气力油菜精量排种器漏播检测系统的设计

李 明，丁幼春，廖庆喜，王雪玲

（1.中南民族大学 计算机科学学院，武汉 430074；2华中农业大学 工学院，武汉 430070）

油菜精量播种技术是以种植密度为前提[1-5]，以播种定量为基础，将油菜作物植株分布均匀在种床位置，以实现提高通风透光性、充分利用种子光、水、肥、气，达到高产高量的目的[6-8]。本研究气力式油菜精量排种器采用正负气压组合原理实现吸种、携种、投种等排种过程，并基于该排种器研制的2BFQ-6型油菜精量联合直播机集开沟、旋耕、精量播种、覆土等作业一体化[9-10]，具有稳定的播深、不伤种子、成苗率高等优势[11-14]。而漏播是衡量排种器质量与性能的重要指标之一，漏播将直接影响后期田间补苗、增加后期田间管理难度。因此，排种器漏播检测系统对排种器结构优化及工作参数选定提供理论依据。

目前排种器漏播检测方法局限在试验台上，主要有人工测量[15-16]、光电检测[17-18]以及计算机视觉[19-20]等方法。在工作环境下排种器实时漏播检测除了具有代表性美国John deer公司[21-22]研制了一款配用Seedstar XP系统监控台且可同时进行播种12行大型DR12播种机，可提供播种过程信息，如漏播指数、播种行数、株距、播种深度等。目前存在小粒径引起排种器实时漏播检测难的问题[23-24]，因此研制一种集漏播检测与报警于一体的实时漏播检测系统势在必行。本研究在前期提出了一种排种频率检测方法的基础上[11]，设计了一种基于排种间隔时间的漏播检测系统。排种时间间隔法主要考察油菜籽单体之间时间阈值，对油菜籽单体进行实时跟踪。有利于及时跟踪与检测排种器油菜籽单体播种情况，其研究对排种性能检测提供理论依据。

1 漏播检测系统总体结构及工作原理

漏播检测系统由单片机检测系统与传感器系统组成。传感器系统与单片机检测系统采用航空插头进行连接，航空插头统一采用四芯插针形式，将一号插针接至正电源，二号插针接至地线，三号插针接至信号端。该单片机检测系统的核心芯片为MSP430f149单片机，其系统还包括时钟电路、充电模块、电压转换模块、LCD显示模块、信号采集电路及按键电路等，结构示意图如图1。当漏播检测系统工作时，排种器由电机带动链轮驱动排种，采用光纤传感器及霍尔传感器分别采集精量排种器导种口处排出种子信号和排种盘齿数感应脉冲信号，并同时接入单片机检测系统的中断接口，单片机检测系统通过预先植入的漏播检测程序判定检测漏播，实现排种结果显示与漏播报警。

2 单片机检测系统硬件设计与分析

2.1 MSP430f149单片机系统

本研究所提出的漏播检测算法采用的排种间隔时间算法来实现漏播检测，故选择同时具有时间捕捉中断及计频功能的MSP430f149单片机，该单片机拥有64k Flash ROM与2k RAM的内存存储空间，其存储量大，且低电压、超低功耗，可满足程序及数据的需求。

2.2 电压转换模块

传感器系统由型号12V7A直流电池供电，而MSP430f149单片机为5V供电，故采用LM2596集成运算放大器组成的信号处理电路对电压进行变换，电压放大倍数设计为Auf=Uo/Ui=0.42，电路图如图2。

2.3 充电模块电路

本系统可实现单独充电模式，将交流电220V电压转为直流电12V。为保护本系统正常充电，防止反接引起电路烧毁现象，故设计充电模块电路，采用继电器与二极管相组合电路，实现充电反接保护（图3）。当正常充电时，二极管亮，处于通电状态；当反接充电时，二极管不亮，处于断电状态，起着保护电路的作用。

图1 单片机检测系统硬件结构框图Figure 1 Hardware structure block diagram for single-chip computer detection system

图2 电压转换电路图Figure 2 Voltage conversion circuit diagram

2.4 信号采集电路

按键开关、传感器系统、单片机输出信号均是低电平高阻态组成，故对按键开关、传感器系统及指示灯采用上拉电阻。采集信号在高阻态输入时，信号接收端口处于高电平，有利于单片机识别信号。电路图如图4。

