玉米精量播种机播种质量监测与调控系统设计

潘超然

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

农业农村部关于农业机械的十四五规划指出，我国农机具配置结构已经日趋合理，农业机械化与信息化、智能化需完成进一步融合，进一步改善农机化作业条件，促进农业机械化进入高质量发展期。近年来我国的农业机械化普及率持续提升，农业机械产品的种类和工作质量持续优化，农民对于农业机械的认可度明显增强。播种是玉米生产的重要环节，新型播种机具有宽幅、高效、精确、省种的特点，十分适合在规模化农业生产中应用。但单纯依靠机械结构进行播种常因为缺种、输种管堵塞等原因造成漏播，若漏播现象不能被及时发现，可能导致大面积漏播而影响玉米产量。因此在现阶段精量播种机技术的基础上，结合传感器技术监测播种质量，能有效改善精量播种机性能和可靠性，为提升玉米机械化生产流程，促进玉米产量提升具有积极意义。

1 玉米播种质量的监测技术

1.1 典型技术及理论

从近年来的相关研究和实践应用来看，播种质量的监测主要以电气控制技术为基础，以传感器技术和逻辑分析技术为核心，结合玉米种子的结构特点开展播种质量的监测。对于玉米播种质量的监测工作集中于播量统计和播种位置统计，其典型技术包括以下几类。1)光电监测技术。主要是利用光电传感器进行监测，随着技术的发展，根据光线信号的不同，光电传感器可分为红外传感器、激光传感器、光纤传感器等几类。光电传感器主要是利用点对点发射与接收光信号监测播种情况，当播出的种子遮挡光信号会使光信号产生变化，控制系统将传感器的光信号转换为电信号，用以掌握播种状态，并对播种机进行控制与优化。2)压电监测技术。主要是利用玉米种子下落过程与传感器监测原件碰撞产生的压强变化获取播种信息，随着工业电控技术的发展，压电传感器的种类也得到扩展，现阶段在农业生产中应用较多的的压电传感器包括PVDF压电信号传感器、压电陶瓷压敏传感器等。3)电容监测技术。主要是利用玉米种子播出后经过传感器过程中引起电容极板介电常数产生变化，导致传感器内部电容值改变实现计量。4)视觉检测技术。主要是在播种位置增设摄像设备实时获取播种图像，结合计算机技术快速分析图像信息，以确定播种质量，并辅助确定播种位置[1]。

1.2 相关研究与探索

为进一步利用精量播种机提高耕地利用率与玉米产能，我国农机生产企业和科研工作者对播种质量检测技术和方法开展了大量探索和实践。吴晓庆[2]针对玉米精量播种漏播检测展开研究，结合玉米漏播的常见原因，设计了一套玉米精量播种漏播检测系统，提出了一种基于播种时间间隔检测法的漏播检测方法，并以该方法为基础，设计了漏播补偿系统，经试验验证，漏播检测系统对排种总量的检测精度超过96%，排种合格指数最高达到98.47%。马彪[3]对2BYQD-4A1型电控玉米免耕播种机进行了技术优化，以直流电机代替地轮作为播种驱动方式，并在播种单体上安装有播种监测模块和播深测量模块，利用卡尔曼滤波融合遗传PID控制算法实现播种驱动电机速度闭环控制，通过双路超声波传感器采集播种深度值，该技术播种监测精确度高，能有效提高播种质量。从国外播种机产品技术来看，John Deere、MC ELECTRONICS等国际化农机企业的先进播种机产品已经配套了较为成熟的播种监测系统，如图1所示为意大利MC ELECTRONICS公司为播种机配套的监测系统，该系统能实现对每个排种器的独立监测，并对播种异常进行提示控制[4]。

图1 MC ELECTRONICS公司播种机监测系统

2 监测系统功能设计

2.1 开发环境及控制流程

玉米播种质量检测系统的开发采用国际通用KEIL MDK编译器开发，以C语言作为程序编制语言，使用标准库函数进行程序编写，程序控制可靠性高，程序修正与升级简单快捷。结合传统精量播种机在玉米播种作业过程易出现的排种质量问题，设计了如图2所示的玉米播种质量检测系统主程序控制流程，以此为基础进行软件控制功能的细化和开发。

