中小粒径种子播种检测技术研究进展

丁幼春，王凯阳，刘晓东，刘伟鹏，陈礼源，刘温伯，杜超群

中小粒径种子播种检测技术研究进展

丁幼春，王凯阳，刘晓东，刘伟鹏，陈礼源，刘温伯，杜超群

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

播种检测技术是实现播种智能化的关键技术之一，可为变量播种提供基本的技术支撑。该研究分析了国内外中小粒径种子播种检测技术进展及相应检测装备，重点阐述了中小粒径种子感知方法，主要包括机械机电报警检测法、机器视觉检测法、光电传感检测法、电容传感检测法、压电传感检测法，并对不同检测方法优劣进行分析；同时围绕播种机故障监测、播量、播种频率、行距、株距、漏播、重播等评价指标，明确了播种检测的主要内容，结合精准农业要求为不同播种模式提出对应播种检测指标；进一步分析了为解决漏播问题的变量补种技术和播种检测信息传输技术的研究概况。在系统总结和分析播种检测相关技术的基础上，提出在精准农业背景下对中小粒径种子播种检测的发展要求，展望未来中小粒径种子播种检测技术发展趋势。

农业机械；检测；精量播种；传感原理；中小粒径种子

0 引 言

中小粒径种子是指平均直径小于7 mm的种子，主要包括油菜、小麦、苜蓿、三七、部分豆类及蔬菜种子等，中小粒径种子多为经济型作物，随着中国农业产业调整，农作物种植逐渐向多元经济型转变，中小粒径种子作物生产被普遍认为是一个发展潜力大、市场前景好的朝阳产业[1]。

对于中小粒径种子，田间播种时播种机播种过程多处于封闭状态，农机驾驶员难以对播种状态进行直观判断，在复杂的田间环境下排种器不可避免出现因漏播所导致的稀疏缺苗、断条等情况，严重影响播种质量，以油菜播种为例，油菜精量排种器在最佳工作状态时仍存在2%～4%漏播[2]，按照现有机播面积166.7万hm2测算[3]，漏播面积达3.3万hm2～6.7万hm2，相当于油菜减产6.9万～13.8万吨，通过后期在漏播位置进行人工移栽补苗不仅增加劳动力成本，且幼苗的生长差异也会影响作物产量。因此对中小粒径种子播种过程进行检测，出现漏播状况及时进行补种，可有效保证作物播种质量，达到节本增效的目的。

中小粒径种子作物与大粒径种子作物相比，其排种频率较高（如油菜排种频率约20～40 Hz，小麦排种频率约100～300 Hz），在对中小粒径种子作物进行检测时，因排种频率较高，种子序列性差，单粒种子难以准确区分，同时还存在因种子粒径较小其穿越感应区域时产生的种子信号微弱及易存在检测盲区等难点，上述原因导致了难以对中小粒径种子进行精确检测。针对上述问题，国内外相关企业、高校开展了中小粒径种子作物播种检测装置研制，对于播种检测装置，依据其对种子感知原理，可分为机械机电式、机器视觉式、光电传感式、电容传感式、压电传感式[4]，不同类型播种检测装置对不同类型种子、不同作业环境适应性不同。同国外相比，国内播种检测装置针对性强，对于不同作物如油菜、苜蓿、绿豆等作物均研发了对应播种检测装置，解决了播种过程中的播种检测问题，但由于国内播种检测装置尚没有市场化，缺少行业标准指导[5]，各机构自行研制的播种检测装置在播种信息采集、检测指标、传输过程中规范性较弱，一定程度上阻碍了中小粒径种子播种检测装置大面积推广。

随着精准农业发展，北斗定位、物联网、5G等新兴技术在农业领域应用愈发深入[6]，将新兴技术应用于播种检测，可实现播种过程的全程可视，同时可为配套的变量播种和漏播补种提供支撑。对中小粒径种子播种过程实时检测的研究，是未来中小粒径种子播种技术的重要发展方向，是播种机械化迈进播种智能化的一项关键技术。目前国内外中小径粒径种子播种检测模式多为“播种检测装置+监测显示终端”，播种检测装置在对播种信息进行采集后将播种信息传输至监测显示终端，于监测显示终端对播种信息进行显示，该模式下播种检测信息多为一次性信息，仅将其进行展示没有对播种信息进行进一步挖掘，同时采集的播种信息如播种频率没有反馈至播种机，难以实现变量作业。结合现有物联网技术，应用“播种检测装置+监测显示终端+播种信息物联网控制平台”的模式，实现播种信息的远程传输、云存储及数据挖掘，同时于“播种信息物联网控制平台”之上建立播种决策控制模型[7]，将播种检测装置采集的播种信息作为模型输入，依据该模型决策出机具作业控制参数并反馈至播种机具，控制机具变量作业，是未来播种检测的重要发展方向。

本文在分析国内外中小粒径种子播种检测装置的基础上，对目前中小粒径种子播种检测装置采用的感知方法、检测指标、变量补种技术和播种检测信息传输技术3个方面进行阐述，分析现阶段中小粒径种子播种检测的技术难点和存在问题，展望未来中小粒径种子播种检测技术的发展方向。

