棉花精量播种质量检测技术研究

牛程，靳伟，翟俊杰，李陶涛，刘振坤

（新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

0 引言

国家统计局数据显示，2022 年中国棉花种植面积为300 万hm2，棉花产量为597.7 万t，位列全球第一，印度和美国分别位列第二和第三[1]。中国棉主要有新疆、黄河流域和长江流域三大产棉区，三大棉区的产量合计占全国棉花总产量的99%以上，新疆地区棉花种植面积最大，占中国棉花总种植面积的83.22%[2]。近年来棉花产业持续向新疆棉区集中，其他棉区种植面积和产量持续萎缩[3]。

棉花铺膜精量穴播机可一次性完成镇压、铺滴灌带、覆膜、膜上穴播及覆土等作业，单粒率精准度达到90%以上，空穴率小于3%。目前棉花播种过程处于封闭状态，无法人工直接监控其播种质量，棉花铺膜精量穴播机的结构和播种要求独特，因此现有检测装置不适应新疆棉区播种质量检测需求，且针对棉花精量穴播质量智能检测技术的研究较少[4-5]。当棉花精量穴播器发生故障时，由于缺少检测装置，会发生大面积重播、漏播、损伤种子等问题（图1），以至后期需增加人力补种和补苗。

图1 棉花漏播缺苗

目前美国和澳大利亚等国家的棉花种植机械化水平基本达到100%，我国棉花机播率为88.16%[5]。新疆棉区采用地膜覆盖和精量穴播技术，机械化播种水平较高，但黄河流域和长江流域棉区仍然以传统棉花生产方式为主，受人力成本限制，机械化程度较低。由于缺少有效的播种质量检测装置，棉花种植过程中易产生漏播及缺种断行等问题，出苗后补种贻误最佳播期，增加劳动力成本并造成减产，是当前棉花生产过程中亟待解决的重大问题。

1 棉花播种质量检测技术研究

1.1 光电式精量条播质量检测技术

刘靖怡等针对长江流域麦后棉花直播精量播种机缺少播种质量检测装置的问题，分析了国内外播种检测传感技术并结合长江流域麦后棉花种植农艺要求设计了适用于长江流域的棉花精量条播检测装置[6-8]。棉花精量条播检测装置选用黑色树脂材料经3D 打印制成，具有较好的遮光性，其三维模型如图2。该装置主要由棉花播种检测通道、入射端LED 薄面窄缝透光模组、接收端感光模组、信号采集电路板、定位结构、电源及信号传输开关组成。其中棉花播种检测通道由检测入种口、棉花种子检测区域和检测出种口组成；入射端LED 薄面窄缝透光模组由入射端LED 支架、LED 线阵光源和LED 薄面窄缝透光区组成；接收端感光模组由接收端支架、硅光电池和平凸透镜组成；定位结构包括模组支架定位挡板和十字定位柱。

图2 长江流域棉花精量条播质量检测装置三维结构

该检测装置工作时硅光电池实时感应光强的变化，其两侧电压随之改变，毫伏级棉花种子信号经信号采集电路板的RC 低通滤波、两级放大、二极管半波整流和电压比较等信号调理环节传输至棉花精量播种监测终端进行进一步分析和处理，完成排种检测的信号采集与传输。田间试验表明，当排种频率为6.04～17.72 Hz 时条播质量检测准确率达96.61%。

1.2 压电式精量条播质量检测技术

杨军强等利用压电薄膜的压电效应设计了精量条播种子流传感检测装置（图3），实现了种子的实时感知计数功能。压电式精量条播质量检测装置主要包括入种口、沉槽基板、导管、出种口、压电薄膜和碰撞腔等[9-10]。

图3 压电式精量条播种子流传感检测装置

入种口落入的种子经导流管聚集为一束连续的单粒种子流，减少种子重叠，压电式精量条播种子流传感检测装置中的沉槽基板—压电薄膜感应结构提高了种子流检测时间分辨率和抗振性，通过设计信号采集系统实现了种子微弱碰撞信号的放大、半波整流、电压比较及单稳态触发调理转化为单脉冲信号等功能，无线模块定时将信号发送给监测显示终端，实现播量数据的实时显示与保存。田间试验表明种子流传感装置能够实时检测播种质量，检测准确率不低于98%。

1.3 基于机器视觉的棉花穴播质量检测技术

当棉花播种机发生故障且无报警检测装置时易出现重播、漏播和棉花种子损伤等问题，导致棉花植株疏密不均、棉花生产成本上升、棉花产量和质量降低，给后续棉花机械化收获造成诸多不利因素。为此，靳伟等提出基于机器视觉的棉花精量穴播棉花种子快速识别与检测方法，开展棉花精量穴播质量检测技术研究，提升棉花种植机械的智能化与信息化水平。

靳伟等设计和研发了棉花精量穴播种子图像识别与检测装置用于获取棉花种子的特征信息[11]。棉花穴播种子图像识别装置如图4。该装置选用KS2A17 高速摄像头（模组200 万、高清120 帧），镜头可调整至多种角度并且摄像速度可达120 帧/s，适用于棉花穴播种子的高速运动摄像，摄像头体积小(长×宽×高：38×38×26，mm)、价格低，可直接安装于棉花精量穴播器内部并检测播种质量信息。光源选用LED 背光源，其体积为50×45×2.3 mm3、电压为3 V 的白色定制发光板；电源选用电压为12.6V 的锂电池，电源模块的输入电压范围为6.5～18 V、输出电压为3.3 V，选用单面背胶LED 背光源反射膜将光源发射的光线经反射膜均匀照射到棉花种子与定位标识码上，解决了因反光导致检测准确率下降的问题。

2 棉花播种质量检测技术对比分析

（1）机器视觉检测技术兼容性高，对所检测的种子外形和大小没有严格要求，可对种子的落种位姿、落种速度、落种粒数和粒径等信息进行分析，但由于其对作业环境要求较高，还需深入研究应用于田间实际作业的实时检测技术。

（2）光电传感检测法具有成本低、无接触传感及响应快速等特点，但田间粉尘可能会附着在光敏器件表面，导致感光器件响应灵敏度下降，同时限制感光区域的光层厚度，导致检测精度降低。

（3）压电传感检测技术成本较低、在低频条件下检测准确率较高，但检测元件安装要求较高且易造成种子拥堵。

3 棉花播种质量检测技术展望

目前棉花精量条播质量检测系统和装置的研究尚不成熟，针对棉花精量穴播质量检测方面的研究资料较少。棉花种植模式、播种机结构及农艺要求等因素导致现有检测系统及装置不适应棉花精量穴播质量检测的要求。棉花精量播种机械缺少有效的检测报警装置会导致大面积重播、漏播、损伤种子以及后期补种、补苗问题，造成棉花产量和质量降低，给后续棉花机械化收获造成诸多不利因素。未来的棉花播种质量检测技术将向自动化、智能化、精准化和生态化的方向发展。

4 结论

文中介绍了三种棉花精量播种检测技术与方法，对比分析了三种检测技术的优缺点，论述了光电式、压电式和基于机器视觉的检测技术在棉花精量条播和穴播质量检测装置中的应用。现阶段亟需开展对棉花播种质量检测技术的研究，提升棉花种植机械的智能化与信息化水平以应对国内外棉花市场的严峻挑战。