2.5 LCD显示电路及控制按键电路

本研究采用LCD1602型背光液晶显示器，其特点为16×2行字符，5×8点的字符点阵，驱动方式为1/16D。该单片机检测系统设置4个预设按键，包括 “参数设定”、“上翻”、“下翻”及“开始检测”。当系统启动时，可以通过按下“参数设定”按键可对系统进行切换设置排种盘齿数与排种率下限报警值。“上翻”与“下翻”按键用来调节排种盘齿数或排种率下限报警值大小。通过“开始检测”按键选择，可启动单片机检测系统开始检测漏播程序。

2.6 封装方式

全部扩展电路利用铜柱层叠以节省空间，并与MSP430f149单片机、电池等装入防水盒封装。接口采用航空插头，按键采用点控按键，报警灯材料选用发光二极管，以提高该系统的稳定性、美观性及适应性。

图3 充电模块电路图Figure 3 Charging module circuit diagram

图4 信号采集电路图Figure 4 Signal acquisition circuit diagram

3 单片机检测系统软件设计

3.1 主程序流程

本软件重点在于构建漏播检测算法，实现排种器的漏播检测和报警。采用C语言编写，主要功能包括结果显示、采集信号、人机界面（键盘按钮等）。单片机检测系统启动后，先对系统进行计频中断与定时器中断初始化、LED显示初始化等。将检测系统先切换至“参数设定”模式，结合排种器排种盘齿数及农艺农机要求，对排种盘齿数及排种率下限报警值大小进行设定。按下“开始检测”按键，采用时间捕捉中断程序测量周期内排种间隔时间，通过比较排种间隔时间大小，获得周期内排种最大间隔时间，统计排种个数。结合排种盘齿数（型孔），通过漏播检测算法实时获得排种率与断条比率，在此定义排种率为实际排种个数n1与理论排种个数n3（单位排种盘齿数）之比，即F=n1/n3；断条比率为连续漏播个数n2（n＞2）与理论排种个数n3之比，即D=n2/n3。

（1）信号输入与中断处理。传动轴上均匀分布一定数量磁钢（与排种盘型孔数一致），采用霍尔传感器感应发出低电平脉冲信号，通过LM393比较器进行信号整形，利用msp430单片机计频中断子程序采集转速脉冲信号。光纤传感器安置在排种器排种口处，排种器在工作过程中，种子落入光纤传感器检测区域时，常闭传感器发出低电平脉冲信号，利用msp430单片机时间捕捉中断程序采集排种脉冲信号。

（2）结果显示与报警。通过漏播检测算法获得排种率、断条系数、最大间隔时间等检测参数，并将结果显示至LCD1602。当出现所述报警情况时，采用LED指示灯与蜂蜜器相结合来对排种器漏播进行报警。

3.2 程序设定试验

试验目的在于通过漏播检测算法得到界定漏播检测的参数阈值，对排种间隔时间测量值运算获得的参数阀值与预设定参数阈值比较实现检测漏播，实现排种结果显示与漏播报警。具体方法如下。

Step1：将“类齿轮”状带齿圆盘安装至步进电机，并采用光纤传感器采集圆盘两齿之间的时间间隔来模拟排种器排种间隔时间，采用霍尔传感器采集圆盘转速来模拟排种器转速；

Step2：预设定单片机检测系统参数阀值，设定排种器排种率为80%、断条比率为25%以及排种最大间隔时间为4倍的理论排种间隔时间；

Step3：先后启动单片机检测系统、设定步电电机转速，持续时间5min。

本试验采用一个电动机带动3个圆盘齿工作，每个圆盘有50个齿，实现三路同时漏播检测。依据上述试验方法，统计排种间隔时间。重复3次，台架试验如图5。

运用线性回归分析方法对圆盘齿数转动间隔时间散点数据统计分析，并在线实时检测排种器三路排种情况。

当排种盘均匀分布齿数的情况下，在5min（约300个点）内没有出现漏播提示；排种盘有4组连续缺少3齿数情况下，均被检测断条比率为24%，最大排种间隔时间为4倍正常排种时间，启动报警系统；在均匀缺少10齿数情况下，排种率被检测为80%，启动报警系统。