1 中小粒径种子感知方法研究

自20世纪80年代，国内外对播种检测开展了相关研究，且随着精准农业的推进，更有针对性的研制了针对小麦、油菜、三七及部分蔬菜种子的播种检测装置[8-11]。对于这些播种检测装置，其对种子的感知方法可分为：机械机电式、机器视觉式、光电传感式、电容传感式、压电传感式等。

1.1 机械机电式

机械机电式种子感知方法属于间接感知法，主要通过搭建硬件检测电路对种箱充种状态或对排种器运行状况进行检测，若出现种箱排空或排种器工作异常则进行报警。田间播种机上最早开始应用的播种检测装置为机械式报警器，如法国在NODET气吸式播种机上研制的一种机械响铃报警系统，当排种器无法正常工作时，主动套的上弹片随着主动套旋转，当弹片转过撑起的挡片时，弹片弹起并带动其上的小锤敲响金属元件发出响声进行警告，该系统只能对排种器工作状态作出简单判断[12]。由于播种机在田间作业时工作环境噪声较大，操作者有时难以准确接收到报警声。在此基础上，英国S870型播种机上配备了一种机电信号报警系统，该系统利用弹簧加压的胶木滚轮紧贴在排种带上，并在排种带的带动下转动，滚轮的轮缘侧边同时装有与滚轮相通的金属片，播种指示灯触点与带金属片滚轮缘侧边接触时变亮，当排种带正常播种时，滚轮匀速转动，指示灯有规律的变亮，若排种故障，排种带不转或速度不均匀，指示灯亮灭无规律，对播种过程中的故障进行示警。此外有学者在播种机种箱内安装了种量极限电信号的测试装置，如在种箱内安装带有圆球头的浮动杆探测种子在种箱内的高度。当种量下降时，探测杆随之下降，达到设定的最低位置时连通电路，信号灯发亮并发出声音警报[13]。与机械式播种检测装置相比，机电式播种检测装置增加了声音报警模块与指示灯显示模块，实现对种箱内种子高度进测定。

机械机电式种子感知法，兼容性较好，可对各类型种子种箱及排种器工作状态进行监控，但由于其原理限制，仅能对种箱充种状态及排种器是否正常运转进行监控，对于进一步量化的播种检测信息如：播种量、播种频率、漏播、重播参数不能测定。

1.2 机器视觉式

机器视觉种子感知方法是指利用工业相机实时获取种子下落的时间、空间信息，并利用图像处理技术精准识别种子，得到单粒种子下落速度、粒数、粒距、下落轨迹、相邻种子时间间隔等信息。

随着机器视觉与图像处理技术的发展，20世纪90年代，Drake等[14]结合高速摄影技术与图像处理技术测量种子从排种器下落时的运动情况，并对其分析处理。Nataragjan等[15]利用图像处理技术对排种器种子落种垂直方向的二维波动进行了分析研究。2006年，安卡拉大学的Karayel等[16]利用高速摄影系统设计了一种用于监测小麦、大豆、棉花精量排种器的排种性能检测系统，通过获取种子间距均匀性和种子脱落速度，计算获得精量排种器的排种性能指标。Yazgi等[17]采用高速摄影技术对排种过程种子的运动轨迹及排种均匀性进行研究，从而为优化排种器参数设计提供可靠理论依据。Navid等[18]通过在播种机前方一米处的传送带上安装高速摄影仪采集番茄种子图像，输送到计算机并利用Matlab软件对图像信息进行处理，获得播种过程中漏播指数、重播指数和播种均匀性3个排种器参数指标，以便于对排种器的播种状态进行判断。

21世纪初，吉林工业大学胡少兴等[19]提出了一种采用图像处理手段检测排种器充种性能的方法，研制了检测多目标种子高速运动计算机图像处理系统，建立了根据种子边缘、面积以及种子间距评估排种器充填性能的适用算法。马旭等[20]运用计算机图像处理技术对种子动态图像分析，采用图像增强、平滑、锐化及分割等预处理方法，提出了一种根据种子面积和种子间距特征评估排种器性能的方法。廖庆喜等[21]通过高速摄影弥补光电传感器检测的误差，提出一种精密排种器性能检测的新方法，将光电传感与高速摄影同时用于精密排种器的性能检测。聂永芳等[22]将机器视觉技术运用于小麦条播排种器的性能测试，对小麦排种器排种的均匀性和排种量可进行有效检测。齐龙等[23]针对超级稻播量少，易出现空穴的问题，利用CCD相机实时连续拍摄穴盘图像，建立与穴盘相对应的掩模图像，并通过图像识别算法识别穴盘空穴情况，为后期人工精准补种提供支撑。谭穗妍[24]等基于机器视觉和BP神经网络，对超级杂交水稻秧盘每穴上的种子进行检测，建立BP神经网络超级稻检测模型，实现了对多粒粘连稻米的准确检测，满足精密育秧播种流水在线监测要求，为精密播种作业提供参考。卢彩云等[25]设计了一种小麦条播排种器排种性能检测试验台，采用数码相机采集样本种子图像，并利用图像处理技术获取样本种子数量，评估排种器排种性能。赵郑斌[26]等针对穴盘精密播种存在重播、漏播及播种性能不稳定的问题，利用双相机逐行扫描拍摄穴盘图像，将拍摄的图像结合视觉算法进行分析，识别穴盘播种时穴盘充种状况。综上分析，在机器视觉式种子感知方法中，对图像中种子的精准快速识别是关键。

