玉米免耕播种机工作性能自动监测技术

解佰一,唐丽敏,李丽丽

(东丰县二龙山乡综合服务中心,吉林 东丰 136318)

0 引言

保护性耕作技术是指采用少耕和免耕等技术,减少对土壤翻耕的干扰,可以保护土壤理化结构和微生物生活环境,为作物提供良好的生长环境[1-3]。由于保护性耕作技术将秸秆残茬覆盖在土壤地表,容易对后续播种机械造成干扰,导致机械堵塞及排种困难等故障,进而影响播种质量,难以保证作物产量及品质。

为了提高免耕播种机工作质量,应设计一种免耕播种机工作性能检测系统,对免耕播种机工作质量和工作状态进行实时监测,当出现机械故障时及时报警,提高免耕播种质量与效率。

1 播种机械检测技术国内外研究现状

随着信息技术和电子技术的快速发展及广泛应用,农业机械化信息技术也得到了广泛应用,农业数据信息处理技术逐渐成熟。播种环节是农业生产中的基础环节,直接影响后续作物产量的提升,目前针对播种机械的智能监测技术逐渐趋于多样化发展,如光电感应技术和机器视觉技术等[4]。

1.1 国外发展进展

国外方面,欧洲部分国家、美国、加拿大等国家在播种机械检测技术方面处于领先地位。其中,德国、荷兰、瑞典等国家的播种机械制造商在技术研发方面具有很高的水平。例如,Kverneland Group公司推出了一种名为“IntelliSeed”的播种控制系统,可实现对种子的精确计量和投放,提高播种精度和效率。美国的约翰迪尔公司开发了一种称名“SeedStar”的播种控制系统,可以根据不同作物和播种条件进行自动调整;日本研发了一种基于光电感应技术的精密排种器排种检测装置,该装置可以通过精密控制种子下落的时间和角度,实现精准的种植。具体来说,该装置通过内置的光电感应器,能够实时监测种子的下落情况,并通过微调控制种子下落时间和角度,保证种子精准地落在目标位置。这种精密排种器排种检测装置主要应用于高精度农业种植,如蔬菜、水果等作物的种植。相比传统的手工播种方式,该装置可以大幅提高种植的准确性和效率,同时减少人工劳动强度和成本。此外,该装置还可以配合GPS、地理信息系统等技术,实现更加精准的农业种植管理。

1.2 国内研究现状

国内方面播种机械检测技术也取得了一定的进展。各大农机厂商如中联重科、一拖集团、山东金普、河北金邦等纷纷推出了自动化播种机械,并在播种机械控制系统的研发方面进行了一系列尝试。同时,各大农业高校和科研机构也积极探索播种机械检测技术。例如,中国农业大学的王德根教授团队研发了一种基于图像处理和机器学习的玉米种子数量检测系统,可以实现对播种数量的实时监测和调整。该系统利用高分辨率相机对播种后的玉米种子进行拍照,然后采用图像处理和机器学习技术实现对种子数量的实时监测和调整,从而确保播种质量和效率。这些机械利用传感器、控制器、执行机构等技术实现了播种深度、种子间距、播种速度等参数的自动化控制。

综上所述,播种机械检测技术在国内外都得到了广泛的关注和应用。未来,随着人工智能、云计算等技术的不断发展,播种机械检测技术将会更加成熟和智能化,为农业生产的高效、精准、可持续发展提供更多支持。

2 虚拟仪器技术

随着农业生产向精准化、智能化和信息化方向发展,机械播种质量逐渐提高,但是由于检测设备与仪器质量及工作性能参差不齐,不能很好地满足农业生产要求。针对以上问题,虚拟仪器技术应运而生。

2.1 概念

虚拟仪器技术(Virtual Instrument,VI)是由美国国家仪器公司在1986年提出的新的仪器开发概念,主要是指利用高性能的模块化硬件,基于高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用[5-6]。灵活高效的软件能够为用户创建完全自定义的用户界面,模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成,满足对同步和定时应用的需求,用户可以通过自行设置和调节虚拟仪器等工作参数满足自身测控需求,利用显示模块实现人机交互功能,具有性能高、扩展性强、开发时间少,以及出色的集成等应用优势[7]。

