播种机监控系统技术研究现状与展望*

陈锦，刘云强，王威，王璐，刘立晶

(1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司,北京市,100083;2.农业装备技术全国重点实验室,北京市,100083)

0 引言

播种是粮食生产中的重要环节,播种质量的好坏,直接影响种子生长发育的土壤环境,进而影响作物产量。由于播种机在作业时,播种过程具有全封闭的特点,若播种过程中出现意外情况而未及时消除,就会影响播种质量,甚至造成农作物大幅减产。为确保播种机的播种质量,可利用现代测控技术对播种机各部件的工作状况进行监控。

随着智能化控制技术的不断发展,国内外学者对其在播种机上的应用做了大量研究,并取得了很大进步。比如,现阶段播种机排种系统的驱动主要为机械传动,通过地轮传递动力至排种轴,继而驱动排种器进行播种。这种传动方式缺点为地轮容易打滑,导致漏排种,进而影响播种机的播种质量。随着电驱技术的发展,采用电机驱动排种轴转动即可避免这种现象的发生[1]。由此可见,应用现代农业智能化和信息化技术,可提高播种质量,带来良好的经济效益和社会效益[2]。

目前我国大多数播种机上的监控系统主要由控制器、人机交互界面以及各种传感器组成。控制器是整个控制系统的核心部件,主要实现数据的收发和处理。人机交互界面是驾驶员操作控制系统的媒介,主要进行系统的监控和数据的输入。传感器可对机具的工作状况进行检测,并将数据传输给控制器。控制系统的工作流程为：驾驶员在驾驶室内的人机界面上输入播种机的各项作业参数,然后主控制器传输信号控制工作部件开始工作,安装在机体上的传感器对工作部件进行实时监测,并将所得数据显示在驾驶室显示屏上。

国内播种机在机械结构与设计等方面与国外的差距已明显缩小,然而,在智能化程度上还远远落后[3]。本文归纳总结了国内外播种机监控系统技术研究应用与现状,对现有的研究进行总结,以期为该领域工作者提供参考。

1 国外播种机监控系统技术研究现状

20世纪80年代初,西方国家就已开始将电子技术用于播种机的流量检测、水分检测以及位置获取等方面[4]。

在种肥流量的检测方面,国外学者做了很多相关研究,如Karimi等[5]利用声卡系统进行种子下落的计数和检测,在种子前方放置钢板,种子每次撞击到钢板时,麦克风便会感测到撞击发出的声音进而引起电压上升,通过采集上升的电压值实现对种子的计数,然后用MatLab对采集到的数据进行处理。这种声学采集方式相比于带状采集可以获得近乎无限量的数据,消除了种子滑动或弹跳的风险,且更能节省工作时间,提升工作效率。Karimi等[6]还通过设计实验装置,对比研究了激光二极管、红外传感器和光敏电阻传感单元三者对种子流量监测的效果,结果表明,红外传感器的效果相对其他两种来说是最优的,更适合用于种子流量的检测。在传感器的选择方面,Taghinezhad[7]采用平行板电容式传感器进行播种机均匀性的测量,并将测量结果显示在显示屏上。在土壤水分监测以及播深控制方面,Mander等[8]通过使用电容式土壤水分传感器,将含水量转化为电压量进行获取,继而可对土壤中水分的入渗速率,排水以及使用情况进行监测。Nielsen等[9]通过传感与控制系统来保持播种机恒定的播种深度,并对整个系统进行了测试。在播种机的位置获取方面,GPS卫星定位技术以及各种辅助导航系统也得到了应用。Leemans等[10]通过利用机器视觉,设计了一种精密播种机的辅助导航系统,分析了该机构与控制算法的性能,并进行了田间试验。

综上所述,国外对播种机监控技术的研究起步较早,技术已发展较为成熟,多种不同类型的监控系统在播种机上得到广泛应用。

2 国内播种机监控系统技术研究现状

我国自20世纪末才开始将监控系统应用到播种机上,落后于西方国家,且监控系统只用于精密播种上。条播的种子流量监测,种子下落时间等还处于试验室研究阶段。近年来我国在精密播种监控方面研究进展很快,符合我们国情的各种监控系统相继出现[4,11-13]。目前各项组成部分的技术与应用情况如下。

