播种机漏播补种系统设计——基于ZigBee无线传感网络

舍乐莫，杨瑞成，王　彪

(1.内蒙古机电职业技术学院 信息与管理工程系，呼和浩特　 010070；2.内蒙古财经大学 计算机信息管理学院，呼和浩特　010051)



播种机漏播补种系统设计——基于ZigBee无线传感网络

舍乐莫1，杨瑞成2，王彪2

(1.内蒙古机电职业技术学院 信息与管理工程系，呼和浩特 010070；2.内蒙古财经大学 计算机信息管理学院，呼和浩特010051)

摘要：为了降低播种机的漏播现象，提高播种机械作业的质量和自动化水平，提出了一种新的漏种补播系统，并利用ZigBee无线传感网络设计了播种机作业状态的远程监控平台。该系统以51单片机为控制核心，在排种器上设计了漏报监测的红外线传感器，当监测到漏播时可以通过单片机控制偏心电机的振动，实现再次补种；利用ZigBee无线传感网络，可以对故障进行远程报警。为了验证该系统的可靠性，对试验样机进行了测试，结果表明：对于1dBm的信号，在远处通讯距离可以延长接近100m，其通信性能较好，播种机的漏播率较低，在漏播后的补种率非常高，达到了98%以上，从而大大提高了播种机的作业效率和质量。

关键词：播种机；漏播补种；ZigBee网络；无线传感器

0引言

传统的播种方式一般都是一穴多种，根据出苗状况再仅留1株，这不仅浪费了种子资源和钱财，也浪费了大量的时间，增加了播种作业的复杂程度。为了提高播种效率，在现代化播种机的设计过程中需要考虑一穴一种的设计因素，但又增加了漏播的风险。由于在播种机进行播种作业时，种子的流动过程是全封闭式的，仅凭人为主观因素很难分辨漏播现象，特别是在种箱排空和种管阻塞时，容易出现大面积漏播的结果，大大降低了播种作业的效率和质量。因此，设计了一种漏种补播系统，可以对漏种情况进行及时的补种，并且可通过远程上位机来实现播种机的实时监测，从而提高播种效率和质量，实现自动化、规模化播种。

1播种机结构和漏播补种原理

为了提高播种机的播种效率和质量，节省种子，设计了一粒一播、一种一穴的排种装置。在播种时，先将种子装入储种箱内，在机械动力的带动下，地轮开始向前滚动;随着地轮的向前滚动，播种盘在挡块动，的作用下也随着一起滚动，同时毛刷也被带动一起运毛刷将多余的种子清除后只留1粒种子。精量播种机构外部结构如图1所示。

图1　精量播种排种机构外部结构图

当排种口和漏斗对准时，种子落入鸭嘴，挡块触碰后使鸭嘴张开，种子被鸭嘴排种器悬入土壤；第2个鸭嘴开始播种时，第1个鸭嘴在弹簧的作用下关闭。依次重复上述过程，可以实现精良化播种。如果在播种过程中想要播种双粒，可以打开排种轮上的挡板，同时运行两粒种子一起悬入土壤。排种结构的内部结构如图2所示。

由于精量播种大部分为单粒播种，如果存在漏播情况，对播种质量影响较大，因此必须设计漏播补种系统。其核心控制部分为C51单片机，对于漏种情况的信息采集使用监控设备，在鸭嘴根部安装红外线发射和接收装置，种子落下的提示为红外线被阻断。红外线装置安装位置如图3所示。

图2　精量播种排种机构内部结构图

图3　红外线装置安装位置

红外线装置为红外线发射管和接受头，其体积较小、价格便宜、便于安装；根据种子是否脱落的反馈信息，可以对排种轮进行反馈调节控制，偏心电机通过振动，重新使种子脱落，实现补种操作。

图4为排种轮系的结构示意图。排种轮系装有驱动电机，可以通过单片机的脉冲信号对电机进行调频控制。在监控系统中，红外线的接受头为光敏电阻。图5给出了光敏电阻的光谱特性曲线。

图4　排种轮系结构示意图

图5　光敏电阻光谱特性曲线

光敏电阻的光谱范围为400～800mm，对于不同频率光的灵敏度不同，但其总体效率达到了90%以上。单片机接受到反馈信号后，采用脉冲信号对电机进行调节。假设播种的株距为l，地轮的半径为r，则当地轮旋转1周时排种的次数为

(1)

假设接受到控制脉冲数每秒为p，地轮旋转1圈传感器发出k个脉冲，则地轮转速为

(2)

假设排种盘上的排种孔为λ个，排种盘每排种1次转过角度为360°/λ，则每秒转过的弧度为

(3)

假设驱动电机和轴之间的传动比为μ，驱动电机步矩角为β，则驱动电机每秒钟输入的脉冲数为

(4)

通过相应脉冲数的输入，结合红外线监测，可以保证播种机降低甚至避免漏播次数，其控制流程如图6所示。

图6中，首先利用单片机收集红外线传感器得到的种子信号，对两次种子的脱落时间进行统计，与预先设定的排种时间进行对比，通过反馈调整优化播种株距。当单片机长时间未收到种子阻断红外线传感器信号时，发出指令控制偏心电机进行振动，使种子脱落进行补种操作；如果还检测不到阻断信号，则发出报警警报。播种机的运行情况和警报都可以利用ZigBee无线传感网络发送到远程客户端。

