水稻精量穴直播机播量监测系统研制

王在满，裴 娟，何 杰，张明华，杨文武，罗锡文

水稻精量穴直播机播量监测系统研制

王在满，裴 娟，何 杰，张明华，杨文武，罗锡文※

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

播种量是水稻精量穴直播机的关键技术参数。为了实时监测水稻精量穴直播机的播种量，提高播种作业性能，该文以环形布置安装于排种管的面源式光电传感器为主要监测元件，设计了水稻精量穴直播机播量监测系统。根据型孔式排种器结构与工作原理，确定了面源式光电传感器和旋转编码器的安装方式。采用高速摄像技术建立了水稻种子流通过监测区时种子数量与脉冲宽度之间的数学模型；通过时间分割节点得到穴粒数监测时间窗口，根据监测时间窗口内的脉冲宽度信息得到每穴播种粒数。选用南粳46和象牙香占2种具有代表性的水稻品种，对水稻精量穴直播机播量监测系统进行试验，将人工统计数据与监测系统统计数据进行对比分析，台架试验结果表明：对于南粳46（短粒型品种），平均穴粒数监测误差不超过7.99%，穴数监测误差不超过6.07%；对于象牙香占（长粒型品种），平均穴粒数监测误差不超过24.07%，穴数监测误差不超过5.66%。该系统基本满足不同工作转速下不同粒型的水稻播种量实时监测要求，可为后期实现水稻精量穴直播机大田作业参数监测提供了参考。

农业机械；水稻；穴播机；光电传感器；播种量；监测系统；时间序列

0 引 言

精量播种技术是规模化生产实现节本增效的重要技术之一[1-2]。水稻精量穴直播已逐渐成为水稻轻简化种植的主要研究方向[3-8]。播种量实时监测对提高直播机作业质量具有重要意义，可为播量实时调节、缺种实时补种以及水稻精量穴直播机作业管理系统等技术研发提供重要支撑[9-14]。

目前国外与播种机配套的监测装置较为完善，美国的John Deere播种机采用光电传感器配合信号采集电路，能够监测播种机漏播、断条等现象，利用图形化处理技术对播种质量进行统计与分析，方便驾驶员实时了解播种机作业情况。Precision Planting研制的WaveVision 监测器采用高频无线电波监测种子质量，克服了玉米播种机在排种过程中连续2 粒或多粒种子被认为1粒种子、尘土被监测为种子等技术难题，可实现对播种工况的全程监控[15]。意大利MC electronic研制的精准播种系统[16]能对大中粒径种子进行播种监测。近年来，国内对于播种机的播种过程监测技术的研究取得了较大进展，丁幼春等[17-21]对种子与压电薄膜的碰撞信号进行特征分析，实现了排种频率与排种总量的实时监测。邱兆美等[22]采用光电传感器和CMOS图像传感器设计的播种质量监测系统可实现对单粒播种的蔬菜种子播量监测。陈建国等[23-25]基于电容法建立了种子数量与电容变化量之间的线性关系，实现了对小麦播量的监测，但当种子通过电容传感器引起的电容变化量较小时，监测精度会受到寄生电容和环境的影响。谭穗妍等[26-27]在育秧播种流水线上基于机器视觉和BP神经网络对超级杂交稻的穴播量进行监测，实现了对穴播种量的精确监测的功能，平均准确率达94.4%。机器视觉法可以获得排种过程全部的细节[28-32]，但因图像处理数据量大、设备昂贵等难以实时监测整个作业过程，不适合大田生产应用。

综上所述，由于受田间作业环境条件差和设备成本高的限制，图像法难以用于田间对播种量进行实时监测；电容法和光电法等对小颗粒多粒播种的播种量实时监测精度较低。因此，本文针对点阵式光电传感器在监测高速稻种流过程中存在漏测、误测等问题，以组合型孔式排种器为研究对象，采用面源式光电传感器环形布置方式设计水稻精量穴直播机播量实时监测系统。该系统可多角度获取稻种在排种管中的运动信息，并通过提取和处理脉冲信号后得到时间序列中的时间特征参数，以播种量判定指标中的“穴粒数”为监测目标，实现对水稻精量穴直播机播种量的实时精准监测。