2.1 控制器

由于农业机械工作环境复杂多样,因此根据不同的需求选择合适的控制器变得尤为关键。许多控制器都可实现所需的功能,我国现有的播种机控制系统中控制器分为以下几类(表1)。

表1 播种监控系统控制器比较分析Tab.1 Comparison and analysis of the controller of sowing monitoring system

表2 常用测速传感器性能对比Tab.2 Performance comparison of commonly used speed sensors

单片机由于其数据处理能力强,学习门槛低,在农业机械控制中应用十分广泛。雷小龙等[14]利用Arduino单片机作为主控制器,利用HC-06蓝牙模块和串口通信作为数据传输方式,将信息数据传输到控制处理器,利用Android终端进行播种作业参数的设置。杨硕等[15]利用STM32F105RBT6为核心,利用Keil5软件进行编程,实现播种环境的气压读取、落种检测等功能。

可编程控制器PLC(Programmable Logic Controller)由于其稳定的性能,入门较为容易,在工业控制中得到了广泛的应用,在农业机械的控制领域也受到了众多学者的青睐。杨硕等[15]利用集成控制器TTC580通过频率采集端口对车速和电动机转子的位置进行采集,通过电压输出端口控制电机驱动器,进而控制排种轴电机的转速。

此外,嵌入式Linux控制系统也在农机控制领域得到了应用。王丽娟等采用ZigBee进行无线通信,将传感器采集到的信息传送到嵌入式Linux系统中进行数据分析,可以满足高精度播种的需求。

2.2 人机交互界面

在机手进行田间作业时,通过在驾驶室安装人机交互界面,可以使驾驶员实时了解机器的作业情况,方便应对各种突发情况。人机交互界面是操作者与控制系统交换信息的桥梁,在该领域已经有诸多方式可以实现人机交互。

由于移动端的发展,手机功能变得越来越强大,因此,很多学者在手机上开发App进行农机具的远程监测,方便进行实时控制。丁友强等[16]采用Android studio进行软件系统的开发,播种机作业时,可通过手机或平板实时观测作业参数,并可通过移动端进行作业参数的调整和控制。

由于单片机用户基础良好,而串口屏可直接与单片机等控制器实现串口通信,易于进行人机交互,开发简单,设计上较为灵活,因此也得到了广泛应用。但是其总体售价较高,继而制约了它的推广。刘婉茹等采用mini dgus系列的Amt48320m035-06wt型串口触摸屏,存储模块采用i2c协议,可以在界面内观测调整小麦播种的各种作业参数,从而对播种机进行实时的调整。

组态屏主要应用于工业控制领域,由于其使用灵活,反应速度快,因此在农机领域也得到了应用。陈进等[17]利用三菱GT12型触摸屏作为上位机,与三菱FX2N型PLC进行通信,采用Kingview6.5进行软件开发,控制机械手进行循环吸、排种,提高了育秧播种机的工作效率。张伏等[18]利用MCGS触摸屏对PID控制器进行控制,并通过传感器对播种机进行检测,对播种机进行实时的检测与调整。

由于计算机的发展以及应用场合的不同,很多学者直接在计算机终端进行上位机界面的开发。高原源等[19]开发了基于LabVIEW的上位机画面,通过电子控制单元采集传感器的信号并上传到上位机,并通过所建模型实时显示播种深度。白慧娟等[20]采用IEI Ikarp型车载计算机,采用Lab Windows CVI2012软件进行软件界面的开发和设计,通过计算机终端显示当前下压力和镇压力的具体数值,并可对该数值进行实时修改和调整。高原源等[21]采用CODESYS作为PLC的编程工具,使用其自带的CODESYS Visualization功能进行显示器的开发,实现了对播种机作业参数的检测和控制。

