戈天劍，趙 斌，衣淑娟，王大可，范學(xué)佳

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

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氣吸式玉米播種機(jī)排種監(jiān)測系統(tǒng)研究

戈天劍，趙 斌，衣淑娟，王大可，范學(xué)佳

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

為了對播種機(jī)的工作狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，對播種過程中出現(xiàn)的種箱排空和導(dǎo)種管堵塞情況及時報警，設(shè)計了一種對播種機(jī)作業(yè)中的各項參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式微處理器和紅外光電傳感器為主要部件，通過無線通信的方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，對播種作業(yè)中出現(xiàn)的種箱排空和導(dǎo)種管堵塞及時進(jìn)行聲光報警，并通過上位機(jī)軟件對所需的參數(shù)實時顯示。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對故障的報警準(zhǔn)確率較高，有效提高了播種質(zhì)量。

播種機(jī)；排種監(jiān)測系統(tǒng)；無線通信；嵌入式微處理器；紅外光電傳感器

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)占據(jù)著我國社會經(jīng)濟(jì)的重要地位，農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展程度是影響農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要因素。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，氣吸式玉米播種機(jī)投入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，具有節(jié)省種子、減少浪費、減少勞動力、節(jié)約時間及播種精度高等特點。但是，氣吸式播種機(jī)和其它播種機(jī)結(jié)構(gòu)是相似的，工作過程是全封閉的，無法觀察其工作狀況。由于田間的工作環(huán)境比較惡劣，會出現(xiàn)種箱排空、導(dǎo)種管堵塞等故障，如果無法及時發(fā)現(xiàn)故障并解決，會造成大面積漏播，影響經(jīng)濟(jì)效益，造成糧食減產(chǎn)。因此，研究一套播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有十分重要的意義。

國外的播種機(jī)投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較早，監(jiān)測技術(shù)相對成熟，智能化程度與準(zhǔn)確性均較高。目前，國內(nèi)精密播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的研究發(fā)展較快，大部分是通過單片機(jī)控制功能來實現(xiàn)播種機(jī)的監(jiān)測。目前，精密播種機(jī)上采用的監(jiān)測和報警裝置大致有3種類型，即機(jī)械式報警器、機(jī)電信號式報警器和電子儀器式監(jiān)視裝置，常用的檢測方法有壓電聲電法、光電法及計算機(jī)視覺技術(shù)等[1]。國內(nèi)精密播種機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)主要對作業(yè)過程中出現(xiàn)的種箱排空和導(dǎo)種管堵塞進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)故障及時報警,具有一定的局限性，缺少對播種機(jī)在工作過程中其它參數(shù)的監(jiān)測。為此，設(shè)計了一種對播種機(jī)作業(yè)中各項參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以對排種量進(jìn)行監(jiān)測，還能對播種中出現(xiàn)的種箱排空和導(dǎo)種管堵塞及時地進(jìn)行聲光報警，顯示出有故障的工作區(qū)及播種機(jī)作業(yè)中的其它參數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

微處理器是監(jiān)測系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)，通過無線模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，既能對播種機(jī)作業(yè)中的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與顯示，又能準(zhǔn)確地對工作過程中出現(xiàn)的種箱排空和導(dǎo)種管堵塞進(jìn)行報警。種子落下時，由紅外光電傳感器進(jìn)行信號采集，經(jīng)下位機(jī)對信號進(jìn)行處理，由上位機(jī)軟件對排種量、株距及作業(yè)面積等參數(shù)進(jìn)行顯示；出現(xiàn)故障時，上位機(jī)會顯示出發(fā)生故障的工作區(qū)，同時通過聲光報警提醒機(jī)車駕駛員出現(xiàn)故障。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在播種機(jī)正常工作時，當(dāng)種子經(jīng)過安裝在導(dǎo)種管中部的紅外光電傳感器時，種子會遮擋住紅外發(fā)光二極管，接收端的光敏三極管接收不到光信號，返回高電平；沒有種子通過時，光敏三極管接收到光信號，返回低電平。接收端接收到兩次低電平的時間差即為落種時間差，通過落種時間差與機(jī)車的行駛速度可以計算出株距。根據(jù)壟寬和作業(yè)速度可以計算出播種機(jī)的作業(yè)面積。根據(jù)接收端是否有電平的高低變化來判斷種子是否落下：有種子落下時，計數(shù)器對低電平進(jìn)行計數(shù)；沒有種子落下時，計數(shù)器值不增加。同時，啟動定時器，如果接收端超過預(yù)定報警時間(該系統(tǒng)預(yù)定報警時間3s)內(nèi)沒有高低電平變化時，下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送報警信號，由上位機(jī)顯示出故障的工作區(qū)域，同時啟動駕駛室內(nèi)的聲光報警器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示及對播種機(jī)工作過程中出現(xiàn)的故障及時進(jìn)行報警。系統(tǒng)的硬件主要由光電傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊及聲光報警模塊組成。光電傳感器主要對種子的下落信息進(jìn)行采集；微處理器模塊對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和邏輯判斷；無線通信模塊將各個參數(shù)和報警信號向上位機(jī)傳輸。無線通信的方式降低了故障的發(fā)生率，提高了監(jiān)測系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。聲光報警可以及時地提醒機(jī)車駕駛員，迅速發(fā)現(xiàn)并解決故障。