圆盘齿数值与系统测量值如表1，在不同情况下，该漏播检测系统判定为漏播的准确率为100%。

漏播检测系统的周期时间可根据排种盘型孔个数来设定窗口大小，窗口滑移步长为3个单位。排种率能反映一段周期内所有油菜籽的排种行为特征，从而有效地避免了个体差异对整体特征的影响。通过排种间隔时间可考察气力式油菜精量排种器单个体排种特征，实时检测单个排种器的漏播程度；通过断条比率可判断周期内整体断条严重程度，更符合气力式油菜精量排种器的田间实际工作情况。该系统能够有效地检测排种器不同漏播情况问题：（1）仅间断漏播现象；（2）仅连续漏播；（3）漏播、重播、断条混合现象。

图5 圆盘台架试验Figure 5 Disk bench experiment

表1 周期内圆盘齿数值与系统测量值Table1 Disk teeth values and system measurements values during cycle

当满足3种任一情形时将实现漏播报警：（1）排种器排种情况低于预设定排种率80%；（2）断条比率超过25%；（3）排种的最大间隔时间高于4倍的理论排种时间。检测完成后，将所获的相应结果显示在LCD液晶显示器上，通过指示灯点亮与蜂鸣器鸣叫实现漏播检测与报警功能，可实现检测排种器不同漏播情况。同时该系统可根据不同的农艺要求对参数阀值进行设定。系统流程图如图6。

4 试验设计与结果分析

4.1 试验设计与方法

漏播检测系统的重点在于排种间隔时间的测量，通过统计排种间隔时间，运用漏播算法实时进行漏播检测。为了进一步验证研制的气力油菜精量排种器漏播检测系统的稳定性和可靠性，通过高速摄像系统对不同转速下气力式油菜精量排种器的排种间隔时间开展统计试验，并通过对两者获得排种器排种间隔时间值进行对比分析。在保证排种器正常工作情况下，开展排种器转速单因素试验。

试验设备与材料主要有：JPS-12型排种器性能检测试验台 (哈尔滨博纳科技有限公司)、HG-260型渔亭牌漩涡式充气增氧机(浙江森森实业有限公司)、气力式油菜精量排种器(排种盘型孔数为20)、排种器试验台、光纤传感器、霍尔传感器、漏播检测系统、计算机、高速摄影（广州市奥元仪器有限公司）及配套的镜头等设备，华油杂62号油菜籽，试验装置如图7。

试验前，通过设定排种器负压为-1500Pa，正压100Pa使气力式油菜精量排种器至正常工作状态，通过观察记录在不同转速下气力式油菜精量排种器排种时间间隔统计，每组试验重复3次。试验步骤如下。

Step1：将高速摄影系统参数设定为10042fps，像素分辨率大小为480×252，为便于观察到油菜籽的图像，选择白色硬纸板作为高速摄像系统的拍摄背景，并标定8mm×20mm的方格阵列作为参照尺寸；通过调节光源位置、微调镜头，可观察到油菜籽下落至光纤传感器内；

Step2：对漏播检测系统参数阀值进行预设，设定排种盘齿数及排种率下限报警值，并存储周期内排种时间间隔；

Step3：先后启动漏播检测系统、高速摄影系统，并运行排种器，统计并保存漏播检测系统数据及保存高速摄影视频。每次试验均依照上述试验步骤进行，每组重复3次。

4.2 结果与分析

气力式油菜精量排种器采用正负气压组合式原理，针对不同地区播种株距的需求，配有不同型孔的排种盘。本试验采用型孔数量Z为20个的排种盘作为研究对象。

由排种器的排种原理可知，排种口处相邻两粒种子时间间隔T为：

图6 漏播检测与报警软件流程图Figure 6 Software flow chart of loss sowing detection and alarm

图7 试验装置Figure 7 Experimental device

式中：T为排种口排种间隔时间 （s）；ng为排种滚筒转速（r·min-1）；wg为排种滚筒角速度（rad·s-1）。

在高速摄像检测系统中，油菜籽在排种器下落至光纤传感器的间隔时间，在高速摄像图像中每隔1帧提取油菜籽的瞬时运动状态图像，即时间间隔为0．099ms，根据高速摄像的连续画面可观察到处于下落阶段的油菜籽在光纤传感器投种全过程。通过运用图像目标追踪技术可计算获得排种器排种间隔时间，从图中观察到排种器油菜籽全部落入光纤传感器，并实时拍摄其排种全过程。

