玉米精密播种机监控系统设计

赵淑英，王爱仁

(梨树县梨树镇综合服务中心,吉林 梨树 136500)

0 引言

随着我国农业机械化水平的逐渐提升，精量播种机已经被广泛应用于农业生产中，对于提高农业生产效率具有重要意义。传统的玉米精密播种机多采用链条驱动排种器进行玉米播种，当作业不稳定时容易造成链条跳动导致播种质量下降，播种均匀性较差，影响后续玉米标准化种植与播种质量的提高。在进行玉米精密播种时，容易出现播种参数不一致、种肥箱排空或杂物堵塞排种管等现象，易造成玉米播种效率低下，影响后续玉米产量的提高。要想进一步提高玉米精密播种质量与效率，应完善玉米精密播种机的实时监控技术，对玉米播种参数进行实时监控。

针对以上问题，研究设计了一款GNSS玉米精密播种机监控系统，基于工业控制系统实现人机交互，操作人员可以实时监测玉米精密播种机的播种技术参数，如株距、播量等信息，当出现播种不稳定时，可以进行及时调整，该设计基于Android系统，可以通过关联的手机APP实现网络通信，实现通过手机进行远程监控，提高农业生产效率，优化管理方式。

1 玉米精密播种机监控系统发展现状

目前，国内外在发展作物精密播种机工作性能及结构优化的同时，正在逐步提升精密播种机的通用性、可靠性及智能化发展需求，如研制通用性更高的作物精密播种机，在进行不同作物播种时只需要更换相应的作物排种器即可，还可以满足不同种植模式下的作物播种需求，为了防止精密播种机在田间作业时由于机械故障、排种管堵塞、土壤条件影响等造成重播、漏播等，应加强精密播种机监控系统的设计。精密播种机的监控主要通过传感器对精密播种机的工作情况进行实时监控，并且通过不同的警报方式对异常工作状况进行提醒，及时反映出机器的故障类型及发生位置，提高工作可靠性，减少播种损失。目前常见的监控系统类型包括机械监控装置及电子信息装置2种类型。

1.1 机械监控装置

机械式监控装置是一种较为传统的监控系统类型之一，利用机械元件对运行故障报警，主要是以响声进行报警，但是由于农田作业环境较为恶劣，机器本身在运行过程中噪声较大，易造成操作人员不能及时发现故障。

1.2 电子信息装置

现阶段的电子信息装置主要是采用声音报警或者警示灯报警，在精密播种机安装监控系统，如光电传感器、报警控制信号等，将播种机监控系统中的机器运行状况转变为电信号传送到控制中心进行处理，当发现播种故障时，进行声音或者光电报警。

2 玉米精密播种机监控系统的设计

玉米精密播种机关键组成部件如图1所示，主要由通信终端设备、通信服务装置、GNSS通信模块、GNSS北斗接收天线、电脑、控制系统、驱动电机及玉米精密排种器等组成。

1.通信终端设备；2.通信服务装置；3.GNSS通信模块；4. GNSS北斗接收天线；5.工业电脑；6.控制系统；7.驱动电机；8.玉米精密排种器

3 玉米精密播种机监控系统硬件设计

3.1 硬件系统的基本组成

为了提高玉米精密播种机监控系统中各个部件的信息传输能力，在进行监控系统设计时，采用工业电脑作为控制中心，技术参数如表1所示。工业电脑具有模块化层次控制器，采用分层模块化结构设计，主要包括硬件驱动层、控制核心层及应用层，各个模块之间相互协同共同达到功能目标。

表1 工业电脑技术参数

主控芯片型号为STC12C516AD，具有运行速度快、能耗低等优势，可以满足多方位双向通信，可以对玉米精密播种机监控系统中的信号进行处理，其功能结构如图2所示。

图2 玉米精密播种机监控系统下位机功能示意图

3.2 无线通信系统

无线通信装置主要是保证终端无线传输中的数据安全，目前，常见无线通信技术有红外线、蓝牙、GPRS、CDMA1X等。在本研究中，选择泽耀AS32无线模块作为无线通信协议设备，主要是将上位机的各项控制信号传递到下位机，并将下位机的车辆工作状态及工作参数向上位机传递，保证数据双向传输的稳定性与安全性，数据传送为标准通用格式。