2.1 光電傳感器模塊設(shè)計

光電傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集器件，也是系統(tǒng)運行的第1步，其采集信號的準(zhǔn)確性決定整個系統(tǒng)性能的可靠性及穩(wěn)定性。目前，主要應(yīng)用的發(fā)光器件有激光二極管、高亮度發(fā)光二極管及紅外發(fā)光二極管。由于田間作業(yè)環(huán)境惡劣，灰塵較大，對傳感器的覆蓋范圍、光譜特性都要進(jìn)行分析。3種器件中，激光二極管價格昂貴，不予考慮；紅外發(fā)光二極管與高亮度發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)原理相似，但紅外發(fā)光二極管在灰塵中穿透性強(qiáng),并且響應(yīng)迅速、光束集中、指向性強(qiáng)，價格較低，工作穩(wěn)定性高，發(fā)射端選擇紅外發(fā)光二極管；光敏三極管結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，但光敏三極管有一個對光敏感的PN結(jié)作感光面，具有光敏特性，當(dāng)PN結(jié)受到光輻射時，在集電極回路中會得到一個放大的信號電流，與光敏二極管相比，具有較高的靈敏度，因此接收端使用光敏三極管。由于種子從排種器排出時具有一定的初速度，種子進(jìn)入導(dǎo)種管后會發(fā)生彈跳，如果安裝1對紅外光電傳感器會出現(xiàn)檢測盲區(qū)，直接影響到監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。根據(jù)導(dǎo)種管長與寬的參數(shù)、種子的尺寸及種子運動軌跡，在導(dǎo)種管上并列安裝3對紅外光電傳感器，實現(xiàn)了無盲區(qū)監(jiān)測?？紤]到玉米種子的尺寸大小，一個種子會擋住兩對傳感器的光路，如果不進(jìn)行邏輯判斷，會影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。因此，在傳感器電路中加裝3個74LVC2G08型號的與門和一個74LS32型號的或門對種子的下落個數(shù)進(jìn)行邏輯判斷處理。或門的輸出端接到定時器T0，與門的輸出端接到定時器T1。定時器T0與T1均設(shè)置成計數(shù)器模式，當(dāng)或門輸出為1、與門輸出為0時，判定只有一個種子通過，計數(shù)器T0加1；當(dāng)或門和與門輸出都為1時，判定有兩個種子通過，計數(shù)器T0和T1同時加1，最終播種量為兩者相加。紅外光電傳感器電路圖如圖2所示。

圖2 紅外光電傳感器電路圖

2.2 微處理器模塊

微處理器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，控制著系統(tǒng)各個部分協(xié)調(diào)一致的工作。紅外光電傳感器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過調(diào)理后在單片機(jī)中進(jìn)行處理和邏輯判斷，通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。如果播種機(jī)正常工作，上位機(jī)顯示出播種機(jī)的排種量、株距及作業(yè)面積；若出現(xiàn)故障，則啟動聲光報警并在上位機(jī)軟件界面上顯示作業(yè)中出現(xiàn)問題的工作區(qū)域。單片機(jī)是一個微控制器，具有存儲、運算、定時中斷等功能。監(jiān)測系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制芯片。該單片機(jī)具有60kB用戶應(yīng)用程序存儲空間、4個16位定時器、外部中斷IO口7路，自帶A/D轉(zhuǎn)換，有EEPROM功能，且高性能、低功耗，完全滿足系統(tǒng)的需求。

2.3 通訊模塊

監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)之間采用無線通信的方式，相比于有線通信，無線通信具有布線成本低、布線簡單、線路不易受損傷及適應(yīng)性好等優(yōu)點。每個排種器都配一個無線模塊向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)無線模塊選用NRF24L01，內(nèi)置穩(wěn)壓電路，可由多種電源供電。該模塊功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，可通過軟件修改地址，只有接收到本機(jī)地址才會輸出數(shù)據(jù)，可接單片機(jī)直接使用，有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能，4種工作方式。

2.4 聲光報警模塊

由于機(jī)車在工作過程中噪音較大，當(dāng)播種機(jī)在作業(yè)過程中出現(xiàn)導(dǎo)種管堵塞或種箱排空的故障時，如果報警音量不夠大，會導(dǎo)致駕駛員無法及時發(fā)現(xiàn)故障，造成大面積漏播，降低經(jīng)濟(jì)效益。為了防止上述情況的發(fā)生，在電路中加裝聲光報警器，以便機(jī)車駕駛員及時發(fā)現(xiàn)故障，停車檢查。下位機(jī)電路圖如圖3所示。

