国内外播种监测技术研究现状及未来发展方向

张莉莉，牛巧萍，韩方玲

（郑州工商学院，河南郑州 450000）

中国耕地面积不到全球的7%，却要养活占全球22%的人口。因此，我们必须为农作物创造最佳的条件，来实现尽可能高的农作物产量。播种作为农业生产过程中非常重要的一环，播种质量的好坏将直接影响农作物产量的高低。

随着农业机械化的全面推广，播种作业普遍采用各种类型的播种机来实现。排种器作为播种机的核心部件，其排种质量的好坏对播种质量将产生直接影响。目前，播种机上使用的各类型排种器通常是封闭的，我们无法通过肉眼观察到排种质量的好坏。排种器一旦出现堵塞、缺种等情况，就会大大影响播种质量。如果后期出苗后，在漏播的位置上补苗，不仅费时费力，而且会严重影响农作物的产量。如果能够在播种作业过程中及时发现缺种、漏播等情况，就能够及时采取措施减少损失。目前，国内外专家学者普遍采用压电监测法、光电监测法、电容监测法、机器视觉+图像监测法实现对播种质量的监测。为了更好地适应发展需求，本文在介绍了国内外主要播种监测技术的工作原理、系统组成、适用对象等的基础上，分析了播种监测技术的研究现状及未来的发展趋势。

1 研究现状

1.1 压电监测法

1.1.1 工作原理

压电监测法主要使用的是各类型的压电薄膜材料[如聚偏二氟乙烯（PVDF）]来实现种子的监测。当种子作用于压电薄膜上时，该薄膜就会产生拉伸或弯曲变形，并在压电薄膜的上下电极表面之间产生一个电信号，作用于压电薄膜的种子类型不同，该薄膜产生的拉伸或弯曲的变形程度就不同，从而实现对各类型种子的监测。基于压电薄膜材料设计的传感器一般安装在播种机的分配器头中或者安装在每个播种软管中，大大提高了监测准确率。

1.1.2 应用现状

在国外，德国学者Meyer 等基于气动播种机设计的播种监测装置，能够适用于任何类型的播种机[1]。通过触摸式压电材料设计的头部压电传感器（见图1）可以实现种子流的监测，设计的软管压电传感器（见图2）能够实现种子流的堵塞监测，监测精度高、灵敏度好。

图1 头部压电传感器

图2 软管压电传感器

在国内，丁幼春等基于PVDF 压电薄膜设计的传感器实现了油菜等中小粒径种子流的监测，该传感器能够将油菜等中小粒径种子流序列信号转化成排种脉冲序列信号，从而实现对排种频率、排种总量等排种信息的监测，试验表明监测准确率不低于99.1%[2]。黄东岩等基于国产指夹式排种器设计了排种监测系统（见图3），该系统采用PVDF 压电薄膜作为敏感元件，将玉米的落粒物理量转变成脉冲电压信号，再通过STC89C52 单片机的处理实现了玉米播种过程中播种总量、播种速度、播种面积、漏播率等性能指标的实时监测[3]。王树才等基于压电声电传感器设计的气吹式排种器播种监测系统，能够将单粒玉米排种信号转化成脉冲电压矩形波信号，从而实现对合格率、重播率、漏播率、标准差、变异系数等性能参数的监测[4]。

图3 播种机排种监测系统

1.1.3 优缺点

压电监测法属于接触式监测法，需要种子颗粒与敏感元件发生碰撞后，才能实现对其的感应。虽然压电监测法监测准确率高，但由于田间环境复杂，易受振动干扰，且一般需要将传感器安装在排种管中，这样势必会影响种子在下落过程当中的轨迹，进而对播种质量产生一定的影响。

1.2 光电监测法

1.2.1 工作原理

国内外专家、学者对于光电监测法的研究已经延续了很多年，并且在不同类型的播种机、排种器上进行了研究。其主要工作原理是通过种子下落时对光电传感器发射端发出的光束遮挡，从而影响接收器接收到的光照强度，进而影响产生的电压信号，再经过处理器的处理来实现种子的监测。

