一种精密播种漏播监测装置的研究及应用

○山西省农业机械发展中心 杨春华

一、发展背景

精密播种是将种子在土壤中进行三维空间的精确定位，具有节约种子、节省工时和增加作物产量等优点。精密播种机在复杂的作业环境下，容易出现不同程度的漏播问题，一旦产生故障性的漏播，将会造成严重的缺苗断垄，甚至大面积无效播种，影响播种质量。因此在精密播种机上配置漏播监测装置是十分必要的。

二、漏播监测装置的组成

漏播监测装置包括激光对射传感器、PLC 控制器和计数器。激光对射传感器对排种盘上的孔眼是否有吸附的种子进行检测（图1）。激光对射传感器是把光信号（可见及紫外镭射光）转变成为电信号的器件，具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。激光对射传感器由三部分构成，分为发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标不间断地发射激光束，发射的激光束来源于激光二极管。接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件透镜和光圈等，在其后面是检测电路，滤出有效信号和应用该信号。本研究选用的激光对射传感器为洛施达M12 激光对射式传感器，光斑大小为2—3mm 的光点，动作状态为常开，响应时间是5ms。计数器是计数排种盘转动的圈数并根据排种盘上孔眼的个数计算排种盘上孔眼经过激光对射传感器的个数，本研究选用的计数器为山腾牌，型号是ST76-TD。PLC 控制器对激光对射传感器和计数器发回的实时数据进行分析、统计和计算，并根据设计要求发出相应的报警指令。PLC 可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟方式输入/输出控制各种类型的机械。本研究选用艾莫讯AMSAMOTION的AMX-224 小型PLC，并编写了排种计数、漏播计数等设计要求的程序，主要技术参数为功耗7W、电压24V、程序存储器20K、计数器速率20kH。

图1 漏播监测装置的组成

三、工作原理

漏播监测装置工作时，排种盘在进行排种旋转运动，激光对射传感器与计数器相配合，不断地对排种盘上的孔眼进行监测，排种盘上孔眼经过激光对射传感器一次，即代表着排种一次。当排种盘上的孔眼吸附着种子时，激光对射传感器发射端和接收端的光路被遮挡住，光电脉冲电路不会产生电脉冲信号；当孔眼上没有种子时，发射端和接收端的光路接通，每接通1 次，光电传感器电路便产生1 个脉冲信号，输出的脉冲数即代表排种器漏播的数目。激光对射传感器监测到1 个孔眼无种子时，并向PLC 发出1 个脉冲信号，以此类推，同时计数器向PLC 实时反馈排种数量。在PLC 控制器中设定报警数值，达到不同的数值，发出相应的报警信号。根据程序设定，排种盘（26 个孔眼）每转一圈，计数器向PLC 反馈的排种数量为26 个。在每26个排种数量的区间内，PLC 接收到的脉冲信号数量为N 个。当0 ≤N ≤3 时，为正常排种情况，PLC控制器不发出报警；当3 ＜N ≤6，为漏播严重情况，PLC 控制器发出报警信号1；当6 ＜N ≤12，为缺苗断垄情况，PLC 控制器发出报警信号2；当12＜N ≤26 或连续5 个，为排种器发生故障情况，PLC 控制器发出报警信号3。

漏播监测传感器安装在排种器内，激光对射传感器的发生器和接收器分别在排种盘孔眼的两侧，并且与孔眼的中心线一致。这样的布置，不仅极大程度上减少了灰尘的影响，而且在排种器内受光照影响也极小。同时激光对射传感器的直线性非常适合孔眼是否被遮挡的监测。采用激光对射传感器检测φ2.5—φ5 的孔眼，直接计数，极大地简化了监测算法。

四、试验应用

精密播种漏播监测装置的试验应用一般分为实验室试验和田间试验应用。实验室试验是人为控制的条件下对漏播监测装置进行的性能试验，可以不受自然条件的限制，实验室所要求的条件比较简单容易实现，便于进行精确的测量和研究。目前实际生产中所使用的漏播监测传感器（落种检测传感器）是安装在排种管内或排种器出口处内的，主要使用的是红外线光电传感器，发射管射出红外线光束，当接收器接收到足够的红外线时，红外线光电传感器的开关状态发生变化，这个过程对工作环境中的灰尘和光照很敏感。无论是在排种管内还是在排种器出口处，虽然做了防尘设计，都很难避免灰尘的影响。在实验室内模拟光影响、灰尘影响、振动影响等条件下，进行漏播监测以及计数准确程度的检测和研究。在气吹式排种器内配置漏播监测装置，通过步进电机驱动排种盘旋转，激光对射式传感器监测排种盘上的孔眼，间隔留有3 个孔眼为空，其余孔眼堵住，当为空的孔眼经过激光对射式传感器时接收器和发射器后面的灯会亮起，当堵住的孔眼经过时不会亮起，经过室内试验，得出计数准确率99%以上。模拟光影响，在室内正常进行漏播监测装置试验的同时，不断开关电灯及用手电筒照射排种器，得出计数准确率在98.5%以上。模拟灰尘影响，在室内正常进行漏播监测装置试验的同时，不断扫起和荡起尘土，得出计数准确率在98.2%以上。

田间试验应用是在田间环境下进行的性能试验和适用性应用，田间试验的结果反映精密播种漏播监测装置的性能。由于田间试验应用作业环境复杂、条件恶劣、季节性强，要做好充分准备，获得试验数据。在广泛调研的基础上，邀请播种机方面专家、用户等进行讨论，并编写田间试验实施方案。2022年6月，在长治市沁源县中峪乡进行了田间试验，将漏播监测装置安装在马斯奇奥SP-4 型气吸式精量播种机上，完成了精密播种漏播监测装置的调试、试验和数据采集，试验应用面积约300 亩。

五、效益分析

精密播种漏播监测装置，实现了准确的漏播监测和不同程度的漏播报警，提高了粮食产量，节省了种子资源，降低了能源消耗。

1.经济效益。精密播种能够一次完成播种、施肥、覆土、镇压等多项作业，可节省播种量，减少2—3 道工序，减轻劳动强度，降低生产成本，又能够达到苗齐、苗壮，实现作物增产增收。玉米精密播种较传统播种每亩节省种子2.5—3 kg，省工2—3 人，降低成本100 元，增产粮食35 kg；大豆精密播种与常规条播相比每亩可节约种子1.5 kg，节约种子成本30 元。使用精密播种漏播监测装置的机具进行玉米等作物播种，对播种作业中的排种器的排种盘上的吸种孔眼进行实时监测，发现一定量的漏播或排种故障等及时报警，不会产生大面积无效播种，二次重播浪费种子，而且生产效率高，受农民朋友的欢迎。在沁源县试验播种后进行效益分析，这个播种季节作业1500 亩，每亩收费25元，毛收入达3.75 万元，纯收入约2 万元。

2.社会效益。目前我国玉米、大豆等作物的机械化水平相对较高，但实施具有漏播监测功能的精密播种的面积所占比例并不高。以玉米为例，2020年全国玉米年均种植面积约4 亿亩，实施漏播监测的精密播种的面积不足30%。我国每年主要农作物播种总面积超过16 亿亩，若全面推行漏播监测的精密播种技术，可减少机具作业环节，节约劳动力资源，减少能源和其他各种资源消耗。