与传统仪器相比,虚拟仪器的使用更加灵活和便捷,可以自由组合硬件和软件,实现仪器设备功能的多样性,可以降低系统开发时间和生产成本。例如使用USB等无线局域网络等多种方式实现与外接设备的连接和信息传输,保证数据传输的便捷性,避免传统仪器使用过程中由于单一连接方式限制了系统与外接设备连接的不便性。传统仪器与虚拟仪器的特点对比如表3所示。本研究选取美国国家仪器公司研发的LabVIEW用于虚拟仪器的技术开发,在程序开发过程中可以使用流程图作为程序编写手段。

表3 传统仪器与虚拟仪器的特点分析

2.2 应用现状

虚拟仪器技术因其开发周期短、使用成本低及灵活性强等应用优势在农业工程领域已经得到了广泛的应用与发展。如北京林业大学基于LabVIEW软件进行农业机械发动机故障检测;中国农业大学基于LabVIEW软件设计一种谷物收获及故障判别系统,可以实时获取谷物联合收获机相关工作参数,如谷物喂入量、机器行进速度和谷物损失量等;东北农业大学基于LabVIEW软件和ZigBee系统设计一种温室远程监控系统,实现温室环境中环境信息和土壤信息的自动监测。

3 系统设计方案及硬件选择

3.1 电容式接近开关传感器

电容式接近开关传感器安装在免耕播种机的排种器金属铁管中,可以沿着金属铁管调节其安装高度,主要用于播种过程中播种质量检测。该传感器由振荡电路、放大电路和开关电路组成,当种子进入感应区域后,振荡器在磁场作用下发生变化,并通过A-D转换将信号传递给数据采集设备。

3.2 拉压力传感器

压力传感器安装在播种机种箱侧壁。本研究选择S型拉压力传感器测定播种机牵引阻力,传感器型号为HSTL-BLSM,其主要技术参数如表4所示。

表4 HSTL-BLSM拉压力传感器技术参数

3.3 上位PC机

由于LabVIEW虚拟仪器程序占用内存较小,本研究采用有线传输的方式与免耕播种机连接,选择便携式笔记本PC机,型号为联想Thinkbook14(01CD),操作系统为Windows10,内存容量为8 GB,CPU类型为Intel i7,内存类型为DDR4。

4 田间试验

4.1 试验方法

本研究以玉米播种为研究对象,配套拖拉机动力为6.5 kW,可以同时进行2行玉米免耕播种作业,稳定田间作业速度为2～5 km·h-1,种子播深为30～35 mm。播种小区长度为40 m,播种间距为400 mm,播种量参数为520 kg·hm-2。

4.2 结果与分析

种箱排空检测结果如表5所示,每次试验重复三次,结果表明,系统可以对玉米免耕播种作业过程中种箱排空检测准确率达到100%,能够精准地对机具故障位置进行报警。

表5 玉米免耕播种机种箱排空试验结果

播种质量检测指标主要包括重播率和漏播率,试验过程中以人工计数为对照,试验结果如表6所示。结果表明,系统对重播率的测定精度为97.4%,对漏播率的测定精度为98.1%,检测精度可以满足田间生产要求。

表6 播种质量试验结果

5 结论与展望

本研究针对保护性耕作后免耕播种影响后续播种质量,基于LabVIEW虚拟仪器平台设以一种免耕播种机工作性能监测系统,对关键部件进行设计与选型,并通过田间试验验证系统的工作稳定性,主要测定指标包括重播率和漏播率等,并且系统能够准确地对种箱排空情况进行报警。研究结果可以为免耕播种机的设计提供技术参考。

未来,应增加更多指标检测项目,如施肥质量和施肥深度等,增强传感器的田间抗干扰能力,消除田间环境对传感器的干扰,提高信号传输精度与数据传输稳定性要求。