1.2.2 应用现状

在国外，Kumar 等基于红外传感器设计了一种用于监测播种机输送管中种子流动和堵塞的嵌入式系统，该系统有2 个分别用于音频和视频输出的独立蜂鸣器和红色发光二极管；当出现缺种或者堵塞时，该系统就会发出声光报警信号来告知司机[5]。Karimi 等基于红外种子传感器设计并构建了播种机监测系统，在所提出的监测系统中，种子流传感器被单独安装在配备有13个播种装置的播种机上，能够实现各项播种性能指标的实时监测[6]。Mallahi 等基于光纤传感器设计了谷物条播机播种监测系统，实现了室内条件下种子流的监测；在考虑了机器在室外运行的条件和环境后，将传感器安装在谷物条播机内，对在室内开发的估计模型和算法进行了修改，消除了室内实验中由于变速而导致的高估或低估偏差，以及可能由灰尘、振动或传感器内阻变化引起的传感器输出值误差；结果表明，该监测系统可用于谷物播种机中的种子流的实时监测，在精准农业中应用广泛[7]。约翰迪尔公司基于光电传感器设计了精量播种机播种监测系统[8]，可根据作物类型、机器和机具尺寸型号进行参数设置，实现对种子的监测，并能将监测信息传输给Seed Star监测仪（见图4）进行实时显示，从而实现对播种过程中漏播、重播等播种质量的监测，并将数据记录并发送到运营中心进行数据同步分析。

图4 Seed Star监测仪

在国内，纪超等基于气吸式玉米免耕精量播种机设计了排种监测系统，该系统以红外发射二极管为信号发射端、以光电二极管为信号接收端，以旋转式透明防尘罩为自清洁除尘装置，实现了玉米播种过程中播种量、重播、漏播等性能指标的判定[9]。朱瑞祥等基于激光光电传感器设计的大籽粒作物漏播自补种装置，通过激光光电传感器监测槽格内是否漏种，并利用超越离合器的单向锁合原理实现补种[10]。李雷霞等基于红外发光二极管和光敏三极管设计了精密播种机排种性能监测系统，实现了多行精密播种全程的无盲区监测，稳定可靠[11]。张继成等基于红色高亮度发光二极管和光敏电阻设计的光敏传感器精密播种机监测装置，实现了播种总量的实时监测，并可对播种作业过程中肥料的堵塞、排空有较好的监测效果[12]。

1.2.3 优缺点

光电监测采用的光电传感器结构简单、使用方便。当监测的种子为玉米、花生等颗粒较大的种子时，遮光效果明显，监测精度高、效果好。但对于中小粒径种子，由于其遮光效果一般，尤其是重播不易被发现，其监测准确率有待进一步提高。同时，由于田间作业环境复杂，光线的穿透能力会因各种因素有所削弱，从而影响光电传感器的监测精度，因此其适应性有待进一步改进提升。

1.3 电容监测法

1.3.1 工作原理

电容监测法就是采用各种类型的电容器作为传感元件，将种子信号转换成为电容变化量，从而实现对种子的监测。该类型的传感器可实现非接触测量，而且测量灵敏度高。国内外专家学者基于电容原理设计的各类电容传感器能够实现对不同类型种子的监测。

1.3.2 应用现状

Kumhála 等使用测量阻抗和相位角的仪器，加上平行板电容系统设计的传感器能够实现对花生、玉米、坚果等含水量监测[13]。Taghinezhad 等基于电容传感器设计了甘蔗播种监测系统，该系统能够实现甘蔗胚播种过程中漏播、重播等指标的实时监测[14]。周利明等基于差分结构的电容传感器设计了棉籽质量流量监测系统，在综合考虑环境温度、棉花品种、含水率等影响的基础上，确定了籽棉质量流量与电容响应的关系，建立了拟合回归模型，从而提高了对棉籽监测的准确率[15]。陈建国基于电容传感器设计了小麦精量播种机播种量监测系统，根据检测分辨率、播种速度与采样频率的约束关系设计了电容传感器的结构，由监控参数和输入的外界参数确定了所使用的人机交互界面，监测精度超过99.57%[16]。徐洛川等基于气吸式穴播器设计了一种叉指型电容传感器棉花穴播取种状态监测系统，改善了传统排种监测装置不适配且易受环境温湿度影响的问题，实现了对棉花正常单粒播种、重播和漏播的准确判定[17]。