采用与单片机配套使用的LCD液晶屏也可进行简单信息的显示,功耗低,体积较小,显示信息量大,但电路较为复杂。靳晓波[22]结合工作环境的实际状况,采用LCD12864液晶显示屏和矩阵按键进行控制和检测,该液晶屏为串口工作方式,系统正常工作时液晶屏上显示正常的工作参数,当系统出现异常时,对应的LED等闪烁,还可通过矩阵按键对工作部件进行快捷设置。

2.3 传感检测装置

在播种机作业的过程中,需要通过传感检测装置对播种机的各项参数进行实时监测,并将检测到的数据显示在人机交互界面上。现有播种机主要通过各种传感器对排种轴转速、作业速度、种子单粒下落数目、种肥箱的料位、播种机定位等进行监测。

排种器是播种机的核心部件,众多学者将各种传感器应用在了排种轴的速度监测上。各种传感器由于其原理与性能的不同被应用在不同的场合。蒋春燕[23]在拖拉机前轮上贴上磁钢,利用霍尔传感器检测探头周围的磁场强度变化,通过计算传感器发出的脉冲数便可以得出播种机的前进速度。张春岭等[24]采用雷达测速仪,通过采集发射与接收的频率差来检测播种作业速度。杨程等[25]利用干簧管传感器进行行进速度的采集,提高了速度采集的精度。使用编码器等可以准确获得电机的转速,但由于地面崎岖不平等因素,会对播种机实际速度的测量造成影响。因此,有学者利用卫星定位系统直接进行机具的测速,可有效避免这一现象的发生。

卫星定位系统能够为农业机械设备提供了精确的导航[26],并能及时矫正存在的偏差[27]。操作员可以通过它进行播种机路径的规划,并实时获取播种机的位置。目前,美国的GPS卫星定位系统由于起步早,发展时间长,系统稳定性好,因此应用较为广泛。丁友强等[11]通过NMEA-0183协议,利用GPS进行定位,利用GPS接收机接收信号,得到机具的工作速度。苑严伟等[28]通过GPS系统获得播种机所在的实时坐标,将采集到的工作速度及坐标与作业处方图进行比较,并根据理论数据调整电机转速,进而实现变量播种和变量施肥。近年来,我国自主研发的北斗卫星定位系统也不断发展,逐渐得到了应用。丁幼春等[29]采用高精度北斗定位模块和电子罗盘进行组合导航,得到了履带式播种机的位置和航向信息。

由于田间作业地面崎岖不平,播种机的上下震动较大,这会对排种器的排种性能产生影响,因此有学者通过加速度传感器对机具的震动状态进行监测。黄小珊[30]采用加速度传感器对排种器的振动进行监测,并对数据进行分析,得到了影响播种合格指数较大的因素。

种子从排种器中排出后,需要经过导种管才能下落到土壤中,因此学者们通过在导种管中安装传感器来监测种子的下落情况。雷声媛等利用电容检测法对种子进行检测,由于小麦种子的介电常数与空气不同,故当有种子从电容极板间下落时,会引起电容的变化进而产生电信号,以此来对下落的种子进行检测。

种子落入土壤后,需要通过镇压轮对种子周围的土壤进行镇压。在试验阶段,学者们利用传感器采集镇压力的大小,进而确定最佳镇压力度的大小。在正常工作条件下,通过对镇压力大小进行监测,对镇压力的大小进行调整。白慧娟等[20]利用销轴传感器对播深和压实度进行检测,进而实时调节仿形机构的液压力,实现对播深和压实力的间接控制。高原源等[31]通过销轴传感器进行下压力的测量,并进行了传感器的力学分析,建立了融合播种深度因素的播种下压力测量修正模型。

在种箱肥箱的监测上,通过在种箱肥箱内放置传感器,可使驾驶员实时观测到种肥箱中的情况,进而快速做出反应。苑严伟等[28]通过使用电容传感器和压力传感器对种箱肥箱中的种肥进行监测,可判断种肥箱中种肥剩余量的多少以及是否需要添加种子。