基于机器视觉对排种器排出的种子进行感知，对所检测的种子外形规则和大小没有严格要求，尤其适用于试验室环境，可对排种器排出种子的落种位姿、落种速度、落种粒数、种子粒径等信息进行分析，但由于其对环境要求较高、成本昂贵、结构较为复杂，难以应用于田间实际作业的实时监测。

1.3 光电传感式

光电传感式种子感知方法是种子播种检测中技术最成熟、应用范围最广的一种感知方法。一般光电式传感器由发射端和接收端组成，播种过程中由排种器排出种子对光电式传感器发射端发射的光线进行遮挡使接收端两端电压信号发生改变，对变化的信号进行调理，形成可被控制器识别的脉冲信号，控制器对脉冲信号进行采集并分析，从而得出播种总量、排种频率、漏播重播情况等相关检测指标。

国外，1982年，澳大利亚A.E.E有限公司研制了一种利用红外传感器对种子进行检测的播种检测装置[27]，该装置通过安装于各行导种管上的红外传感器对种子在排种管内的下落状态进行监测，若出现堵塞，监控器立刻启动指示灯进行警告并显示故障情况，从而有效获取播种过程中的播种信息。Karimi等[28]基于光敏二极管研制了红外传感系统，该系统可检测播种时种子通过导种管的质量流量。意大利MC Electronics公司研制了一种基于红外光的对射式播种检测装置[29]，该装置通过种子下落时遮挡发射端的红外光线从而使接收端的电压信号发生改变，控制系统通过采集变化的电压信号并进行相应处理，从而实现对小麦、大豆、玉米等大中粒径种子的精准检测，同时其配套的屏幕显示装置可以对排种总量、漏播率、播种面积、株距、单位面积播量等参数进行实时展示，并通过语音信息对堵塞或故障情况进行示警。

除上述光电式播种检测装置，国外还有美国Dickey-John公司[30]研发的光电通用型播种检测装置、Lan等[31]设计的光电式种子间距测量系统以及内布拉斯加大学设计的基于光电传感器的排种间距检测系统等播种检测装置[32]。

国内，何培祥等[33]、钱珊珠等[34]、史智兴等[35]、郑一平等[36]分别基于红外光电对射传感器、红外光敏二极管、半导体红外发光二极管、双路激光逆向直射光电传感器等元件对水稻、小麦等不同作物种子研制了播种检测装置，实现对各类型种子的精准测定。车宇等[37]采用红外检测技术设计了对射式播种检测装置，并据此研制了免耕播种机播种质量红外监测系统，可对播种作业过程中发生堵塞、漏播、缺种等故障状况时进行声光报警。邱兆美等[38]利用具有面检测特性的感光器件研制了播种检测装置，实现对播种量和漏播情况的实时监测，并完成对播种数据的实时计数、显示和报警，实现播种作业过程的全程监测和结果的可视化。胡飞等[39]基于光纤传感器研制了针对小粒径种子的播种检测装置，在此装置基础上利用LabVIEW开发了单粒精密播种监测系统，于LabVIEW平台开发上位机监测软件，可对粒径1 mm以上的单粒种子进行准确检测。张继成等[40]基于光电传感技术，以红色高亮度发光二极管和光敏电阻为种子信号感知器件，利用单片机作为种肥信号采集平台，研制了光敏式种肥监测装置。丁幼春等[41]基于薄面激光-硅光电池研制的中小粒径种子播种检测装置，解决了油菜、小麦等中小粒径种子在播种过程中难以兼容检测的问题，该播种检测装置在播种过程中可实时显示油菜或小麦等种子的播种数量及排种频率，并通过指示灯指示播种状态。

光电传感式传感检测装置具有成本低、无接触传感、信号响应快等特点，但在田间复杂工况下，田间粉尘可能会对光敏器件附着，导致感光器件响应灵敏度下降，进而致使检测精度下降，同时感光区域的光层厚度限制，也会导致多粒种子信号的混叠，导致检测精度降低。

1.4 电容传感式

电容传感式播种检测装置其检测原理为当种子下落经过安装在排种管内的电容传感器时，传感器极板间介质的等效介质常数发生改变，从而使传感器的输出电容值发生变化，建立该变化与种子数量间的关系模型，即可实现对种子的检测。多年来电容传感器一直广泛应用于含水率、液位和料位等检测，近年来才被逐渐引入播种检测领域。

2009年，Kumhala等[42-43]利用物料密度对介电常数的影响，设计了基于电容传感器的甜菜、土豆产量在线测量装置。2013年，Taghinezhad等[44]研制了一套基于电容传感器的甘蔗排种器播种检测装置，可实现对甘蔗籽播种过程检测，该装置包括矩形平行板电容器、检测控制单元、信号处理电路等，该装置可有效获取甘蔗机播种作业过程中的漏播指数与重播指数。

周利明等[45]基于电容传感器设计了棉花精密播种机播种检测装置，该装置由电容棉籽流量传感器、电容信号调理电路组成，可对棉花播种过程中出现的漏播或排种管堵塞进行报警。同时，周利明等[46]为改善玉米播种机排种监测的可靠性，设计了快速高精度电容播种检测装置，该装置通过获取相邻种子电容脉冲峰值间隔并计算脉冲积分面积，可得到播种的排种量、漏播率以及重播率等参数。陈建国等[47]基于电容法设计了一种小麦播种量检测装置，通过对同时下落的种子数量与电容变化量之间的线性关系进行建模，并利用时间窗口采样统计分析，建立了播种量实时检测模型，并提出了基于排种轮转速和采样频率关系的补偿算法，使得检测装置能够有效对小麦播量进行统计。田雷等[48]基于E型极板式电容传感器研制了玉米播种检测装置，该装置通过对检测电容值的比较与分析，可以对排种器工作中种箱排空、种管阻塞、漏播、正常播种进行实时监测。