图6　漏播补种系统闭环控制结构框图

2漏播补种系统设计

无线通信技术是近几十年快速发展起来的一种技术，目前主流的无线通信技术，包括红外线、蓝牙、Wi-Fi和Zigbee技术等。蓝牙的传输有效距离较短，一般在10m以内；Wi-Fi也是一种近距离通信技术，覆盖范围要比蓝牙广泛，传输效率高，但是也不适用于长距离通信；红外线通信一般主要用于两台设备之间的通信，对于多台设备间的通信并不适用；而ZigBee技术输出距离相对较远，可以实现通信设备之间的信息传输，并且功耗低、成本小。4种通信技术的参数对比如表1所示。

表1　无线通信技术比较

由表1可以看出：每种通信技术都有自己的应用领域，而成本最低、网络结构最简单、网络维易维护、安全性较高的是ZigBee技术。对于一个ZigBee 网络，一般有多个路由器和多个终端组成，如图7所示。

ZigBee的网络结构包括协调器、路由器和端节点。协调器负责网络的启动与配置，路由器负责其他设备接入网络，实现多终端之间的通信，网络终端为传感器。网络端节点在ZigBee网络中可以充当协调器，在本次设计中主要负责漏种信号的采集，并通过Wifi进行远程通信，其硬件结构如图8所示。

图 7　ZigBee网络结构示意图

图 8　网络端节点硬件结构图

图8中,天线可以采集和发射数据信号，LCD可以显示播种机的实时运行情况，无线通信模块负责远程通信功能。路由节点主要是对漏播数据的接受和发送，路由节点的布置是比较随意的，可以靠电池供电，其硬件结构如图9所示。

图9　路由器节点硬件结构图

图9和网络端节点相同，路由节点的射频天线也用来收发数据，而LED来显示节点工作状态。数据的采集主要是利用传感器节点，其结构如图10所示。

采集到漏种信号后，利用信号调理模块对信号进行A/D转换、放大、滤波等处理，然后将信息反馈给单片机和ZigBee网络，实现补种操作和远程控制。

图 10　传感器节点硬件结构图

3性能测试

为了验证本次设计的播种机漏播播种系统的有效性和可靠性，基于ZigBee无线传感网络设计了转载有漏播监测和补种系统的智能化播种机样机，并对其播种性能就行了测试，测试场景如图11所示。

图11　播种机播种性能测试

播种机性能测试主要包括ZigBee网络的通信情况和播种机的播种性能。其中，ZigBee无线传感网络的信号衰减测试结果如图12所示。

图12　ZigBee无线传感网络信息衰减测试图

由图12可以看出：随着通讯距离的增加，衰减逐渐降低，在到达500m时，衰减已经很小；对于1dBm的信号，在远处通讯距离可以延长接近100m，其通信性能良好。

表2　播种性能测试表

由表2可以看出：播种机的漏播率较低，在漏播后的补种率非常高，达到了98%以上。这是由于在漏播补种系统的作业下，加上ZigBee远程监控系统的实时调节，使播种机在发生漏播时能够及时地补种，从而大大提高了播种机的作业质量。

4结论

1)采用单片机和红外线传感器设计了播种机的漏播补种系统，并利用ZigBee无线传感网络设计了播种机作业状态的远程监控平台，可以对漏播现象进行实时报警，从而大大提高了播种机的作业效率和作业质量。

2)为了验证系统的可靠性，设计了播种机性能测试的试验样机，并对样机的播种性能进行了测试，测试项目包括远程通信能力和播种的精确程度。通过测试发现：在2 000m范围内，ZigBee无线传感网络可以进行有效地通信；播种机在播种作业时，播种机的漏播率较低，在漏播后的补种率非常高，达到了98%以上，满足精密播种机的设计需求。

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Design for Sowing Resow System of Leakage Seeder——Based on ZigBee Wireless Sensor Network

She Lemo1, Yang Ruicheng2, Wang Biao2

(1.Department of Information and Management Engineering,Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics,Hohhot 010070, China; 2.College of Computer Information Management,Inner Mongolia University of Finance and Economics,Hohhot 010051, China)

Abstract：In order to reduce the phenomenon of leakage and improve the quality and automation level of the seeding machine, a new type of leakage seeding system is proposed.And the remote monitoring platform of the operating state of the seeding machine is designed by using ZigBee wireless sensor network. The system takes 51 single chip microcomputer as the control core, in the device design of infrared sensors that omission of monitoring, when monitoring miss seeding can through the MCU control the vibration motor eccentric, achieve again reseed, using ZigBee wireless sensor network, remote alarm for fault. In order to verify the reliability of the system, the experiment of prototype were tested through the test found that 1 DBM signal can be prolonged close to 100 in the distance communication distance with the better communication performance and the low sowing machine leakage sowing rate, in which,the replant leakage after sowing rate is very high to 98%, thus it greatly improves the working efficiency and quality of the seeding machine.

Key words：seeder; replant seed; ZigBee; wireless sensor network

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0203-05

作者简介：舍乐莫(1972-)，男，呼和浩特人，讲师，(E-mail)shelemo1972@sina.com。

基金项目：内蒙古自治区教育厅项目(NMGIT1405)；内蒙古自治区科技厅项目(20120412)；内蒙古自治区教育厅项目(NJZY13200)；国家自然科学基金项目(71261015)

收稿日期：2015-08-25