1 监测系统基本原理

穴粒数是水稻精量穴直播机的重要性能指标。一般情况下，常规稻的每穴播种量在6～10粒，杂交稻每穴播种量为3～5粒[8]。作业时，排种器型孔内的水稻种子由弹性随动护种机构护送至投种口在自身重力的作用下完成排种。如图1所示，在排种过程中的各作业部件中，排种管结构形式简单且靠近落种点，因此优选在排种管上设置播量监测传感器；为保证排种器转速监测的准确性，编码器采用直联式安装结构，通过固定支架安装于排种器的定位端盖上。

1.种子 2.红外发射器 3.监测区 4.红外接收器 5.排种管 6.排种轮 7.固定支架 8.排种器 9.面源式光电传感器 10.编码器

排种管内的水稻种子流经过光电传感器监测区时引起红外光束强度的变化，从而导致接收端光敏电阻电压变化。单片机控制器利用输入捕获中断采集水稻种子流经面源式光电传感器引起的脉冲信号，从而得到被监测的排种时间序列，通过排种时间序列与排种器转速的同步监测，获取时间分割节点，通过2个相邻时间分割节点得到穴粒数监测时间窗口，每个监测时间窗口对应1穴；对监测时间窗口内的脉冲宽度进行特征分析，从而得到穴粒数。

时间分割节点与投种时间间隔有关。由于每穴种子在下落时具有分散性，导致实际投种时间间隔与理论投种时间间隔不一致，为保证监测的准确性，减少排种速度变化引起的监测误差，对理论投种时间间隔进行加权处理。因投种时间间隔与转速成反比，随着排种速度变化，采用加权的方式修正理论投种时间间隔，可减少监测误差。

在田间作业时排种轮转速一般为30～60 r/min[8]，因此本文设置了5个排种轮转速，分别为25、35、45、55和65 r/min。根据前期预试验确定了以上各转速下对应的最优权重系数分别0.65、0.6、0.5、0.45、0.33。以权重系数为因变量，排种轮转速为自变量，进行曲线拟合，如图2所示。

拟合方程为

理论投种时间间隔T(s)的计算公式为

修正后投种时间间隔T(s)的计算公式为

联立式（1）~（3）有：

式中为型孔数量，取8；为排种轮角速度，rad/s。

图2 权重系数与排种轮转速的关系

记排种时间序列为

式（5）~（7）中代表排种时间序列，s；(t)为第t个电平时长，s；集合代表脉冲宽度，s；q代表第个脉冲宽度，s；代表种子下落时间间隔，s；s代表第个下落时间间隔，s。

通过对排种时间序列中每一个新到达的数据元素s与修正后的投种时间间隔相比较，进行分割节点判断，若s≥T，则该点即分割点，2个相邻分割节点组成一个监测时间窗口，通过对监测时间窗口内的脉冲宽度进行特征分析，得出穴粒数。

2 监测系统设计

采用STM32H743IIT6微处理器作为主控芯片，该芯片主频为400 MHz，内置2MB闪存、1MB 随机存储器，10个定时器、4路UART等I/O端口和外设接口，能够满足本文高速稻种流的监测功能。

针对目前点阵式光电传感器在监测高速种子流过程中存在漏测、误测等问题，以及田间作业时存在因灰尘堆积导致光电信息接收减弱等问题，本文采用面源式光电传感器（SZ-JS系列）环形布置于排种管的安装方式（如图1c），实现无盲区监测，如图1所示。面源式光电传感器的监测范围为25 mm×36 mm，感光面积大，能有效监测每穴通过传感器的种子；响应速度小于0.5 ms，具备分辨每穴种子中不同种子产生的脉冲信号的能力，能有效监测每穴水稻种子粒数。面源式光电传感器的工作面由透明外壳密封，保证了发射端发出的红外光被接收端有效接收，同时能够隔绝灰尘进入，避免光敏感器件的损伤，有效抑制了灰尘遮挡造成的接收电流不足。排种管（包括面源式传感器的非工作面）采用非透明材料制成，有效地隔绝外界强光对面源式传感器监测灵敏度的影响。为测量排种器的每穴实际投种时间间隔，采用欧姆龙E6B2-CWZ6C增量式旋转编码器（分辨率为2 000 P/R）获取每穴的投种时间间隔。基于面源式光电传感器的穴粒数监测系统硬件结构如图3所示。

