朱 亮， 王關平， 孫 偉， Sokouri Kevin Jean Cyrille， 王成江

(甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

得益于電子技術、傳感技術及計算機測控技術的快速發(fā)展，農業(yè)生產方式逐步從粗放式耕種向精密型播種轉變。排種監(jiān)測是精密播種中至關重要的環(huán)節(jié)，目前精密播種系統(tǒng)的漏播檢測主要有光電檢測法、機器視覺法、壓電效應法及電容檢測法等方法。光電檢測法及壓電效應法將大籽粒作物的運動轉化為電平信號的跳變，通過控制器對播種情況進行檢測，但在田間塵土飛揚、機械振動較大時，其準確度易受影響；機器視覺法采用高速攝像裝置和MATLAB或OPENCV等圖像工具包進行實時處理；電容檢測法是當前精密排種器所采用的新型漏播檢測方法，其利用物體通過極板時對介電常數(shù)產生的擾動進行排種狀況的監(jiān)測，可靠性高、抗污染能力強，同時也是一種非接觸式測量方案。本文主要介紹電容式傳感器在大籽粒作物排種檢測中的研究狀況，論述其關鍵技術，展望其發(fā)展方向。

1 國內外研究現(xiàn)狀

排種監(jiān)測的主要目的是通過對播種過程中種子狀態(tài)的實時監(jiān)測進行漏播補償、產量預測等工作，當前排種監(jiān)測系統(tǒng)以光電法構建為主，經過國內外數(shù)十年的研究，其技術已經趨于成熟[1]。如為提高光電監(jiān)測設備的可靠性，國內外進行了大量研究。德國DLG農業(yè)中心研制了一種抗塵型光電傳感器[2]，美國的CYCLO-500型精密播種機[3]采用了紅外式光電傳感器，在一定程度上解決了室外光照環(huán)境對播種機檢測裝置帶來的影響。國內學者馮全等[4]對光電式檢測電路進行了重新設計，選用高速運算放大器將光電傳感器固有的背景電壓信息與脈沖電壓進行分離，然后再對分離后的脈沖信號進行放大，從而提升了系統(tǒng)的信噪比，使得其檢測裝置的田間工作穩(wěn)定性提高。雖然光電檢測的準確率已經能夠支撐系統(tǒng)的基本運行，然而由于田間作業(yè)時設備處于高塵、高振動等惡劣環(huán)境中，系統(tǒng)檢測可靠性難以得到保障，且光電檢測系統(tǒng)的維護工作量較大，維護技術要求較高。

為了避免上述光電傳感器的固有局限性，國內外學者將電容測量技術引入排種質量監(jiān)測中。該檢測方法的核心是利用一定的空間安置特定形狀的電容極板，使待測種粒作為介質通過這一區(qū)域，待測區(qū)有、無種粒(或種粒多、少)時會影響其電容值的變化，從而感知種粒在待測區(qū)的狀態(tài)。作為非接觸式傳感器的一種，電容傳感器具有結構簡單、成本低廉、靈敏度高、抗污性強且動態(tài)響應好等特點，使其更適用于惡劣環(huán)境。

目前，國外對電容式排種檢測的研究相對較少，且監(jiān)測僅針對導種管的空、堵狀態(tài)，而針對精密播種監(jiān)測的應用較少，但對電容物料檢測相關領域的研究較為深入。Kumahala等[5]針對青飼料的流量監(jiān)測，設計出一種平行板電容器，采用27 MHz振蕩電路將電容變化轉變?yōu)轭l率變化。其試驗結果表明，被測物料的質量與傳感器輸出信號線性相關系數(shù)達0.95，同時還發(fā)現(xiàn)物料含水率和壓實程度對信號有明顯影響，而物料品種對輸出結果影響較小。為了檢測甜菜與馬鈴薯在傳送帶上的物流量信息，Kumahala等[6]對傳感器安裝方式進行了重新設計，理論分析與現(xiàn)場試驗均證明物料質量與輸出信號具有顯著相關性。為檢測螺旋輸送器中固體物料流量，F(xiàn)uchs等[7]設計出一種多極板電容傳感器，并采用有限元分析的結果對電容傳感器性能進行了優(yōu)化。為增強對待測區(qū)域內物料信息探測的準確率，Williams等[8]對多極板式電容傳感器進行了仿真試驗，結果表明可通過感知電容值及其變化而獲得傳送帶物料含量的相關信息。

