现系统对种子流的感知；播种状态数据处理程序定时更新各行的排种频率、漏播指数等播种信息；图形界面与触控交互程序设计了图形化界面和界面的交互逻辑用于播种信息的显示与通过触控点击进行交互；数据库播种信息管理程序基于MariaDB数据库实现播种信息的管理。整个系统的程序流程如图5所示。

程序首先对系统硬件与全局变量进行初始化设置,包括GPIO引脚的输入输出的初始化、图形界面的初始化与数据库的初始化。

系统的硬件驱动采用WiringPi的I/O引脚控制库对引脚的输入输出进行定义与初始化，各路中断通过分配独立线程的方式，并行处理外部中断的信号接收。通过排种脉冲序列的边沿变化的下降沿触发外部中断，中断函数记录对应种子穿越传感检测模块的感应面的排种时刻信息，并计算相邻两粒种子落下的时间间隔，将该时间间隔以列表的形式存入指定变量中，用于排种频率和漏播指数的计算，中断函数执行的时间为100～300s，其执行用时小于传感检测电路所生成的信号宽度，能满足多路并行监测的要求。

播种状态数据处理通过独立线程，每秒定时读取各路的播量与排种时间间隔序列，对排种频率和漏播指数等播种状态信息进行更新。对各行分别基于排种的时间间隔计算平均排种时间间隔，并参照国家标准GB/T 6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》[21]，以落种的时间间隔映射粒距关系，由程序计算漏播指数、合格指数等播种状态，对排种的漏播与重播进行判定，并判断漏播与重播的状态和程度。

图形界面与触控交互程序基于Pygame库对图形界面与触控交互逻辑进行设计与编写。通过触控点击触发按键中断更改界面索引值切换不同的界面，程序提供展示对应路的详细排种状况的二级界面与展示整体播量和当前排种频率概览的总界面。其中二级界面通过堆栈进出的方式，读取近240 s的排种频率信息并绘制排种频率的折线图，并展示对应通道的播量、排种频率、漏播和重播信息；总界面结合柱状图显示实时排种频率和排种总量。主界面“清零”按钮对各通道的信息进行复位，“保存”按钮生成.csv文件用于排种过程所记录的数据的导出和进一步分析。

播种信息管理采用MariaDB构建数据库对播种信息进行保存与管理，用于历史播种状态信息的查询与统计。依据当前时刻的播量、排种频率和一秒内的排种时间间隔，生成包含播种状态信息的SQL语句，通过pymysql执行对应SQL语句，完成将信息写入数据库的操作，每秒在数据库中插入1条数据。对播种状态信息写入数据库进行了设计，其数据的存储格式如表1所示。

表1 数据库中数据存储格式与含义

4 播种监测系统试验

4.1 台架试验设备与方法

试验所用的材料为中双11号油菜种子。试验主要使用的仪器包括离心式排种器[22-23]、气力式油菜精量排种器[24]、JPS-12计算机视觉排种性能检测试验台[25]、转速表、油菜播种监测系统、接种袋、计时器、SLY-C微电脑自动数粒仪（浙江托普仪器有限公司）。

为评估播种监测系统的播量监测与漏播检测的准确性，分别设计了播种监测系统播量监测台架试验与漏播检测台架试验。试验台架如图6所示。

4.1.1 播量监测台架试验

试验目的在于评估油菜播种监测系统的稳定性、可靠性以及多路并行监测的准确性，并基于试验结果进一步分析监测系统存在播量监测误差的原因。

选用有12个导种管的离心式排种器设定不同的转速进行排种监测试验，将种子流传感检测模块放置于离心式排种器下方，用软管连接导种管与种子流传感检测模块的入种口，使用接种袋收集通过检测模块的油菜种子。通过改变排种盘转速调节单位时间内的排种量的大小。为使排种器工作于正常排种频率区间范围内，分别设定转速为95、110、125 r/min。记录排种器运行时间和播种监测终端显示的排种粒数；采用人工数种的方式，获得每个接种袋中油菜种子的实际粒数。并通过监测播量与实际播量的差计算对应传感装置试验的监测准确率，用于评价播量监测的准确性。

4.1.2 漏播检测台架试验

为进一步评估播种监测系统对漏播检测的准确性，运用气力式油菜精量排种器进行排种，利用计算机视觉排种性能检测试验台在排种器稳定工作状态下测量漏播指数，并将获得的漏播指数与油菜播种监测系统测量的漏播指数进行对比。