图3 监测系统硬件结构图

水稻种子流经面源式传感器的光敏感区产生低电平脉冲，利用高速摄像仪观察得到单粒种子通过监测区时的下落时间最短为3 ms。为保证监测精度，STM32控制器定时器的时间基准应小于3 ms，故设定为50s。当STM32接收到对应输入捕获中断的触发信号后开启定时器，采用内部计数器对产生的相应信号进行计数，分别测出低电平时长Δ1和高电平时长Δ2，对修正后投种时间间隔T与高电平时长Δ2进行比较，判断分割节点。通过计算监测时间窗口内低电平时长Δ1（脉冲宽度）对应的种子数量，实现对穴粒数的监测，计算方法如图4所示。

图4 穴粒数和穴数计算方法

按照上述方法，设计播量监测流程如图5所示。

为验证监测方法的可行性，选用排种轮常用工作转速35、45和55 r/min，品种选用南粳46，启动排种器使其转动1圈（对应排种8穴），对水稻种子流经过面源式光电传感器时的输出脉冲信号进行采集，通过Matlab软件对采集到的脉冲序列进行处理，结果如图6所示，图中局部放大图代表一穴种子经过传感器时的情况，相邻2穴之间无明显干扰信号，表明该方法可实现穴粒数与穴数的监测。

图5 播量监测流程图

图6 不同排种轮转速下南粳46的输出电压脉冲波形图

3 试验与结果分析

3.1 试验材料

试验在华南农业大学工程学院南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室进行。试验设备主要有JPS-12计算机视觉精密排种器性能监测试验台、组合型孔排种器[20]、面源式光电传感器、编码器以及水稻精量穴直播机播量监测系统。试验装置如图7所示。

本文采用的组合型孔式排种器主要用于常规稻品种的播种，一般情况下，穴距10~25 cm可调，每穴播种粒数为6～10粒，短粒型品种与长粒型品种每穴播种粒数相差1粒左右。不同品种粒型和不同工作转速对每穴播种粒数有一定的影响，因此，为考察不同品种的排种监测效果，试验品种为短粒型稻种南粳46（常规粳稻，长宽厚为7.39 mm×3.16 mm×2.31 mm）和长粒型稻种象牙香占（常规籼稻，长宽厚为10.42 mm×2.55 mm× 1.82 mm），所选的稻种类别和外观粒形具有代表性。

1.排种器 2.排种管 3.面源式光电传感器传感器 4.编码器 5.种箱

3.2 试验方法

3.2.1 种子数量与脉冲宽度标定

为研究监测区内不同种子数量与输出脉冲宽度的关系，采用高速摄像对监测区内的种子数量与脉冲宽度之间的关系进行标定。选用南粳46品种作为标定对象，试验转速为25、35、45、55和65 r/min，通过回放高速摄像录像统计种子下落时间，每组试验统计100穴，重复3次。

采用日本PHOTRON公司生产的FASTCAMSUPER- 10K型高速摄像机进行种子下落过程摄像。试验时相机拍摄帧率为1 000帧/s，分辨率为1 024×1 024。为准确记录种子在投种过程中的下落时间，采用5 mm×5 mm网格的黑色背景板对种子下落时间进行标定，如图8所示，建立坐标系，以排种器壳体最左端垂线为标准线，记作轴，距离排种器壳体最低端处的水平直线记作轴，并将黑色网格板中的水平线和垂直线与，轴重合。

注：xoy为坐标系；vr为稻种脱离型孔时平行于排种轮平面的速度，m·s-1；vx为vr的水平分量，m·s-1；vy为vr的竖直分量，m·s-1；n为排种轮转速，r·min-1。

3.2.2 监测系统适应性试验

为研究监测系统对不同水稻品种粒型的适应性，选用南粳46和象牙香占2个品种，以平均穴粒数和变异系数为试验指标，每个转速重复3次，监测记录200穴的穴粒数；同时采用录像回放的方法，人工统计出输送带上的实际排种穴粒数和穴数，并进行数据对比分析。

