智能播种监测装置的研究进展

候玉强，李俊伟，徐洛川，杨光旭，康亚鹏，许云涛，张亮亮

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

0 引言

目前我国农业正由粗放型经济转向生态型经济，在“强化农业科技和装备支撑，建设智慧农业”的远景目标下，随着农业机械和智能检测技术的高度融合，传统农业机械正在向高效化、无人化、智能化发展，然而我国粮食生产量与世界先进农业国家的差距依然巨大[1]，因此如何提高农业生产的质量、规范和配置能力等成为我国农业稳健发展的关键。

在农业生产中，精准精量播种作为提高农业生产质量、规范农业生产和配置土地的主要方式之一备受关注。国内外学者针对播种器械在田间复杂工况下的重播、漏播、充种管堵塞和种箱排空等播种问题[2-3]基于不同类型的传感器构建了相应排种器和作物播种监测装置，实现了对其播种量、播种粒距和播种频率的获取。

本文针对国内外播种监测装置的研究对象、系统工作原理和结构以及播种性能指标等三个方面进行阐述，分析当前播种监测装置研究中遇到的技术问题并展望新时期播种检测装置的发展方向。

1 光电式监测法

光电式播种监测法的应用较为广泛，该方法以发光器件和光电感知元件获取种子流信息，通过调理电路分析处理，一般以粒距、播种数、播种频率等作为其性能指标。

国外部分学者通过对置式的光电器件实现了对导种管内的种子流进行检测，获取种子播种粒距和播种数等播种参数，并通过指示灯、蜂鸣器等实现重漏播播种故障的声光报警。其中Karimi等[4]通过光敏二极管开发出红外传感播种监测系统，实现对导种管内种子流质量和流量的监测。Hadi等[5]通过红外激光二极管阵列传感器构建播种监测装置和播种监测系统，实现播种监测。此外，MC Electronics、AEE 企业通过对射式红外光电传感器[6]和光电传感器[7]构建播种监测装置，实现了对小麦、玉米等大中粒径种子的精准监测，成功获取排种总量、漏播率、播种面积、株距和单位面积播量等参数，并通过语音和指示灯等方式实现人机交互，从而实现对漏播等播种故障的报警。

国内对光电式播种监测装置的研究也有一定进展，其中张甜等[8]通过光纤计数式传感器构建了油菜精量排种器监测系统（图1），解决了速度过高导致的检测精度不高的问题。徐春保等[9]通过薄面光折射式构建多通道并行检测装置对导种管内的小麦种子流进行检测，获取排种量和排种总量等性能指标，实现了小麦高频种子流的精准检测和漏播故障报警。王在满等[10]通过环形布置面源式光电传感器构建了水稻穴直播监测系统，基本实现了不同工作转速条件下的不同尺寸水稻的播种监测，但由于种子重叠导致系统监测精度不高。贾洪雷等[11]通过凹形光电传感器和光电旋转编码器构建播种监测装置，实现对吸种信息的获取和定位。解春季等[12]以红外光电的方式实现播种监测，获取了播种量、合格率、漏播率、重播率等参数。史智兴等[13]采用红光半导体激光二极管（RLD）和硅光电池构造了一种高覆盖率的排种传感器，实现了对不同体积种子的准确监测。

图1 传感器装置

光电式播种监测方法结构简单、自动化程度较高，但是由于田间作业环境复杂，其工作稳定性和监测精度不高且易受外界影响。其中大部分学者通过选择不同类型的光电传感器实现对导种管内不同作物种子流的在线监测，但一些学者通过“光电式传感器+编码装置”实现了对取种盘状态的判定和定位。

2 电容式监测法

电容式播种监测法相较于光电式监测法具有一定的抗尘和抗干扰能力，能够对重叠种子进行辨识。该类型传感器一般以极板结构为主，工作时对极板施加一定激励电压，当被检测对象运动经过极板产生的电场区域时引起极板检测区域的等效介电常数的变化，从而引起输出电容变化，据此采集并分析处理该信号，从而获取相关播种信息。

国内外电容检测的研究主要集中于含水率测算和探伤等，其中JavadTaghinezhad 等[14]通过矩形平行板电容器传感器构建甘蔗排种器播种监测系统，对甘蔗播种粒距均匀性进行监测，获取其作业过程中的漏播指数与重播指数。徐洛川等[15]基于棉种与所测电容值的数值关系建立预测模型，构建棉种散粒物料的播种监测装置。

国内关于电容检测的研究也较多，其中朱亮等[16]通过空间电容器构建排种状态监测系统（图2），改善传统排种监测装置因环境灰尘而引起的不稳定等问题，实现对正常、漏播和重播的判定。陈建国等[17]通过对置式平行极板电容传感器构建小麦直穴播监测系统并进行试验设计，提出差分动态阈值法检测其播种量，实现对其精准检测。田雷等[18]采用E型电容传感器构建播种监测装置，实现对其作业过程中的漏播或排种管堵塞等播种故障的监测。周利明等[19]基于散粒物料的介电特性开发出一种排种器性能监测系统，用于获取播种工况下的排种量、漏播量及重播量等性能指标。王宇清等[20]通过非接触式电容传感器构建新型精密播种机的播种性能监测系统，实现了种子流的精准检测及对种箱排空、输种管堵塞等播种故障的声光报警。