1.3.3 优缺点

电容监测法的研究主要停留在大中粒径种子上，对于芝麻等微小粒种子的监测还鲜有涉及，主要原因是微小粒种子很难引起电容传感器电容量的变化，很难被感应到。在大中粒径种子的研究方面，虽然已经有些研究，但由于寄生电容等的干扰，其监测精度有待进一步提升。

1.4 机器视觉+图像监测法

1.4.1 工作原理

随着计算机处理能力的提升和视觉图像检测技术的发展，机器视觉+图像监测法被广泛用于各类播种机、排种器性能指标的监测。机器视觉+图像监测法的原理就是采用各类型的相机获取排种器排种过程中的图像，经过图像处理系统处理后，再传给计算机进行分析，从而实现排种性能指标的实时监测。

1.4.2 应用现状

Navid 等使用尼康数码相机在实验室环境下对排种装置的重播、漏播和播种均匀性等性能进行了评估[18]。Kim 等为了实现葫芦类蔬菜大种子在插盘上在线播种状态的实时监测，开发了一种基于机器视觉的自动播种系统；该系统实现了种子的识别，并能在必要时校正种子方向，然后将种子播种在插盘中；该播种监测系统采用阈值技术将种子图像分割为种子部分和背景部分，然后分析图像中种子的外接矩形中心和种子中心等几何特征，以确定种子的方向和位置；该系统识别和重定向种子大约需要49 ms，成功率为95%[19]。Karayel 等基于高速摄影系统设计了一种用于评估种子间距均匀性和种子下落速度的系统，并基于小麦和大豆种子进行了测试，结果表明该系统没有遗漏任何种子[20]。Arzu Yazgi 等基于高速摄影系统设计了播种监测系统；在考虑播种速度、种子孔直径等变量的基础上采用响应面分析法（RSM）优化精密播种机的播种均匀性能，并验证了变量的最佳水平；试验表明棉花种子精密播种的最佳真空压力、孔径分别为5.5 kPa、3 mm[21]。

青岛理工大学的Lin 等基于小麦精密播种机设计的播种监测装置，利用图像处理技术对落到皮带上的种子进行图像采集，然后对这些图片进行处理和分析，计算出合格率、漏播率、补种率等[22]。王玉顺等基于用CCD 摄像机设计了种子条播排种器性能监测系统，能够实时监测排种器的各项性能指标[23]。蔡晓华等基于低照度工业摄像机设计了监测系统，通过预处理式动态阈值法减少了种子信息的丢失，应用种子分布样本实现了种子识别与粒距测量，监测误差小于±1 mm[24]。赵郑斌等基于机器视觉技术设计了穴盘精密播种机播种性能监测系统，能够实现种子合格率、漏播率、重播率等性能指标的实时监测，对重播的监测精度为98.94%，对漏播的监测精度为99.33%[25]。

1.4.3 优缺点

机器视觉+图像监测法的研究较早，监测的范围也非常广泛，与其他几种监测方式相比，监测准确率更高。但机器视觉+图像监测法也有很明显的缺点，如设备价格昂贵，很难在播种监测系统中推广应用，多用于实验室验证。

2 未来发展方向

播种监测是实现各类型精量直播机智能化发展的重要组成部分。目前，国内外播种监测普遍采用压电监测法、光电监测法、电容监测法及视觉+图像监测法，这些方法各有自己的优缺点。为了更好地适应发展需求，结合我国的实际情况，笔者认为未来播种监测技术的3个发展方向：主要向高频、宽辐方向发展，研发适应高频、宽幅的播种监测系统；将播种监测系统中融入高精度的定位系统，实现在播种作业过程当中实时生成播量图、播种性能指标状态图（漏播状态、重播状态、合格状态）等；针对目前各类型监测系统普遍出现的抗干扰能力差、适应性差等问题，在借鉴国外研发的基础上，开发出适合我国各类型播种机的传感系统。