3.3 结果与分析

3.3.1 种子数量与脉冲宽度标定结果

组合型孔式排种器具有多粒穴播的特点，排种轮转速和监测区的种子数量对面源式光电传感器输出的脉冲宽度有影响。

为了分析种子在监测区的下落时间，连续提取水稻种子的瞬时运动图像，图像间的时间间隔为0.001 s。图9为高速摄像拍摄的南梗46（短粒型品种）在不同转速下其中1穴种子在落种区的运动状态。

图9 南粳46的投种过程高速摄像记录结果

由图9可知，在不同排种轮转速下，当种子离开排种轮后，种子流在下落过程中以较小时间间隔的分散状态为主。根据高速摄像拍摄到的水稻种子流在监测区内的种子数量与下落时间，结合人工统计结果，绘制不同转速下种子数量与下落时间的曲线，如图10所示。

图10 不同排种轮转速下南粳46的种子数量与下落时间关系曲线

由图10可知，经过监测区的种子数量有1、2、3、4、5、6、7和7粒以上8种情况。在同一转速下，在监测区的下落时间随着种子数量的增加而增加；对于相同数量的种子，下落时间随着转速的增大略有降低，但降低的幅度不大，最大差值为0.003 s，表明转速对种子的下落时间影响较小。

由监测系统工作原理可知，水稻种子流经面源式光电传感器引起的脉冲宽度等于种子在监测区的下落时间。根据高速摄像试验结果可计算出监测区内的种子数量及下落时间，对相同数量种子的下落时间取均值，作为相应数量的种子下落引起的面源式光电传感器输出脉冲宽度。对种子流引起的脉冲宽度与种子数量进行数据拟合，结果如图11所示，两者之间的关系式为

式中为种子数量；为粒种子通过监测区引起的脉冲宽度，s。

由图11可知，当排种轮工作转速一定时，种子经过监测区引起的脉冲宽度与种子数量呈单调递增变化，线性相关系数为0.988 4，从拟合结果可看出，种子流引起的脉冲宽度与对应的种子数量之间线性关系良好。

图11 南粳46种子数量与脉冲宽度标定曲线

3.3.2 监测系统对不同粒型水稻种子的适应性试验结果

采用本文设计的监测系统安装于水稻精量穴直播机组合型孔式排种器上，分别对穴数和穴粒数进行监测，试验结果如表1所示。

表1 试验结果与分析

由表1可知，对于南粳46（短粒型品种），平均穴粒数的监测误差不超过7.99%，穴数的监测误差不超过6.07%；对于象牙香占（长粒型品种），平均穴粒数的监测误差不超过24.07%，穴数的监测误差不超过5.66%。随着排种轮工作转速的升高，穴粒数的变异系数会增大，其中，当排种轮转速在45 r/min以上时，每穴播种粒数监测值的变异系数较高，平均达到30%以上。

试验结果表明：穴粒数监测值与实际值不一致，不同品种的监测结果也存在差异，主要原因是当2粒或者2粒以上种子经过监测区时，若存在全部或个别重叠的相邻种子，不能产生明显差异的脉冲宽度，故系统无法准确地监测到种子个数，造成对重叠种子的漏判，从而导致监测粒数与实际粒数存在一定的偏差；短粒型品种形状偏椭圆形，充种与排种稳定性较好，且短粒型种子尺寸较小，故监测系统对短粒型稻种的监测精度较高。监测系统实际采集到的南粳46（短粒型品种）脉冲宽度数据结果如图12所示。

图12 不同转速下南粳46的种子数量与脉冲宽度关系

由图12可知，在监测播量的过程中，由于排种器工作中会产生振动，系统的监测结果会伴有波动，波动范围在0.002 s左右，导致系统的监测结果整体比高速摄像得到的结果偏小。

4 结 论

1）以组合型孔式排种器为研究对象，以面源式光电传感器作为主要监测元件设计了水稻精量穴直播机播量监测系统，确定了编码器与面源式光电传感器的安装方式和播量基本监测原理。

2）采用高速摄像技术对种子在监测区内的下落过程进行了记录，标定了监测区内种子数量与脉冲宽度之间的关系，为监测系统获取播量信息提供了参考。确定了穴粒数和穴数监测算法；根据种子经过面源式光电传感器引起的输出脉冲信号，经控制器处理后从所产生的时间序列中提取时间值，计算得出直播机的平均穴粒数、穴数与排种器转速的关系。