图2 玉米播种质量检测系统主程序控制流程

2.2 控制逻辑与细节功能

2.2.1 PID控制

对于播种质量的检测以PID控制算法作为逻辑判断依据，由于对于玉米的精量排种质量监测不具有复杂的逻辑判断需求，主体工作在于分析和判断播种数量、播种深度两项关键指标，因此，通过PID的逻辑判断理论值与系统输出值之间的差值，并以此为输入值进行比例、积分、微分的分析，形成最终的控制方案，PID控制基础逻辑如图3所示。

图3 PID控制基础逻辑

2.2.2 功能与界面设计

操作界面是人机交互的媒介，其能够将系统获取的播种机工作质量数据直观显示出来，并便于驾驶操作人员对监测与调控系统进行调整，专业技术人员也能通过人机交互界面进行程序升级与修正。如图4所示为玉米播种监测与控制系统的人机交互界面，能够显示各个排种器的工作参数和对应开沟器的开沟深度参数，并将漏播率通过柱状图显示。控制系统可根据漏播情况提出警示或修正电机运转状态，做到漏播问题及时修正，若系统控制修正未解决问题，则发出二次警报，提醒驾驶员玉米播种过程可能出现大面积漏播，方便驾驶员及时人工检修调整。

图4 玉米播种监测与控制系统的人机交互界面

2.2.3 远程监测与数据传输

现代化智能农机作业需要更好的人性化设计，随着互联网、移动终端的普及和广泛应用，智能监测系统也应配套相应的远程数据传输、数据查看、管理等功能。因此，在播种机监测系统获得相关数据，或调控功能执行相关决策的同时，以监测终端作为数据的发送端，将数据和决策信息上传至云端。利用TCP / IP 协议的 8080 端口可在云端实现对数据的调取、查看。

3 硬件选择与设计

3.1 播种量统计传感器

对比常用的光电、压电、电容、视觉四类传感器技术，分析了四者之间的优缺点，其中电容传感器稳定性不佳，易受到干扰；压电传感器需要种子与传感器产生碰撞，易导致播种后的下落轨迹产生变化，影响播种位置；视觉传感器对环境要求过高，且成本高，实时性不好。因此，选用性价比更高的DINEL964S激光光电传感器。

3.2 播深测量传感器

播深测量传感器适合选用非接触式传感器，如超声波传感器、激光传感器等。结合玉米播种大田环境，作业过程产生的粉尘会严重影响激光传感器的精度，超声波传感器相对而言对于粉尘、遮挡等的抗干扰能力更强，适合在测量播种深度时使用。为降低大田环境中不利因素产生的影响，选用具有能够对声波速度自动进行补偿功能的US-150P超声波传感器，以提高检测精度。

3.3 电机选择

电机是排种器性能控制的驱动力装置，也是核心装置，为提高控制的稳定性，选用直流无刷电机作为驱动电机，能更好地适应田间作业时的振动和恶劣环境，能满足播种过程持续的高负荷作业要求。本次选择的直流无刷电机为57CAC1258-235EF9，额定功率为0.15 kW，额定转速为3 000 r·min-1，配套25∶1减速器。

4 调控逻辑分析

4.1 漏播调控

当传感器发现漏播并持续一定时间，系统自动检测排种器运转状态，若排种器转速异常，无刷电机自动增大转速使排种器达到标准运转速度，此时光电传感器监测排种量，若200 s后排种量仍不合格，则向驾驶员发出警报，提醒驾驶员对输种管、排种器型孔、种箱种子量进行检查。

4.2 播深调控

当超声波传感器监测到播种深度持续不合格，则开始对比周边播深，若平均播深不合格，则系统控制液压泵增加播深，若单一位置播深不足，则判定为开沟器磨损或损坏，提醒驾驶员进行检修。

5 结语

综上所述，在现阶段玉米精量播种机技术基础上，结合电气控制和传感器技术对播种质量进行监测，并利用监测技术指导决策和调整机械工作状态，能有效提升播种质量。与国外播种机相比，我国的监测技术应用较少，机械技术仍处于自动化阶段，智能化特征仍不明显。未来应加强对播种机监测技术的实践应用，持续优化播种质量，提高耕地利用率与粮食产出。