圖3 下位機(jī)電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件功能是協(xié)調(diào)各個硬件部分的穩(wěn)定運行，監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要完成的任務(wù)包括：工作過程中排種量和其它作業(yè)參數(shù)的監(jiān)測；無線發(fā)送與接收各項參數(shù)；邏輯判斷；報警信息的發(fā)送。C語言是程序編譯中常用的高級語言，其功能豐富、表達(dá)能力強(qiáng)、使用靈活方便、應(yīng)用面廣、目標(biāo)程序效率高、移植成功率高，且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制，所以系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言。軟件程序主要由主程序、定時中斷子程序、無線通信子程序及報警子程序等組成，分別完成信號的采集、邏輯判斷、數(shù)據(jù)傳輸與報警。其主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 報警子程序流程圖

系統(tǒng)上電后，下位機(jī)開始進(jìn)行作業(yè)監(jiān)測。如果上位機(jī)接收到來自下位機(jī)的報警信息，則在上位機(jī)軟件界面上顯示出故障區(qū)域，并啟動聲光報警；若沒有接收到報警信息，則顯示出正常的工作參數(shù)。報警子程序流程圖如圖5所示。

圖5 報警子程序流程圖

單片機(jī)完成系統(tǒng)初始化后，啟動定時器與無線模塊。無線模塊將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，顯示出各行的播種量。當(dāng)出現(xiàn)故障時，單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送報警信號，上位機(jī)顯示出現(xiàn)故障的工作區(qū)，同時啟動聲光報警；處理完畢后，用戶根據(jù)工作情況選擇控制面板上的按鍵繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測；作業(yè)完成后，通過上位機(jī)中儲存的數(shù)據(jù)對播種效果進(jìn)行分析。

4 試驗及結(jié)果分析

為驗證監(jiān)測系統(tǒng)的性能與可靠性，在黑龍江省曙光農(nóng)場進(jìn)行試驗。播種機(jī)采用黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的2BJM-7型大馬力氣吸式精密播種機(jī)，作業(yè)拖拉機(jī)為美國凱斯210，作業(yè)速度為6～8km/h，分別對播種量、報警準(zhǔn)確性和無線模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘刃阅茉囼灐?/p>

4.1 排種數(shù)量監(jiān)測試驗

選取2 000粒種子作為試驗用種，每500粒種子為1組，做4組試驗。監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 排種量監(jiān)測結(jié)果

4.2 報警試驗測試

導(dǎo)種管堵塞及種箱排空報警試驗采用人為設(shè)置故障的方法，將導(dǎo)種管底部堵住，在行駛速度7km/h的條件下試驗10組，觀察報警是否準(zhǔn)確及上位機(jī)是否正確顯示出故障區(qū)域。種箱排空監(jiān)測實驗方法：將種箱內(nèi)放入少量玉米種子，在同樣的速度下行駛，共做10組試驗，觀察報警是否準(zhǔn)確及上位機(jī)是否正確顯示出故障區(qū)域。

播種防堵與排空試驗中，20組試驗中上位機(jī)顯示空和堵的工作區(qū)域和實際情況完全一致，誤報率為0，并且在預(yù)定的時間內(nèi)及時地啟動了聲光報警。

5 結(jié)論

監(jiān)測系統(tǒng)采用紅外發(fā)光二極管作為光電管的發(fā)射端，光敏三極管作為接收端，以3對并列方式安裝在導(dǎo)種管上，實現(xiàn)了精密播種無盲區(qū)檢測。以無線通信方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，布線簡單，成本低。針對田間工作噪音較大的情況，加裝了聲光報警器，便于及時發(fā)現(xiàn)故障。試驗表明:該監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定、報警及時準(zhǔn)確，誤報率為0，對排種量監(jiān)測平均精度達(dá)97.55%，有效提高了播種監(jiān)測效率和播種質(zhì)量。

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Research on Air Suction Corn Planter Seeding Monitoring System

Ge Tianjian, Zhao Bin, Yi Shujuan, Wang Dake， Fan Xuejia

(College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China)

In order to real-time monitor the working condition of seeder, alarming in time when occurs sowing box emptying and seed tube jamming in sowing work, design a real-time system to monitor various parameters of machine operation .With embedded microcontroller and infrared photoelectric sensor as the main part, by means of wireless communication to transmit data to PC, sound-light alarm in time was used to show reminder sowing box emptying and seed tube jamming emptying of planting operation, through the PC software for the required parameters real-time display.The experimental results show that the system works stable, for fault alarm accuracy is higher, effectively improve the quality of seeding.

planter; planter seeding monitoring system; wireless communication; embedded microcontroller; infrared photoelectric sensor

2016-07-15

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-03)；黑龍江省科技廳項目(GZ13B013)；黑龍江省農(nóng)墾總局科委項目(HNK125B-07-15)

戈天劍(1993-),男，黑龍江大慶人，碩士研究生，(E-mail)1933605369qq.com。

趙 斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)616283364@qq.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)08-0082-04