电容检测式传感检测装置具有工作稳定、可靠性高、抗粉尘污染能力强等方面的优势。但因单粒种子在通过电容传感器时，引起电容值变化微小，对于单粒种子检测分辨率不足，不适合种子精密计数。

1.5 压电传感式

压电传感式传感检测装置其检测原理为当种子下落与压电元件发生碰撞，压电元件两端发生信号变化，通过对这种变化的信号进行调理，可将下落的种子信号转换为可供使用的脉冲信号，从而获取落种信息。利用压电式传感器研制的播种检测装置，其检测精度与压电传感器感应灵敏度、输出波形规整度、压电传感器有效感应区间、及安装方式等参数均有关，因此在设计基于压电式播种检测装置时，应选择合适压电传感元件并配套设计合理安装结构。

张曌[49]基于PVDF压电薄膜设计了水稻种子播种检测装置，该装置可对水稻穴播过程中的漏播、重播指标进行有效监测。王树才等[50]采用压电传感器研制了玉米精密排种器播种检测装置，该装置将单粒排种落粒物理量转化为电信号，通过单片机精确检测每两次落粒之间的时间间隔，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检测。张霖等[51]利用典型的弹簧-质量-阻尼系统理论对悬臂式压电陶瓷片的振动频率和阻尼进行分析，选择合适的粘弹性材料和安装方式，设计了一种基于压电原理的绿豆播种检测装置。吴明亮等[52]借助压力传感器直接检测排种箱质量变化，实现对油菜的播量实时检测，同时根据获取的实时播量，调控排种器转速进而控制播种量。黄东岩等[53]基于聚偏二氟乙烯压电薄膜传感器设计了玉米播种检测装置，将从排种器下落的单粒玉米物理量转化为脉冲电压信号，通过对脉冲信号处理可得到播量、频率、漏播率等相关参数。赵博[54]等为实现气流输送播种机播种质量的快速准确检测，设计了一种基于压电陶瓷的弧形阵列式播种检测装置，通过多次种子碰撞试验，最终确定了压电感知单元的材料与结构尺寸，该检测装置可对排种过程中的堵塞进行可靠报警。段婷[55]针对苜蓿播种时输种管堵塞，种箱排空的问题，基于压电检测元件，设计了播种检测装置，当苜蓿种子出现漏播或种箱排空时，该装置即可进行声光报警。丁幼春等[56]基于压电薄膜设计了一种油菜精量排种器播种检测装置，该装置采用沉槽基板设计，可有效降低机具振动对压电信号的干扰，可对油菜精量排种器排出的油菜种子进行准确检测。

压电传感检测法具有成本低廉，在低频排种频率条件下检测准确的特点，但由于压电传感器件易受振动影响，安装时对安装结构要求较高，同时压电式播种检测装置受其检测原理限制，必须要求种子与压电感应区发生碰撞才能进行检测，碰撞会导致种子下落序列发生改变，对播种均匀性造成影响。

2 中小粒径种子播种检测指标

播种机作业过程中，应用各类型传感检测装置对播种机播种状态进行检测，其中是否出现导种管堵塞或种箱排空是基本的检测指标，为进一步评估播种质量，又提出播量、播种频率、行距/株距、漏播、重播等指标。实际生产中通过对各指标的测算，可对播种质量进行有效评估。

2.1 堵塞及排空

在播种过程中，因排种量大、尘土堆积或排种器故障等原因，可能造成堵塞现象发生，堵塞发生时，如及时停车疏通，会造成大面积漏播。目前对播种过程中堵塞的检测多采用红外发光二极管和红外光敏二极管组成对射式光敏传感器，通过对光敏传感器两端的电压变化进行监测，进而对堵塞状况进行判断[57-58]。

播种机长时间进行播种作业时，种箱会出现排空。针对种箱排空状态，多于种箱内安装光敏传感器，当种箱排空时，光敏传感器持续受到光照，其输出电压或通断状态发生改变，对这种变化进行监测即可对种箱充种状态进行监测[59]。

2.2 播量指标

根据相关农艺标准，中小粒径种子播量指标多定义为亩播量，以油菜种子为例，农业农村部《2018—2019年度冬油菜生产技术指导意见》指出，每亩地需播种油菜200～400 g才能满足播种密度要求。

实际生产中亩播量的监测多为间接监测，首先通过试验得出种子数量与质量之间的关系（如千粒质量），种子传感检测装置在检测出播种数量后，结合种子数量与质量关系即可得出播种量，同时配套播种机上的测速模块计算播种机播种面积[60]，将播种面积与播种量结合即可得出亩播种量指标，对播量的监测可从宏观角度对播种质量进行评判。