试验选用40型孔的排种盘，调节排种器投种正压为400 Pa，吸种负压为1 400 Pa[24]，使排种器处于最佳工作状态。设定排种盘转速为20 r/min，利用视觉排种器试验台与配套的排种性能检测系统对处于稳定工作状态的排种器漏播指数进行测量，同时记录油菜播种监测系统所测算的漏播指数。排种性能检测系统和油菜播种监测系统在排种器处于稳定的工作状态下记录，重复3次，作为排种器正常工作状态下所测定的漏播指数结果。获取排种器正常工作状态下的漏播指数。随后通过人为堵塞排种盘部分型孔与调节排种器负压大小，造成排种器产生不同程度的漏播，重复上述漏播指数的记录过程。将试验台所获得的排种性能检测系统的测量结果与油菜播种监测系统所获得的漏播指数进行对比，用于评价本文所设计的油菜播种监测系统的漏播检测性能。

4.2 结果与分析

4.2.1 播量监测台架试验结果与分析

播种监测系统的播量监测台架试验结果（表2）表明：排种总量的监测值与实际值基本保持同步增大，台架试验过程中播量监测的准确率不低于97%，随着排种频率的增加，播量监测的准确率逐渐降低。其原因在于较高的排种频率会致使种子流会在传感装置内部发生碰撞，多粒种子同时穿越感应面的概率增大，感应区域产生混叠的概率上升，使得多粒种子被记为1粒。致使监测值比实际值整体偏小。系统播量监测的精度满足监测使用需求。

表2 排种器在不同转速下的播量监测结果

4.2.2 漏播检测台架试验结果分析

播种监测系统的漏播检测台架试验结果（表3）表明：播种监测系统能对正常工作状态下的漏播程度进行评估，排种器处于最佳工作状态时，播种监测系统漏播指数检测值与视觉检测试验台的最大偏差为1.73个百分点。

表3 排种器正常工作状态下漏播检测试验结果

进一步地，随着排种器漏播的产生，监测系统所测得的漏播指数随排种器实际漏播指数变化而变化。监测系统对油菜排种的漏播检测存在一定的系统误差，使漏播指数的检测值偏低。其原因在于播量监测的测量值小于实际值，使得测算的排种平均时间间隔偏高。这增加了漏播判定的阈值，使得漏播指数的检测值偏低。

表4 排种器经处理状态下漏播检测试验结果

上述试验表明：在不产生严重漏播（漏播指数≤15%）[26]时，漏播指数检测值的最大偏差为2.21个百分点，2套系统对于漏播检测的结果具有较好的一致性。上述结果表明，对于稳定工作的排种器，监测系统能依据测量的漏播指数较准确地判断漏播现象与漏播程度，用于对播种质量的评价与参考；对于工作性能异常的排种器，也能对是否处于漏播状态进行判定。

4.3 田间试验

4.3.1 设备与方法

为考察播种监测系统在田间复杂的工作状况下的工作稳定性与监测准确性，于2020年9月8日于湖北荆州监利容城镇开展播种监测田间试验。

试验设备为：东风井关T954-PVCY轮式拖拉机（动力输出功率≥66.2 kW，四轮驱动），2BMF-12型播种机、离心式排种器、油菜播种监测系统等。

在播种监测试验前，首先检验光照条件对种子流传感装置的影响。种箱内不放种子，利用塑料软管将检测装置入种口与排种器出种口逐一连接，使播种机处于田间静止状态，连接监测终端与传感装置，打开监测系统，在太阳光照、人为打光、人为遮挡自然光条件下进行测试，测试结果表明：在田间正常光照条件下，监测系统计数始终为0，田间正常光照条件对检测装置工作无影响。

进一步测试播种机在正常播种时产生的振动对监测系统检测的影响，种箱内不放种子，让播种机在田间以正常播种速度行驶40 m，模拟振动测试结果表明：在播种机行驶过程中，监测系统计数始终为0，上述测试表明田间正常的光照条件与播种机正常作业产生的震动对监测系统的工作无影响。

进一步检验监测系统田间监测的效果，在种箱中放入适量的油菜种子，通过接种袋收集输种管出口排出的油菜种子，监测终端置于拖拉机后方的播种机上。试验现场如图7所示。

试验参照农业农村部《2018-2019年度冬油菜生产技术指导意见》计算符合播种要求的排种频率。排种器的排种频率计算式为

式中为排种器的排种频率，Hz；为播量，kg/hm2；为播种机幅宽，m；为播种机工作行数；为种子的千粒质量，g；为播种机行进速度，m/s。

油菜符合农艺要求的播量为3～6 kg/hm2，结合播种机的正常工作速度2.0～3.6 km/h，作业幅宽2.5 m，在播种机正常工作的速度区间范围内，符合播种密度要求的排种频率为8.27～29.76 Hz。

通过调整电机转速调节器，调节播种机的排种频率，在拖拉机慢III档，约0.85 m/s的行进速度下，每个电机转速下进行1次试验，使得试验过程中的排种频率范围在播种密度要求的排种频率区间内。每次试验播种距离40 m，记录监测系统所检测的排种数量，并通过接种袋收集各次试验中所排出的油菜种子。后期进行人工数粒，与监测系统所得到的结果进行对照，通过监测播量与实际播量的差计算对应传感装置试验的监测准确率，用于对监测系统田间工作下的工作稳定性与可靠性进行评价。

