油菜精密排种器智能检测系统设计研究

吕 青 ，付全有

（湖南农业大学，湖南 长沙 410000）

1 研究目的及意义

我国作为世界油菜生产、加工、销售大国，油菜种植范围非常广泛，全国各省份均有不同程度的分布，主要产区集中在长江流域，种植面积占全国的70%。油菜不仅可以加工食用油，在化工、医药等领域也有广泛应用。油菜生产多数采用人工操作，劳动强度大，作业效率低，劳动力成本不断提高，受多重不利因素影响，我国油菜生产效益低下，生产规模减小。根据国家统计局的数据，2012—2018 年油菜籽种植面积持续呈现减少趋势，2018 年油菜籽种植面积一度减少至6 550.61 khm2。

我国油菜种植方式主要有人工撒播、育苗移栽和机械化直播三种方式。人工撒播机械化水平低，浪费大量种子，消耗大量劳动力；育苗移栽实现株距均匀分布，但移栽的方式费时费力，工作量大，效率低，难以实现机械化；机械化直播是使用油菜播种机将油菜种子直接播种到田里，节省了大量劳动力，同时提高了生产效率，保证了株距均匀性，方便了后期的田间管理与油菜收获，是提高油菜发展水平的重要途径。

随着油菜生产机械化程度的提高，油菜籽单位面积产量从2012 年的1 864.78 kg/hm2不断提高，2020年单位面积产量达到2 076.82 kg/hm2，如图1所示。

图1 2012—2020年油菜籽单位面积产量

2 精密排种器检测与监控系统国内外研究现状

2.1 国外研究现状

美国、加拿大、澳大利亚等国家积极研究排种器监测技术，在传感器触发信号、图像处理、智能控制等方面取得了一定成果。美国宾夕法尼亚州立大学研究团队采用了机器视觉技术，实现了对精准播种的监测。排种器监测装置的相关研究在国外已经有了比较长的历史。早在20 世纪50 年代，美国就开始研究利用光电技术监测播种的密度和位置。到了20 世纪70 年代，美国工程师William Lienweber 提出了精密播种机的概念，并利用计算机辅助设计技术实现了对种子的准确定位和控制，使得机械播种的精度得到了显著提高。

2.2 国内研究现状

我国精量播种研究起步较晚，随着我国精量播种技术不断创新，对精量播种器检测系统的研究力度也在不断增大。

丁幼春等通过利用高速摄影技术对种子投种轨迹进行提取，分别研究了投种轨迹与正压力关系、投种轨迹与成穴性关系，为精量排种器投种口、导种管的设计提供了参考[1-2]。

张勤仕利用激光管作为发光元件，光敏二极管作为光敏元件，设计了光栅式排种检测传感器[3]。

王雪玲设计了一种基于时变窗口的漏播实时检测与自补种系统，可有效准确地检测出油菜精量排种器的不同漏播状态类型，并及时驱动补种器进行补种[4]。

吴明亮等基于压力传感器设计排量调控检测系统，直接检测排种箱的质量变化，进而驱动排种轴电机转动来实现对排量的调控[5-6]。

3 油菜籽精密排种器监测装置的研究

3.1 研究内容

本文以油菜精密排种器智能检测系统为研究对象，主要研究内容如下[7]。

1）油菜籽特性研究：选取油菜籽作为研究对象，对油菜籽特性进行研究，得到油菜籽下落时的运动轨迹，确定传感器的安装位置和传感器检测的高度和幅宽。

2）监测系统的设计：选择合适的传感器及单片机型号，用仿真软件模拟传感器工作过程，获取播种时的漏播和重播情况[8]，搭建蜂鸣器及显示屏，实现人机交互读取到播种实时情况。

3.2 技术方案

油菜籽排种器排种工况监测装置的安装位置选择：在实际生产中，为了提高整个排种器的工作效率和性能，应该将排种工况监测装置安装于紧靠在开沟器上方的位置，通过这样的安装方式，可以最大限度地保证监测装置对于排种工况的实时监测，并及时发现问题、解决问题，保证排种器的顺利运行。

光电传感器由发射端和接收端两个互相独立的部分组成。发射端内置直径为10 mm 的红外线发射二极管，其波长为850 nm，发射角度为45°，针对监测装置的特殊性，采用了长方体结构的设计，其尺寸为45 mm×35 mm×40 mm，通过安装焦距为17.5 mm的凸透镜，实现了光线的聚焦和监测精度的提升。接收端则采用了紧密排列的宽度为2 mm 的贴片式红外接收二极管，通过串联连接成一字型，用于接收发射端发出的红外光信号，并且将其转化为电信号输出，通过检测信号电位差的变化来确定目标的存在与否。

该光电传感器具有温度稳定性好、噪声干扰小、体积小、反应速度快等特点，发射端和接收端都安装有塑料防尘罩，以有效防止尘土附着等外界干扰因素影响光电传感器的性能，同时方便清洁。该光电传感器可以实时监测种子落地质量和颗粒均匀度，监测装置俯视图如图2所示。

图2 监测装置俯视图

该排种器排种工况监测装置的整体装配图如图3所示。

图3 监测装置整体装配图

3.3 装置工作原理

在正常工作状态下，红外光线通过凸透镜后被平行照射至接收端。通过监测装置排放的光线，可以实现对油菜籽的排种监测，当种子通过监测装置完全遮挡一个或多个红外接收二极管时，接收端会产生电平变化，并将该电平信号传输至单片机中。通过单片机的计算，可以根据电平信号统计种子下落时间间隔，并结合增量式编码器测得机具的前进速度，进而得出实际株距[9]。