2.3 播种频率指标

播种机排种器单位时间内排出的种子数目为播种频率，播种频率可有效反映播种机在播种过程中播种速率大小，通过对播种频率的实时监测，可进一步衡量播种机播种质量。

不同类型作物种子根据农艺要求播种频率不同，如油菜按照现行农艺标准其播种频率约20～40 Hz，该频率条件下的种子监测使用基于光电原理或压电原理的播种检测装置均具有较好检测效果。而对于小麦，其播种频率较高，播种频率可达100～300 Hz，基于光电或压电原理的传感检测装置在进行检测时，由于传感原理及种子信号调理电路的限制，导致其难以对高频种子流进行精确检测。为解决高频播种情况下对中小粒径种子的精确检测，针对未来油菜高频播种，丁幼春等[61]提出了一种将高通量种子流分流为多路低通量种子流并行检测的方法，并研制了高通量油菜种子流传感检测装置，实现了油菜高频排种时的精确检测，此原理可为其他作物高频排种或颗粒肥的精确检测提供一定思路。

2.4 行距/株距指标

作物播种时，需保持一定行距与株距，合理的行距株距使得作物在生长过程中可获取充分光照及养分，提高植物光合作用速率，因此在播种中对行距、株距的调节是保障作物增产增收的重要手段。

行距指田间两行农作物之间的间距，不同作物播种行距差别较大，如油菜播种行距一般为10 cm，小麦播种行距一般为15 cm。播种时行距多为固定值，合理的行距既保证了作物正常生长的需求，还为后期机械化收获提供了便利。

株距主要指同一播行内相邻两作物的间距，是衡量作物田间分布情况的重要参数，同时播种机排种器在进行精密播种与穴播时，株距将作为衡量排种器性能优劣的重要参考指标。

对株距检测可分为播种前、播种时、播种后，播种前检测是指利用人工黄油帆布带检测法或机器视觉等技术对排种器落种间距进行检测[62-64]，具有代表性的是黑龙江省农机研究院与中国农机院呼和浩特分院基于人工黄油带检测法研制的JPS－16播种机试验台[65]，该试验台可进行各种大中小型播种机及机械式、气力式排种器播种情况实况模拟，并可完成精播、穴播与条播排种器落种株距的测定；播种时检测是指利用套接于导种管的传感检测装置，计算相邻两粒种子通过传感检测装置的时间差，并结合播种机前进速度进行测算，即可得出株距信息；播种后检测是指当作物出苗后，利用遥感技术对出苗田块进行取样分析进而得出相应株距信息，华中农业大学赵必权等[66]利用低空无人机配合超高分辨率遥感相机对油菜出苗区域进行采集，通过对采集的高分辨率图像进行识别，区分出图像中油菜植株信息，可有效识别油菜植株数量，并可对油菜株距进行测算。

2.5 漏播/重播指标

相邻两粒种子由出种管排出至种沟时间间隔不同，在相同作业速度下造成播种株距不同，据此可将整个播种过程株距样本进行分类，得到漏播、重播及合格3个区域，根据《GB/T6973—2005单粒（精密）播种机试验方法》计算可得到漏播指数、重播指数、合格指数作为试验评价指标[67]，具体计算公式如下：

丁幼春等[68]为快速准确地反映不同漏播状态类型，针对油菜精量排种器漏播实时检测问题，在界定了“稀疏缺苗”和“断条”2 种不同漏播类型的基础上定义了稀疏缺苗系数与断条系数，分析了两系数的二维平面分布，提出了一种采用排种盘转速与排种脉冲同步检测、排种频率与时间间隔双重阈值约束的检测方法，该方法不仅有效解决了小粒径精量排种器重播条件下漏播的检测，而且对播量不足进行了约束，提高了漏播检测的实时性。

上述播种检测指标多维度评估了播种机播种质量，为农户对农田管理提供了一定依据，同时随着播种环节智能化的推进，将播种检测指标信息传输至云端，并在云端进行相应决策对播种机播种状态进行指导也将是播种检测指标未来的应用之处。

3 播种检测配套技术

3.1 变量补种技术

播种机播种过程中出现漏播故障时，如不能及时发现并采取补种措施，会造成播种质量降低，后期进行人工补苗提高作物种植成本，因而变量播种技术研究随之出现，变量补种系统多由播种检测装置和变量补种装置组成，当播种检测装置检测到漏播发生，检测装置将漏播指数实时传输至变量补种装置，变量补种装置配合机具作业速度及漏播指数，结合相应农艺要求，开展变量补种，实现“漏多少种，补多少种”，保证播种作业质量。

针对小粒径种子作物变量补种，丁幼春等[69]设计了油菜籽漏播螺管式补种器，同时针对油菜籽气力式精量排种器产生的漏播情况，设计了油菜精量排种器变量补种系统[70]，该补种系统由漏播检测装置、排种盘测速装置、变量补种装置及补种监测显示装置组成，各装置间指令和数据采用无线方式进行有序实时传输，经测试，该套系统在油菜精量排种器出现漏播时，可及时准确补种。陈刚等[71]研究的免耕精密播种机漏播补偿系统，采用等待补种、实时充种的方式，根据补种过程各动作时间关系，控制电磁阀和补种系统排种器动作时间，实现适时补种。吴南等[72]针对免耕播种机存在的漏播问题设计了补种系统，该系统以漏播补偿监测系统为核心将步进电机与补种器的排种轴直连，通过控制步进电机的转速和转角实现漏播补种。