3.3 GNSS测试单元

GNSS为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)，它泛指所有的卫星导航系统，主要包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo及中国的北斗卫星导航系统。在玉米精密播种机的监控系统中，GNSS测试单元通过USB接口连接至工业电脑控制中心，经过对玉米播种参数及相关控制信号进行解析后传递给下位机。

4 玉米精密播种机监控系统软件部分设计

4.1 实时监测系统

玉米播种机实时监测系统主要是对玉米播种装置相关参数进行监测，如速度、播种参数等信号，并实时向下位机发送信息，主要包括数据采集模块、数据分析模块及技术参数设置模块等，并通过触摸屏显示信息，当遇到异常信息时会及时报警通知操作人员，便于及时进行故障处理。数据采集模块主要包括对玉米播种量、漏播量、重播量进行分析；数据分析模块主要包括对玉米播深、株距、播种总量及作业面积等参数进行分析；技术参数设置主要包括对玉米精密播种行距、株距、株数、施肥量等进行设置。信息监控流程如图3所示。

图3 田间数据监测结构示意图

4.2 客户端监测系统

客户端监测系统主要是对玉米精密播种机田间统计数据进行分析，并传输至操作人员客户终端，便于生产管理人员及时掌握玉米精密播种机田间作业情况。

4.3 服务器终端监测系统

玉米精密播种机终端监测系统，主要用于存储田间实时监测数据，并负责将数据在监测系统与手机终端进行信息交互，系统服务器采用云端存储服务器，便于实现数据的存储与实时调度。

5 玉米精密播种机监控系统性能研究

玉米精密播种机监控系统性能检测指标主要包括监控系统响应时间性能分析、功率消耗性能分析、控制算法性能分析等。

5.1 响应时间性能分析

玉米精密播种机监控系统中各个零部件在进行工作及数据传输时会存在一定的迟滞，导致各个零部件存在一定的反应时间与延后。响应时间会直接影响玉米精密播种机的工作效率，如果响应时间过长，会导致玉米精密播种机出现漏播率、重播率增加，因此，对玉米精密播种机响应时间进行优化与验证，对于提高精密播种机的工作合格率具有重要作用与意义。

在进行玉米播种机监控系统响应时间的检验时，首先应构建检测电路结构，在上位机发出相关数据及信号时，开始计算下位机接收到脉冲信号所需的时间，计算如式(1)所示

(1)

式中n—驱动电机同步转速，r·min-1；

v′—播种机车前进速度，km·h-1；

l—播种间距，cm；

s—播种机种盘上吸种孔数量，个；

k—排种器种盘与驱动电机齿轮变比。

5.2 功率消耗性能分析

目前，常见的玉米精密播种机多是通过牵引拖拉机提供动力，要求玉米精密播种机排种装置的驱动电机能根据牵引机的速度进行实时调节转速，因此，对精密播种及排种器功率消耗进行性能分析，合理分配牵引车动力，是精密播种机合理运行的基础条件之一。测定一台玉米精密播种机在不同排种转速下的功率消耗，机器前进速度与排种盘转速关系如式(2)所示。根据玉米播种机不同的牵引速度机对应的排种盘转速进行对比分析，确定检测系统消耗功率是否分配合理。

(2)

式中n1—排种器转速，r·min-1；

v′—播种机车前进速度，km·h-1；

l—播种间距，cm；

s—播种机种盘上吸种孔数量，个。

6 结论

针对目前玉米精密播种机在田间作业过程中容易出现重播、漏播及堵塞等故障，为进一步提高玉米精密播种机的田间作业效率，在分析目前国内外精密播种机监测系统技术特征的基础上，设计研发了一种玉米精密播种机监控系统，以工业电脑作为控制核心，在GNSS下实现数据通信，并提出相关玉米精密播种机性能检测参数，研究结果以期为提升我国玉米精密播种机作业效率及质量提供技术参考。