智慧农业种子传感器设计原理研究

章习习，白 浩

（潍柴动力股份有限公司电控与软件研究院，山东潍坊 261061）

0 引言

目前，大多数行栽作物是通过精密播种机种植的，部分精密播种机上使用了种子传感器，用以时时监测种子播种的数量以及均匀性，以帮助农民准确了解播种信息、预测作物产量。本文主要阐述种子传感器的设计原理以及未来发展方向。

1 种子传感器研究现状

随着农业的快速发展，现代农业逐渐发展为全流程机械化生产模式。播种作为农业生产的第一步，在播种过程中，确保每个种子都被正确、均匀地播下是至关重要的。种子传感器是为播种机上掉落或吹落的种子计数而研发制造的，由于光学传感器成本低、精度高，已逐步应用于农业生产。光电种子计数传感器在市面上比较常见，其原理如图1所示。当种子穿过传感器时，下落过程中，发光二极管光线接收强度变化量会发生变化，从而引起电压信号的变化，会产生一个计数脉冲，并且脉冲宽度与种子遮挡光线的变化量成对应关系。

图1 光电种子计数传感器基本原理

DIGITROLL Kft公司开发出一款基于光电原理的种子传感器。DIGITROLL Kft公司的播种传感器DS1000i、DS2000i能够通过种子形状和种子大小的设置进行微调，检测出双倍/三倍的种子掉落或遗漏，也能够检测并显示种子传感器上的灰尘积聚或堵塞情况。MC Elettronica srl公司的UNI-SEEDER TIN通过种子传感器集成了一个自适应算法，能够根据工作情况改变其性能，分辨率高。DICKEY-john公司HY RATE PLUS™LED 种子传感器工作原理是光检测，发光二极管在种管内形成一层薄薄的光场，在另一侧有一个光电探测器，可以连续监测光的强度。该传感器能够准确监测多种种子类型，可以快速了解正在种植的种子类型，并相应地调整其检测灵敏度。该传感器也可以在多尘条件下自动调整检测灵敏度。

中国农业大学杨丽教授、张东兴教授团队开发出一款基于微波检测方法和信号计算模型的智能种子传感器。该类型种子传感器一定程度上可以克服光电原理型种子传感器易受灰尘和光线影响且对于识别多个重叠的种子有一定的难度等缺点。该类型种子传感器采用微波射频前端作为信号源，产生24 GHz的电磁波信号，传感器与种子之间的相对运动将产生微弱的中频信号，传感器对中频信号进行放大滤波后，产生原始脉冲信号，通过采用高精度模数转换器ADS1256对放大后的原始信号进行采集，并记录产生的电压信号，根据电压信号计算模型确定种子个数，输出相应的种子信号。试验结果表明，该智能种子传感器对单颗种子的监测准确率达到99%以上，对双颗重叠种子的识别准确率达到56.3%，具有更好的综合性能。图2展示了智能种子传感器的微波射频前端以及放大和滤波电路的设计。

图2 智能种子传感器

解春季等人开发出一款基于激光传感器和无线串口通信的精密播种机播种参数监测系统。该检测系统克服播种系统参数监测精度低、监测参数以播种量为主、数据通信采用有线连接、通信距离短、布线复杂、可扩展性差等缺点，该系统包括激光传感器设计、控制器参数采集与计算设计、上位机人机交互软件设计、无线通信方式设计、故障报警设计以及测速功能。部分监控系统如图3所示。该监控系统能够准确、及时地对故障进行报警，报警成功率达到100%，故障报警平均响应时间小于0.5 s。通过验证，监测系统能够实现快速、准确、实时、无线的精密监控功能。

图3 （a）激光传感器的电路设计（b）控制器硬件电路设计（c）播种过程无线通信监控方法的设计

Nikolay Zagainov等人研究出一歀用于种子计量装置的新型激光种子计数传感器。如图4（a）所示，传感器使用一个线激光器和7个光电晶体管作为激光传感元件，可以扫描种子计量装置释放点的区域（而不是一条线），来自光电晶体管的信号通过NAND门组合并传输到Android设备，能够对播种机进行实时监测和故障检测。图4（b）展示传感器的由PCB、激光器和3D打印框架组成。图4（c）展示了种子计数传感器实验装置包括种子计量装置、种子计数传感器以及种子收集器。该装置开发的嵌入式软件和Android应用程序使用蓝牙低功耗技术实现了简单的物联网功能，对农业物联网的发展有着重要的意义。

图4 （a）激光种子计数传感器的工作原理（b）种子计数传感器的组成（c）种子计数传感器实验装置

2 种子传感器未来发展趋势

随着乡村振兴战略的全面推进、规模化农业作业趋势发展以及智慧农业的兴起，包含种子传感器技术在内的一系列先进农业作业技术将在解放农村生产力、建设农业强国、实现全面乡村振兴中发挥巨大作用。种子传感器将更加智能化、集成化，可以为农民提供更多的意见，提高农作物的产量和质量。

3 结语

综上所述，本文主要阐述了基于不同原理的种子传感器研究和发展。种子传感器设计原理可以分为图像检测法、压电检测法、光电检测法以及基于通讯串口、软件算法相结合等原理。随着人工智能、物联网等技术的发展，种子传感器将与其他农业设备进行深度融合，形成一个完整的智慧农业生态系统，为农业生产提供全方位的技术支持，助推全面建设社会主义现代化国家。