3）台架试验结果表明，在排种器转速在25～65 r/min时，南粳46（短粒型品种）的平均穴粒数的监测误差不超过7.99%，穴数的监测误差不超过6.07%；象牙香占（长粒型品种）的平均穴粒数监测误差不超过24.07%，穴数的监测误差不超过5.66%；排种器工作转速对平均穴粒数的监测精度影响较大，随着排种器工作转速的升高，平均穴粒数监测值的变异系数会增大。

在不同的排种轮工作转速下，该监测系统对不同外观粒型的水稻品种均具有较高的监测精度，可实现对水稻精量穴直播机播量的实时监测。

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Development of the sowing rate monitoring system for precision rice hill-drop drilling machine

Wang Zaiman, Pei Juan, He Jie, Zhang Minghua, Yang Wenwu, Luo Xiwen※

(,,,510642,)

Precision seeding technology is one of the important technologies to realize cost saving and efficiency increasing in large-scale production. Precision direct seeding of rice has gradually become the main research direction of rice light and simplified planting. The real-time sowing monitoring system has an important contribution to improve the sowing quality of direct seeding machine, and can provide important support for the research and development of sowing rate real-time adjustment, real-time reseeding and the seeding evaluation quality system of rice precision direct seeding machine. At present, the methods of seeding monitoring are photoelectric-based, image-based and capacitance-based. However, image processing technology requires special equipment with high cost, and cameras are easy to be interfered by external light. For the capacitance-based method, when multiple small seeds fall simultaneously, the monitoring performance is not accurate enough. In order to monitor the sowing rate of precision rice hill-drop drilling machine in real time, in this paper, the surface-type photoelectric sensor installed in the seeding tube is used as the main monitoring element to design the monitoring system of precision rice hill-drop drilling machine. According to the structure and working principle of seed metering device, the installation modes of photoelectric sensor and rotary encoder are determined. In this system, the seeds flow in the seeding tube is taken as the research object. When the rice seeds pass through the photoelectric sensor monitoring area, it will cause the change of infrared beam intensity, which will lead to the change of photoresist voltage. The pulse signal from the photoelectric sensor is used as the time sequence to capture the interruption source, and then the monitored time sequence of rice seeds flow is obtained. The time division node is obtained by the synchronous monitoring of the seed metering time series and the rotation speed of the seed metering device. Based on the two adjacent time dividing nodes, the detecting time window of the seeds number per hill is obtained, each time window corresponds to one hill. The pulse width time of the rice seeds output in the monitoring time window is analyzed to get the seeds number per hill. Compared and analyzed the manual statistical data with the monitoring system statistical data, the test results show that the rotation speed of the seed metering device has a great influence on the monitoring accuracy of the average seeds number per hill, the variation coefficient of the monitored value of the average seeds number per hill grows up with the increase of the rotation speed of the seed metering device. When the rotation speed of seed metering device is 25-65 r/min, the relative error of seeds number per hill is less than 7.99% for Nanjing 46 (short grain variety), the monitoring errors of the number of hills is less than 6.07%; the relative errors of seeds number per hill is less than 24.07% for Xiangyaxiangzhan (long grain variety), the monitoring errors of the number of hills is less than 5.66%.The test results show that sowing rate monitoring system is applicable to different varieties of seed and has good detection accuracy, which can provide reference for improving the operation quality of precision rice direct seeder.

agricultural machinery; rice; hill-drop drilling machine; surface-type photoelectric sensor; sowing rate; monitoring system; time series

王在满，裴娟，何杰，等. 水稻精量穴直播机播量监测系统研制[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：9-16.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.002 http://www.tcsae.org

Wang Zaiman, Pei Juan, He Jie, et al. Development of the sowing rate monitoring system for precision rice hill-drop drilling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 9-16. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.002 http://www.tcsae.org

2020-02-24

2020-04-27

国家重点研发计划项目（2017YFD0700503）；广东省自然科学基金（2020B1515020034）；现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-01-41）

王在满，博士，副研究员，主要从事水稻生产机械化关键技术与装备研究。Email：wangzaiman@scau.edu.cn

罗锡文，教授，中国工程院院士，主要从事农业机械化研究。Email：xwluo@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.002

S223.25

A

1002-6819(2020)-10-0009-08