目前中小粒径种子变量补种技术的研究多集中于高校，市面上成熟的变量补种系统鲜见。对于中小粒径作物种子变量补种技术研究主要存在以下难点：中小粒径种子尺寸较小，精确检测较为困难，难以准确得出漏播指数；变量补种装置接收到漏播指数时，存在一定滞后，导致补种装置补种不及时。基于上述原因，目前中小粒径种子变量补种系统多为科研探究，距实际推广应用仍有一段距离，因此还需对中小粒径种子变量补种技术进行进一步研究，确保变量补种系统在检测到漏播后能迅速准确补种。

3.2 播种信息传输技术

中小粒径种子播种检测装置可对播种机播种信息进行获取，为更好利用获取的播种信息，应用现有技术对播种信息进行传输，传输至云服务器，可实现云端存储或云端决策，大大提高了播种过程智能化。播种信息传输至云服务器处理终端的模式可分为有线传输方式和无线传输方式。

3.2.1 播种信息有线传输

在播种作业过程中，由于工作环境恶劣，为保证播种监测信息能有效传输，可选择有线传输方式进行信息传递。有线传输具有抗干扰能力强、故障率低等特点，是确保播种信息能准确、有效传输的必备手段。在当前播种检测系统中，多采用有线方式进行信息传输。有线传输包括CAN总线技术、RS485总线技术等。

CAN总线最初是为解决汽车产业中多电子控制系统信息交互而产生的现场总线技术，由于其高性能与高可靠性，目前已被广泛应用于工业自动化、医疗、装备等领域。近年来，在播种检测信息传输中运用CAN总线技术也逐渐增多，丁友强等[73]基于CAN总线设计了一套玉米精量播种机监测系统，采用CAN总线分布式控制方式完成主控制器和各个播种单体之间的指令传输。卢彩云等[74]为实现小麦播种作业性能的实时监控，设计了一种基于CAN总线的小麦精密播种机实时监控系统，将光电传感器采集的播种信息通过CAN总线传输至播种监测终端并实时显示。金鑫等[75]利用CAN总线，采集2BFJ-24小麦精量播种机变量施肥机称量传感器、肥料堵塞传感器、漏播检测传感器及前进速度传感器信息并进行处理，实现了播种检测信息的稳定传输。杨硕等[76]设计了一种具有CAN总线接口的播种监测ECU，装备有CAN总线接口的播种监测ECU在接收到播种监测传感器感应的种子信息后将播种检测信息通过CAN总线传输至排种驱动控制器单元，进行变量排种。林二东等[77]基于CAN总线设计了大豆播种检测系统，通过CAN总线实现检测装置与控制器之间的播种信息传输。

RS485总线是串行通讯标准之一，具有抗噪声干扰性强、长距离传输、多节点传输等特点。周利明等[78]为解决大型宽幅条播机作业质量检测的问题，开发了一种基于RS485总线的播种机种肥监测系统，利用RS485总线实现了多节点数据传输，便于数据扩展。

除以上两种有线播种信息传输方式，各企业、专家、学者根据自身研制的播种监测系统设计了配套的有线传输线路。如意大利MC Electronics公司研制的播种检测系统能够对玉米、小麦等播种株距、单位面积播种量、播种面积进行显示。国内苑严伟等[79]、丁幼春等[80]研制的播种检测装置所检测的播种信息均通过有线方式传输。

3.2.2 播种信息无线传输

实现播种信息无线传输主要依靠各无线传输模块，按照无线传输模块通讯距离远近可将播种信息传输技术分为无线局域网技术和无线广域网技术。

无线局域网技术主要包括Bluetooth，Wi-Fi，Zigbee，三者相关技术参数如表1。

国内学者应用无线局域网技术开发了相应播种检测系统。谯睿等[81]在三七播种检测系统中增加了蓝牙无线通讯模块，可将检测到的各导种管的播种信息传输至10 m内的上位机终端。李进鹏[82]设计的播种检测系统，在上位机检测显示终端和下位机种子播种上均安装蓝牙串口适配器，检测装置采集的，通过蓝牙适配器传输至上位机，上位机对接收的播种信息进行实时显示。王金武等[83]在所设计的检测系统中集成了蓝牙串口通讯模块，实现了信号的无线传输，并开发了适用于安卓系统的手机APP。

张勤仕[84]通过WiFi无线模块将油菜播种质量信息发送到上位机系统，上位机软件以Android APP的方式安装于手机中，人机界面友好，可显示各行播种粒数、亩播种量等信息。崔红光等[85]设计的水稻直播机播种信息无线检测系统，构建了基于Zigbee的无线传感器网络监测节点，通过路由节点上传数据，将播种信息于液晶显示屏展示并通过蜂鸣器报警。赵继成等[86]基于Zigbee技术设计了播种信息无线检测系统，所测播种信息由无线传输模块与单片机进行串口通信，再由单片机对数据进行分析处理后用液晶显示模块实时显示。宫鹤[87]基于ZigBee设计了玉米漏播补种系统，在主排种器后加装一个由步进电机驱动的副排种器，当漏播发生时，漏播信号由种子播种检测装置通过ZigBee无线传输模块传输至副排种器，副排种器开始补种。刘志欣等[88]基于无线传感网络技术和PLC控制技术，设计了一个基于ZigBee的播种检测信息无线监控系统，该系统利用光电播种检测装置采集播种信息，检测装置将采集的播种信息通过ZigBee发送到PLC，进而控制播种机行进速度及排种轴转速，实现播种状况的实时调控，使播种机行进速度与排种频率相匹配。