4.3.2 试验结果

田间试验结果如表5所示。田间试验结果表明：8.96～28.16 Hz的排种频率范围时，监测系统对油菜播种量监测准确率保持在96.5%以上。在符合播种要求的排种频率下，播种监测系统在田间工作稳定可靠。

表5 油菜播种监测系统田间试验结果

5 结 论

本文设计了一种适用于宽幅播种机，面向联合作业播种的油菜播种监测系统，对监测系统进行了播量监测与漏播检测的性能试验，并在2BFM-12宽幅油菜播种机上开展了田间试验对系统工作的可靠性进行验证。

1）本文对种子流传感装置进行了改进，降低了单粒种子响应信号的电平变化持续时间，使得传感装置具有更好的响应性能。

2）本文的监测系统软件运用数据库技术对播种过程的信息进行管理，保存了播种机过程中的排种时刻序列，为播种数据的存储与管理的方法提供一种参考。

3）播种监测系统的台架试验与田间表明了播种监测系统工作稳定可靠，台架试验中，播量监测的准确性不低于97%；不产生严重漏播时，漏播指数的检测值与视觉检测试验台所测的偏差不高于2.21个百分点。田间试验中，油菜种子播量监测准确率不低于96.5%，系统在田间工作可靠, 田间光照和机具振动对监测无影响。

未来可结合高精度北斗定位技术与移动互联网技术，为田间的播种的播量图、漏播状态图与变量补种处方作业提供支持。

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Design and experiment of the sowing monitoring system for a wide-width rapeseed planter

Ding Youchun, Chen Liyuan, Dong Wanjing, Wang Wanchao, Liu Xiaodong, Wan Kaiyang, Liu Weipeng

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

Sowing is one of the most important processes in agricultural production. The efficiency and quality of sowing also dominate deeply the growth and yield of crops. Precision sowing in mechanized seeding aims to achieve a high yield of crops under reasonable planting density in recent years. It is highly urgent to accurately monitor the sowing amount, frequency, and work quality of planter for visualization and digitalization in precision sowing. A wide-width planter can be expected to significantly improve productivity during large-scale planting, especially for rapeseed production. However, most planters are difficult to adjust the working parameters suitable for agronomic requirements, because the real-time sowing frequency fails to be detected during the traditional sowing, particularly for the small seeds, such as rapeseed. Furthermore, the state-of-the-art precise sensors have increased the cost of the monitoring quite a lot. It is still lacking to deal with the real-time data during the sowing in the current system. In this study, a rapeseed sowing monitoring system was proposed for the wide-width planter (named 2BMF-12), thereby significantly improving the quality of planting scale and mechanized production. The quality of sowing was also evaluated during the rapeseed sowing. The 2BMF-12 planter was utilized to support up to 12 rows of sowing at the same time. The monitoring system included 12 seed-sensing devices and a detecting terminal. The seed-sensing devices were placed on the planter under the sowing pipe lines, in order to collect the information of seeds crossing the sensing area and generate electrical signals. The terminal received the electrical signals as external interrupts using multithreading I2C bus to expand ports, in order to receive more interrupts-channel at the same time. In this case, the terminal was designed to monitor 12 rows, where more rows were set under parallel connecting the chips, named PCF8574 on the I2C bus. Then, the sowing amount and frequency were measured for each row of the planter. The leakage and qualified index of sowing were thus counted, according to national standards. Local database was used to manage and store in the assigned table of the database once a second. MariaDB server was built in the sowing monitoring terminal for real-time storage and management parameters during the planters running, such as sowing amount, sowing frequency, the leakage, and qualified index. Bench and field tests showed that the seeding monitoring system was stable to real-time detect the status and leakage index during sowing. Specifically, the system error was 2.21 percentage points for the degree of leakage, while there was no severity leakage occurred in the planter. The accuracy rate of the monitoring system was not less than 96.5% for rapeseed sowing, suitable for the farm. This finding can provide for the quality evaluation of rape seeding operations in the future. It can be possible to combine with high-precision BeiDou positioning satellite and mobile internet, thereby supporting the sowing amount and leaking state maps generating for the sowing in the fields.

agricultural machinery; monitoring; loss sowing detection; rapeseed flow; database

丁幼春，陈礼源，董万静，等. 油菜宽幅播种作业监测系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(13)：38-45.

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.005 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Chen Liyuan, Dong Wanjing, et al. Design and experiment of the sowing monitoring system for a wide-width rapeseed planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 38-45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.005 http://www.tcsae.org

2021-03-19

2021-06-19

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；湖北省重点研发计划项目（2020BAB097）

丁幼春，博士，教授，博士生导师，研究方向为油菜机械化生产智能化技术与装备。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.005

S224.21

A

1002-6819(2021)-13-0038-08