图2 试验台

综上所述，电容式播种监测法虽然具有一定的抗尘和抗干扰能力，能够实现对多粒种子的准确判定，但其易受振动、温度和外部电容电感的影响。

3 “机器视觉+数字图像处理”监测法

“机器视觉+图像处理”作为可视化检测技术之一在国内外一直备受关注。该方法通过高速摄像追踪种子的运动轨迹，并通过相关数字图像处理方法实时获取其运动时间和空间位置等信息，随后利用先进数字图像处理技术获取粒距等播种参数，从而实现对重漏播等播种故障的报警。

其中A.A.Borja 等[21]通过机器视觉技术对特定区域内玉米作物的特征进行获取并记录，实现对种子间距均匀性和落种速度的准确测算。Cognex企业[22]通过“机器视觉+数字图像处理”构建系统并对整套系统装置的性能进行试验，实现对目标对象的自动监测。

国内部分学者通过算法优化实现了对不同作物种子流的监测。其中曹叶等[23]通过LabVIEW设计了基于计算机视觉的精密排种器的监测系统，实现了对种子图像坐标的获取。韩国鑫等[24]针对水稻穴直播过程中人工监测困难等问题开发了基于运动图像处理技术的播种监测系统，实现了对播种量和作业质量的实时监测。董文浩等[25]通过嵌入式机器视觉的检测和控制装置设计了杂交稻低播量检控装置，实时采集播种后种子图像，实现恒量播种。康世英等[26]通过机器视觉技术建立了粮种颗粒自动化监测系统，通过试验对照分析验证了该系统的可行性。王桂莲等[27]通过构建“CCD摄像装置+图像处理”装置（图3）实现了秧盘位置的定位和空穴位置的动态补种。李润涛等[28]利用“CCD 摄像机+光纤传感器”对动态种子流的运动轨迹进行记录，测出排种器的相关性能指标。徐彦兰等[29]基于种子坐标监测和平稳随机过程提出自动化排种器性能监测方法，进一步阐述了试验目的、试验监测系统、试验设计以及试验实施方法。李朋飞等[30]针对重播、漏播、播种性能不稳定等问题通过机器视觉技术构建穴盘精量播种监测系统，实现了对玉米播种状态的精准监测。

图3 水稻秧盘育秧智能补种装置结构示意

“机器视觉+数字图像处理”技术在农业领域的应用较为广泛，对精准农业和智能农业的发展具有重要意义，但是由于硬件设施成本和工作环境要求制约，该监测技术目前仍处于试验阶段，未能完全推广和应用。

4 压电式监测法

光电式、电容式和“机器视觉+数字图像处理”均为典型的非接触播种监测方法，而压电式监测法是接触式播种监测技术，该类型传感器通过压电薄膜等压力传感器采集种粒下落冲击力，将压力值转变为电压脉冲信号。

孙国俊等[31]通过PVDF 双压电薄膜传感器构建了播种机性能监测系统，设置参照压电薄膜，基于迟滞原理通过“逻辑运算模块+施密特电路”消除比较器抖动干扰，滤除外部振动信号干扰，实现对玉米精量排种器排种合格率、重播率、漏播率等性能参数的监测。王金武等[32]以弹射式耳勺型水稻穴直播排种器为研究对象，通过PVDF 压电薄膜和ATmega328PMCU 控制器构建水稻穴直播监测系统，设计相应导种管确定播种故障判定算法，该系统能够有效采集输出信号并获取系统重播监测精度和漏播监测精度等。丁幼春等[33]以小粒径种子流为研究对象，设计油菜排种器种子流监测装置，通过种子与压电薄膜之间碰撞信号特征设计了“沉槽基板+压电薄膜感应结构”，实现对高频种子流的检测，提高了系统的稳定性。黄东岩[34]等通过聚偏二氟乙烯（polyvinylidencefluoride，PVDF）压电薄膜和单片机ST C89C52 构建排种监测系统（图4），将落粒物理量输出为脉冲电压信号，实现对排种器的实时监测。

图4 系统框图

压电式监测法具有成本低、结构简单、抗尘能力强等优点，但由于其易受外部振动的影响，对安装方式要求较高，此外该方法无法准确分辨同时、多粒状态的接触种子流，因而仅适用于漏播监测。

5 未来发展趋势

随着先进检测方法的完善和创新，国内学者基于现有农业机械结构和工作特点构建播种监测装置，实现了对不同类型排种器、不同作物的在线排种监测，为实现农业生产高质量发展提供技术支持，但大部分播种监测装置存在高频、高通量、播种检测分辨率不高且作物兼容性不强的问题。

随着农业机械的不断优化和发展，高频、宽幅必将成为其未来的发展趋势，为实现高频、高通种子流的精准检测，应对相应播种检测装置的传感器元件和信号处理电路进行优化，提高其检测效率，此外应开展将高频、高通量种子流分为多路低通量种子流的研究，从而实现其精准检测。