根据排种器工作原理和试验结果，分别统计了排种器在不同转速下的排种间隔时间，并获得其平均值与均方差，结果如图8，其中图8中分别包括了理论排种时间间隔曲线、漏播检测系统中所获得的时间间隔曲线和高速摄像获得的时间间隔曲线。由图8可知，排种器的转速变化可直接反映到排种间隔时间值大小的变化，当排种器的转速越大时，相对应的排种间隔时间就越小，而随着转速的逐渐增大，排种频率的理想排种时间曲线跟踪能力无下降趋势，且曲线基本趋向一致。这进一步说明，基于排种间隔时间是可以作为排种器漏播检测关键参数。

为了分析比较高速摄影与漏播检测系统下油菜籽过程下不同的排种间隔时间，运用图像处理提取油菜籽掉落过程中间隔时间，漏播检测系统以msp430单片机为核心，可存储间隔时间数据，可直接获得油菜籽在不同转速下的间隔时间统计。图9为基于高速摄影检测与漏播检测系统得到的排种间隔时间曲线。

由图8和图9中可知，在排种器的固定转速为13.4，27， 35，54，68r·min-1下，基于高速摄影与漏播检测系统检测油菜籽时间间隔相对稳定，随着排种器转速的增大，两者检测油菜籽下落间隔时间减小。在排种器型孔数目已知的情况下，排种器转速可直接反映到排种间隔时间值的变化上。这进一步表明通过排种间隔时间来跟踪油菜籽单体播种情况是可行的。漏播的产生有排种器种箱缺种、排种盘型孔堵塞、正负气压偏离有效值、排种器传动机构故障、排种盘转速过快、仿形地轮田间滑移等多种原因，但都可直接体现在单个油菜籽排种间隔时间指标上。

从表2高速摄影测量值与漏播检测系统测量值中可观察到：根据相对测量误差公式δ=∣L1-L∣/L*100%可知，以高速摄影测量值为真值L，以漏播检测系统测量值为L1，则基于高速摄影与漏播检测系统两者最大检测误差为0.63%，最小检测误差在0.05%，基于高速摄影和漏播检测系统检测下的排种间隔时间误差小于0.001s。两者在间隔时间上检测的结果基本一致，进一步说明漏播检测系统的可靠性。

图8 不同转速下的排种间隔时间曲线图Figure 8 Seeding interval time graph at different speeds

图9 基于高速摄影检测与漏播检测系统的排种间隔时间曲线图Figure 9 Seeding interval time graph based on High Speed Photography and loss sowing detection system

表2 高速摄影测量值与漏播检测系统测量值Table 2 Values measured by high-speed photography and loss sowing detection system

5 讨论与结论

本研究中气力油菜精量排种器漏播检测系统能在排种器排种速度变化下，可实时对油菜籽小粒径种子实现漏播检测。孙伟等[22]研究学者设计了一种勺链式马铃薯排种器漏播检测与补种系统，针对马铃薯大粒径种子模块开展漏播检测。和贤桃等[24]研究学者设计了一种玉米精量排种器排种质量自动检测仪，针对玉米大粒径种子对其排种器排种性能参数进行检测。本研究对象气力油菜精量排种器合格指数可达94．2%，利用该排种器设计2BFQ-6型油菜精量联合直播机能一次完成开沟、灭茬、旋耕、精量播种、施肥、覆土等作业[3，4，9]，同时本研究设计的漏播检测系统采用传感器系统在前期开展相关试验验证其准确性[17]。本研究设计的漏播检测系统试验结果表明，针对气力油菜精量排种器不同的排种转速下进行自动调节检测模块，对气力油菜精量排种器的排种总量与粒距分布进行实时检测，可有效及时发现漏播情况，改善排种性能。

本研究开发设计了一种基于排种时间间隔算法的气力油菜精量排种器漏播检测系统，提出了一种排种时间间隔检测算法。单因素试验研究表明：通过程序设定预试验验证，在线实时检测排种器漏播情况，当排种盘均匀分布齿数的情况下，在5min（约300个点）内没有出现漏播提示；排种盘连续4组缺少3齿数情况下，均被检测断条比率为24%，最大排种间隔时间为4倍正常排种时间，启动报警系统，检测准确率为100%；在均匀缺少10齿数情况下，排种率被检测为80%，启动报警系统，检测准确率为100%。为了进一步验证漏播检测系统的可靠性，开展了在不同排种转速下基于高速摄影对漏播检测系统检测的间隔时间检测试验。本研究结果表明，该漏播检测系统最大误差为两者最大检测误差为0．63%，最小检测误差在0．05%，基于高速摄影和漏播检测系统检测下的排种间隔时间误差小于0．001s。