2.4 信号传输

传感器与控制器之间的通信十分重要,各种通信方式因为不同的特点被应用在了不同场合。

CAN总线由于其高性能和可靠性,在汽车产业,工业自动化,医疗设备等方面得到了广泛的应用。很多学者也将其应用在了农业机械的通信上。丁友强等[32]通过CAN总线实现播种单体驱动器与主控制器之间的通信,实现了变量播种控制数据的分散化处理,降低了主控制器数据处理的压力,提高了数据处理的速度。纪朝凤等[12]运用CAN总线作为通信网络,实现了智能控制终端,转向控制单元和传感器信号采集模块之间的数据通信。农业装备的CAN总线通信模式成为目前农业装备的主要现场通信模式[33],但国内精密播种装备的CAN总线通信发展仍相对滞后[34]。

由于田间环境复杂,有线传输易与田间杂草等发生缠绕,影响机具作业,因此,WIFI,蓝牙等无线通信技术在播种机上得到了广泛的应用(表3)。刘志欣等[35]采用CC2530芯片,利用ZigBee的应用层,将标准ModBus协议的数据通过透传方式进行传输。闫海敬[36]采用HC-06蓝牙模块进行单片机与Android之间的无线通信,通过移动端控制电机的驱动模块,从而控制种植机的运行。王影等[37]采用WIFI模块进行单片机与上位机之间的数据传输,以实现通过手机进行远程控制和访问的目的。

表3 常用无线通信方式对比Tab.3 Comparison of common wireless communication methods

2.5 其他技术及应用

随着科技革命的兴起,计算机视觉等技术得到了快速发展,众多学者也将该项技术应用到播种机上,对提高播种机的性能有很大的辅助作用。由于田间影响因素较多,且大部分种子与土壤颜色相差较小,干扰因素较多,故该项技术目前主要应用于试验台上排种器的粒距检测以及辅助导航方面。孙乃旭等通过DSP处理器和计算机辅助系统,实现了对田间图像的处理,可以有效地提高播种机的导航效率。李朋飞等利用MatLab通过小波变换以及阈值收缩法对线阵CCD扫描或取得图像进行处理,得到了种子之间准确的间距。王平岗等利用计算机视觉技术对播种的质量进行实时监测,并用过显示电路显示播种的质量,并在质量出现问题时发出报警。赵郑斌等利用AVT1394相机进行图像的获取,采用VC++以及HALCON算法进行了机器视觉系统的开发,在针式精量播种机上进行了穴盘的精密播种性能测试。蔡晓华等通过在工业相机上安装采集卡,以及自行研制的C++图像处理软件,对试验台上种子的粒距进行了处理和检测。

PID算法是工业应用中最广泛的算法之一,在农业机械领域也得到了应用。赵晓顺等[38]通过Z-N法和模糊控制对PID参数进行了整定,利用MatLab完成了模糊PID控制设计,并使用其中的Simulink完成了仿真,缩短了系统响应时间,提高了控制精度。电机采用PWM调速方式,并使用PID智能控制策略。

播种机在田间作业时,有时会发生故障,而故障的排查费时费力,会极大地影响作业效率,耽误播种时间,有学者将智能诊断技术运用到播种机的故障诊断中。宣峰等将智能诊断技术与PLC控制系统相结合,通过BP神经网络对播种机的故障进行判断,并利用MatLab软件建立了仿真模型,提高了故障判断的准确性。

3 我国播种机监控系统技术存在问题

目前,我国播种机监控系统自动化、智能化水平还处在一个较低发展阶段,虽然已经出现很多新技术并进行了一定的试验研究,但大多数还处在实验室阶段,并未得到实际的推广和应用。我国应紧跟时代的潮流,加速自动导航、变量播种、云服务平台、智能传感等新技术的研究。虽然目前各种传感检测技术在播种机上已经得到了较为广泛的应用,但是仍存在以下问题需要解决。

1) 排种器驱动方式滞后。在国外农机装备中,地轮驱动、液压马达驱动、电机驱动等多种驱动方式均有应用,而我国排种器驱动方式主要为地轮驱动,只能通过改变更换链轮改变传动比,进而改变株距,且易受打滑等因素影响,进而影响播种精度。