表1 常见短距离无线传输技术及其参数

除上述3种无线传输技术，在农机播种信息的无线短距离传输中以nRF24L01模块为代表的射频通信技术也被广泛使用。李丹等[89]为实时检测播种机工作性能，设计了一种用于对播种机性能检测的无线检测系统，该系统应用nRF24L01无线传输模块，对玉米播种机播种过程种的种子重播、漏播进行声光报警。王润涛等[90]利用nRF24L01模块，实现了播种机播种作业过程中的播种参数的无线传输，将播种参数通过nRF24L01模块传输至LCD12864液晶进行显示。丁幼春等[91]设计的油菜精量联合直播机播种检测系统，利用nRF2401无线传输模块采用“多对一”传输方式，将油菜播种检测信息传输至播种检测显示终端，终端可实时显示多路播量信息、排种性能指标信息以及各路排种频率曲线。

无线广域网技术主要包括蜂窝移动通信技术（2G3G4G5G），尹彦鑫[92]利用无线传输网络，对播种机的每一个检测位置部署具备数据采集及传输能力的无线传输网络节点，各网络节点将采集到的播种检测信息以无线传输方式汇聚于总节点，总节点将采集的播种信息转发至远程计算机监控中心，实现播种机播种作业信息的远程监测。

随着未来播种过程智能化程度的提升，制定统一的播种检测信息采集标准，将有线及无线信息传输手段相结合，保证播种检测信息的可靠传输。

4 发展趋势建议

近年来，国内中小粒径种子播种检测研究进展迅速，针对不同作物研制不同类型播种检测装置，为实现播种智能化提供了技术支撑。然而，从当前研究现状来看，尚存在以下问题，在后续研究中应着重解决。

1）高速播种精准检测问题

目前中小粒径作物播种机作业速度较慢，其相应播种频率较低，随着未来农机装备发展，高速、宽幅播种机成为趋势。因此为满足播种时植株密度农艺要求，需提高播种机排种器播种频率，为保证高频播种质量，需对高频种子播种过程进行精准检测。在进行中小粒径种子高频播种精准快速检测时，面临以下两个问题：其一，当播种频率过高时，单位时间内穿越播种检测装置感应区内种子数目增多，对感应元件检测分辨率及种子信号调理条路处理信号处理时间提出更高要求；其二，因播种频率较高，两粒或两粒以上种子同时穿越感应区概率增大，此时，播种检测装置难以准确分辨，一般将两粒或两粒以上的种子检测为一粒种子。综上，为解决中小粒径种子高频播种精准快速检测，可考虑将高频种子分流为多路低通量种子流并行检测，对高频种子进行精准快速检测。

2）多类型种子检测适应性问题

中小粒径种子类型众多，其相应物理特征也有较大差别。目前对不同粒径种子进行检测时需研制对应特制检测装置，造成检测装置种类繁杂，难以形成统一标准。

因此对于不同类型种子，研究基于相同传感方法的检测装置，在进行不同类型种子检测时，仅需简单调整检测电路元件参数或不做任何调整，即可实现对不同粒径种子的兼容检测。研制具有广适性的播种检测装置，解决不同种子检测适应性问题，可为播种检测标准化推进提供便利工具，同时也利于播种检测装置的大面积推广与使用，为智能化播种信息采集提供技术基础。

3）播种检测标准构建问题

针对不同类型播种方式，其相应播种指标不尽相同，利用播种检测装置进行检测时，会得到不同参数。目前国内还没有建立完整的播种检测标准体系，制约了播种检测技术发展。对不同播种方式构建对应播种检测标准，可更加科学对播种质量进行评估。未来播种方式主要包括：精量播种、精密播种等。针对精量播种，评估精量播种播种性能指标主要应包括播量、播种均匀性；对于精密播种，评估精密播种性能指标主要包括播种粒数、粒距等指标，同时为实现智能化播种，对于每一粒种子的时间、空间信息也应进行采集。除对不同播种方式各自典型的播种检测指标进行检测，各播种方式共有的检测指标如播种频率、漏播率、重播率、播深、作业速度等，应作为作物播种检测的基础指标。因此结合不同地区作物种植模式，配套区域性地方播种检测标准，可有效推动播种智能化发展。

当前播种监测信息主要包括播种量、播种频率、播种间距、穴粒数、播种面积、作业速度等传统参数指标，随着精准农业的推进对于播种信息的需求日益丰富，为每一粒种子标记时间、空间信息，可对播种田块的播种状态分布图进行绘制，能够更好评估播种质量优劣，为后期针对性补种、间苗提供便利。目前对于播种信息融合的研究鲜有涉及，播种信息与时间、空间信息融合的算法研究及相应硬件平台搭建是一个可深度挖掘且具有实际意义的命题。

4）前沿科学技术应用于播种检测的问题

物联网、大数据、云计算及5G技术为工业赋能，让工业生产更加智能，同样新兴科技手段也逐渐进入农业领域，将新兴技术手段应用于播种检测领域，由播种检测装置采集的播种状态信息通过5G上传至云端数据库，根据不同田块构建不同区域播种信息数据库，对上传的播种信息进行分析并做出决策反馈到播种机具上，调整作业模式，实现智能化播种。