相对于设定的理论株距，结合相应数据的分析可以得出漏播率、重播率以及播种量等信息。因此，监测装置对于油菜籽的排种过程监测起着至关重要的作用，可以帮助农业生产者实现更为精确和高效的油菜籽排种作业。

监测装置通过单片机获取相邻两粒种子下落时间间隔t，计算时采用t与播种机行进速度v的乘积，即vt，作为实际粒距的监测值。

参考GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》，运用监测装置对比理论粒距与实际粒距进行分析，并根据如下判断标准对重播或漏播情况进行判定。

若vt≤0.5d，则视为重播；若vt>1.5d，则视为漏播。其中，d为播种理论株距（m），可以通过监测系统的按键模板进行设定。

这样得出的实际粒距信息、漏播率、重播率等数据可用于指导油菜籽种植行业决策，提高农业生产效率和效益。

理论排种量的计算方式为1 min 内排种轴的转数与排种盘的孔数的乘积。

与此同时，监测系统还能够记录播种过程中1 min 内计算得到的播种粒数，即实际排种量，通过将其与理论排种量比较，计算出报警系数[10]。

排种轴的转速可以通过下式计算得出：

式中，n为排种轴转速（r/min），i为传动比。

在农业生产监测过程中，监测装置能够通过采集光电传感器的监控数据，并将其传输给嵌入式系统进行处理[11-12]。程序执行过程中，嵌入式系统会定期检测报警系数P是否超出设定范围，以及是否出现漏播或重播现象。如果检测到超出设定范围或者存在漏播或重播现象，系统会发出声或光报警，提醒操作人员及时采取处理措施。

此外，如果单片机监测到播种机的行进速度为0，则系统会判定播种机已停止工作并停止对播种过程的监测。这些功能的实现可以在很大程度上提高播种的准确性和稳定性，有效地降低播种过程中的风险和损失。

3.4 控制系统总体设计

该农业生产监测系统采用STM32F103ZET6 单片机和LM2576 降压芯片以及LM393AD 电压比较器作为核心搭建而成。

系统硬件结构包括监测模块、测速模块、语音报警模块、液晶显示模块、按键模块和LED 报警模块等。其结构如图4所示。

图4 控制系统结构

系统的电源来自拖拉机的蓄电池，系统的控制面板上的按键模块可以对理论株距、测速轮直径、滑移率、传动比、测速周期和报警系数的范围进行设置。其液晶显示模块可以实时显示单行播量、总播种量、播种机行进速度、漏播率和重播率。此外，LED 报警模块与播种通道对应，若某一行或多行出现漏播或重播现象，则对应的LED 灯会闪烁报警，并且蜂鸣器会发出语音报警。

油菜籽排种器监测电路如图5 所示，该油菜籽排种器监测电路主要由红外发射二极管、红外接收二极管和LM393AD 电压比较器等器件组成。系统采用LM393AD 电压比较器作为电子元器件，以提高监测过程的可靠性和稳定性，并可以同时处理两路信号以提高工作效率。

图5 排种器监测电路

该系统还可以通过调节滑动变阻器R3 来调节传感器灵敏度，以满足不同品种的种子经过时对精度的不同要求。

此外，采用一个0.1 μF 电容C1 来滤除采集信号过程中的杂波，并保护电压比较器的正常工作。

以上是该农业生产监测系统的电路设计方案和实现细节。

4 结论与讨论

该油菜籽排种器工况监测装置使用红外线检测装置来获得每一粒种子下降过程中产生的信号脉冲，并将其转换为电信号，然后加以记录，用来监测油菜籽排种器工况是否出现漏播、重播等不利情况，记录每一行的播种量等指标。

1）该排种器监测装置的优点主要包括：

①提高种植效率。排种器监测装置监测精度高，无需人工干预，可以大大提高种植效率。

②减少浪费。监测装置能够准确监测每一颗种子的位置和数量，避免了传统播种方式中难以避免的浪费和重复种植。

③降低劳动强度。排种器监测装置能够自动完成种子的监测和排种，不需要人工干预，降低了劳动强度，提高了工作效率。

④提高种植质量。监测装置能够精确控制数量和位置，保证了种子的均匀分布，从而提高了种植质量。

2）该排种器监测装置的缺点主要包括：

①费用高昂。由于采用了较为先进的技术，排种器监测装置价格相对较高。

②对操作人员要求较高。监测装置需要专业人员进行安装和调试，对操作人员要求较高，且需要严格按照操作说明正确定位和调试每一步操作。

③适应性有限。由于不同作物的种子特征不同，监测装置在适应性方面存在一定局限性。

④信号干扰。此装置对于信号干扰的适应性表现得不太理想。

综上，尽管排种器监测装置还存在一些局限和缺陷，但其在提高种植效率、减少浪费、减小劳动强度、提高种植质量等方面的优势仍然使得其在农业领域具有较大的应用潜力。

3）排种器监测装置的改进设计需要从多个方面来考虑，以下是一些可能的方向和设想：

①提高精度。可以从传感器的选择和放置位置等方面入手，选择更精准的传感器并优化其放置位置，从而提高监测精度。

②降低成本。可以从控制系统硬件改进和单片机软件优化等方面入手，尽可能地使用价格低廉但性能不错的器件，以达到降低成本的目的。

③提高稳定性。可以通过改进传感器的设计、优化信号滤波和放大电路等措施提高监测装置的稳定性，降低误差和干扰的影响。

④增加监测功能。可以增加监测功能来丰富装置的应用场景，例如监测作物的生长情况、温湿度等环境参数等。

⑤引入智能化技术。可以利用计算机视觉、深度学习等人工智能技术来实现智能化操作和决策，进一步提高排种器监测装置的自动化程度和作业效率。