2) 信号传输方式落后,抗干扰能力较弱。现在播种机上的信号传输主要使用有线传输,布线复杂,易受震动、灰尘等田间环境因素影响,若播种机上的线缆与田间杂草、树枝等发生缠绕,则会影响作业效率,甚至发生故障,无线传输安装简单,但稳定性较差,故障率高,田间作业环境相对复杂,易对信号传输造成影响。

3) 农用传感器自主研发能力较弱,精度较低,与现有机型不配套。我国传感器生产研发水平与国外有较大差距,一方面,国外传感器起步较早,种类齐全,国产的农业类传感器应用种类相对较少,且国内农机具种类繁杂,传感器配套程度较低。如在流量监测方面,国外农机企业的高端机型上大都配备有流量传感器,而国内的一般不具备此类传感器[39]。另一方面,国外传感器监测精度较高,性能稳定,可在高速工况下作业,国外播种机作业速度可达18 km/h,而国内播种机一般为6～10 km/h,由此可见,国内传感器自主研发能力有待提高。

4) 播种机智能化程度较低。国外已经开始将处方图、GPS定位、变量播种等新技术应用到播种机监控领域,可根据土壤水分、肥料等物理化学指标进行变量播种,将土壤肥力进行最大化利用。我国目前智能化水平较低,仅可根据传统方法进行均匀播种。

5) 应用推广成本较高。使用电子监控系统时,虽然极大地提高了作业质量,但成本增加,一套完善的播种机监控设备要花费数万元之多,制约了它的推广与应用。另外,由于我国播种机监控系统质量体系和服务体系发展不够完善,作业性能不够稳定,故障率较高,需要经常校正和维护,成本也随之提高。

4 我国播种机监控系统技术发展趋势

在保证作业质量的前提下,高速、智能、精密播种是播种机的发展方向。随着国家政策的指引以及农民意识的提高,我国播种技术取得了很大的进步,针对上述存在问题,本文提出未来监控技术在播种机上的研究方向。

1) 在排种器驱动方面,未来应逐步由地轮传动提供动力转向电机驱动、液压马达驱动等多种驱动方式,满足用户的不同需求,提高播种的速度和精度。

2) 在信号传输方面,应采用5G等先进传输技术,加强对高速无线传输技术方面的研究,实现信号无线传输,提高指令的传输效率,通过加装保护外壳等各项措施,降低作业过程中灰尘、雨水等其他因素的影响。

3) 在传感器研制方面,我国应提高自主创新能力,适应现代农机装备的发展方向,对于不同种类的农机具制定统一标准,进而对相应传感器进行配套设计,针对我国农机具上不同的监控需求设计土壤养分、播深监测、种子位置监测等各类传感器,研发精度高、抗干扰性能好、适应性强的传感器。

4) 在播种机智能化方面,我国应增强变量播种、无人驾驶、处方图等新技术在播种机上的研究与应用,提高播种机具的智能化水平。

5) 在应用推广方面,我国一方面应提高自身技术水平,加大研发力度,降低系统故障率;另一方面,应出台相关政策,加大对本土智能农机装备的补贴力度,促进监控设备的推广及应用。

5 结语

随着播种技术不断发展,我国播种机监控系统技术取了一定成绩,但与国外技术发展水平相比,仍存在一定差距。为解决实际生产中种子漏播、重播以及播种均匀性差等问题,结合现阶段农用传感器精度较低、与现有机型不配套、抗干扰能力较弱、智能化水平较低的现状,本文介绍了国内外播种机监控系统技术研究现状,对控制器、人机交互界面、传感检测装置、信号传输等组成部分的工作原理和应用情况进行了阐述,认为我国播种机监控系统存在排种器驱动方式滞后、信号传输方式落后、农用传感器自主研发能力较弱、智能化水平较低、应用推广成本较高的问题,结合我国现状提出了未来播种机监控系统技术的发展趋势。