5）播种检测信息深度挖掘与应用问题

国内针对不同作物研制了相应播种信息采集装置，多数信息采集装置采集的播种信息均为一次性信息，仅对播种质量信息进行实时检测，采集的信息在播种作业结束后便被丢失。因此将播种信息上传至云服务器进行存储与决策，可真正实现播种过程智能化。播种检测装置实时发送排种频率及定位等信息，将上传的信息作为云服务器播种决策模型输入参数，经决策后可得出播种机作业速度，将该速度信息反馈至播种机，即刻实现播种机变量作业；同时，通过对同一地区相同作物播种信息进行采集，将该作物播种信息上传至云服务器，构建区域性作物种植信息数据库，结合大数据处理、深度学习技术，将天气、田块肥力、播种质量信息进行融合，可对区域作物产量及适收期进行预测。

5 结　论

中小粒径种子作物发展潜力大、市场前景好，本文对中小粒径种子播种检测的感知方法、检测指标、配套技术及发展趋势展开论述，主要得到以下结论。

1）实际生产中，针对不同作物不同作业场景，选择合适感知方法研制播种检测装置实现中小粒径种子的精准检测。

2）播种检测指标多维度评估了播种质量，量化的指标为大田农作物管理提供一定依据，并为未来智能化农机播种决策提供支撑。

3）以播种检测为基础的变量补种技术有效解决了田间漏播的发生，保证了播种质量；播种信息传输技术的应用，为播种信息化进程的推进奠定基础。

4）未来中小粒径播种检测技术研究可以从以下方面开展：高速播种精准检测、多类型种子通用性检测、播种检测标准构建、前沿科学技术播种检测融合、播种检测信息深度挖掘。

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Research progress of seeding detection technology for medium and small-size seeds

Ding Youchun, Wang Kaiyang,, Liu Xiaodong, Liu Weipeng,Chen Liyuan,Liu Wenbo, Du Chaoqun

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

Small to medium-sized seeds are characterized by non-food crops with an average diameter of less than 7 mm, mainly including rape, wheat，alfalfa, panax ginseng, and cereals. Since crop cultivation is gradually changing from the original grain to the diversified economic type under the adjustment of agricultural industry in China, the small to medium-sized seed crop is generally expected to serve as a sunrise industry with more promising markets. However, it is difficult to monitor the sowing status because the seeder seeds thought tube is enclosed status, when small and medium-sized seeds are sown in the field. In addition, in the detection of small to medium-sized seed crops, the seeds sow frequency is higher compared with large seed crops (rape row frequency is about 20-40 Hz, wheat row frequency is about 100-300 Hz), and it is difficult to accurately distinguish single seeds because of the high row frequency and poor seed sequencing, and there are also difficulties in detecting small to medium-sized seeds because of the small seed size and the weak seed signal generated when the seeds cross the sensing area. The above reasons make it difficult to accurately detect small and medium sized seeds. Correspondingly, the quality of seeding depends seriously on the seed rower, where missing seeds can inevitably result in sparse seedlings and broken strips in the complex field environment. Once a missed sowing cannot be found in time, a large area to be missed can inevitably occur, especially for the wide high-speed seeder with a high operation speed and sowing width. Manual replenishment of seedlings at a later stage is also time-consuming and labor-intensive. Therefore, it is necessary to real-time monitor the sowing process of small and medium-sized seeds for the high quality of crop sowing. Alternatively, the state-of-art technology of seeding detection is widely expected to realize variable seeding in intelligent agriculture. In this study, a systematic review was performed on the progress of detection technology and corresponding equipment for small and medium-sized seeds in the international market. Five sensing methods were selected to clarify the benefits and limitations, including mechanical electromechanical alarm, machine vision, photoelectric, capacitive, and piezoelectric sensing detection. Meanwhile, seven evaluation indicators were selected to determine the sowing detection, including sower failure monitoring, sowing volume, sowing frequency, rowing spacing, planting spacing, missing sowing, reseeding. The specific indexes of sowing detection were proposed for different sowing modes in combination with precision agricultural requirements. Furthermore, a full overview was made on the leakage compensation and information transmission of sowing detection to avoid the sowing leakage. In addition, a systematic summary was given on the sowing detection related technologies, and the possible development requirements for small and medium-sized seed sowing detection in the context of precision agriculture. Future detecting trend was foreseen when sowing small and medium-sized seeds. Consequently, three aspects were elaborated, including the current detection, detection indexes, and sowing detection for small and medium-sized seeds. Technical difficulties were given using detection devices for small and medium-sized seed flow during this stage. The finding can provide a key technical support to sowing detection of small and medium-sized seeds.

agricultural machinery; detection; precision seeding; sensing principle; small to medium-sized seeds

丁幼春，王凯阳，刘晓东，等. 中小粒径种子播种检测技术研究进展[J]. 农业工程学报，2021，37(8)：30-41.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, et al. Research progress of seeding detection technology for medium and small- size seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 30-41. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004 http://www.tcsae.org

2020-12-17

2021-03-31

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）湖北省重点研发计划项目（2020BAB097）

丁幼春，教授，博士生导师，研究方向为油菜机械化生产智能化技术与装备。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.004

S223.2+5

A

1002-6819(2021)-08-0030-12