國內對電容式物料檢測研究起步雖晚，但因我國人均耕種面積較少，對精準農業(yè)的研究事實上更為迫切，這使得我國在電容式排種監(jiān)測領域的研究更為廣泛和深入。周利明等[9]于2009年開始將電容監(jiān)測應用于精密播種領域。張小勇[10]利用MS3110研發(fā)出了pF和fF級別的電容檢測系統(tǒng)，以提高電容檢測精度。為增加玉米播種機排種監(jiān)測的可靠性，周利明等[11]依據玉米的介電特性，使用電容轉換芯片MS3110及AD7685設計出了高精度電容檢測電路，通過對玉米在排種機內的運動學分析，采用電容脈沖積分算法，可以檢測出排種量、漏播量以及重播量等參數(shù)，其樣機對單粒玉米種子的檢測精度為97.3%，可有效監(jiān)測機具的排種性能，提高播種作業(yè)質量。為研究不同造型極板對排種電容信號的監(jiān)測效果，田雷等[12]對兩粒相鄰種子的下落速度與時間進行了分析計算，并設計出對置式、E型與三極板差動式傳感器，以AD7151作為核心設計出了微小電容檢測電路。分析及試驗結果均表明，采用E型極板的檢測裝置相較于另兩種極板可以實現(xiàn)更好的檢測效果。為進一步研究極板造型對監(jiān)測準確性的影響，田雷[13]使用ANSYS對三種不同極板進行了仿真分析，并對其設計的電容極板進行優(yōu)化，最終試驗表明，采用四片E型極板進行監(jiān)測時的綜合準確率達96.1%。

為獲得更高的采樣速率及精度，國內學者展開對高速率電容采樣芯片PCAP系列的應用研究。相較AD7746和AD7747的復雜校準機制與較小的測量范圍，PCAP系列電容傳感器克服了其普遍存在寄生電容的缺陷，同時使得電路更加簡單實用。周利明[14]通過試驗建立了籽棉含水率、質量、流量之間的多元回歸模型，采用PCAP01搭建電容檢測系統(tǒng)，采用脈沖識別尋峰算法對籽粒的運動進行檢測，實現(xiàn)了對籽粒播種間距、漏播及重播的檢測。為避免外部環(huán)境對檢測系統(tǒng)造成的干擾，王海等[15]采用ADUM1400ARW磁耦合器及TLP281-4光耦合器對PCAP01及其外部電路進行了電氣隔離，并將卡爾曼濾波引入數(shù)據處理中。臺架試驗表明，系統(tǒng)可有效濾除噪聲的影響且延遲較小。

針對電容傳感器采樣受溫度及寄生電容影響的問題，許健佳等[16]研發(fā)了一款基于PCAP02的電容檢測系統(tǒng)，其利用芯片內置的傳感器進行溫度補償，設計電路配合傳感器可克服寄生電容的影響。經測試，其線性度、測量精度及實時性都能達到較高水平。據此，劉坤[17]設計了基于GA-RBF(遺傳算法改進型神經網絡)矯正法構建的電容傳感器非線性校正模型，利用遺傳算法對網絡結構參數(shù)進行優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)RBF(徑向基神經網絡)易陷入局部極小值的問題。

為解決專用電容測量芯片存在的測量周期長、實時性較低等問題，國內學者采用多諧振蕩器及運算放大器設計出不同的檢測電路，效果都很好。周利明等[18]采用Max038芯片以及環(huán)形銅質電極構建了籽粒運動監(jiān)測傳感器，可實現(xiàn)對種箱排空以及排種管阻塞造成的漏播進行報警。周云龍等[19]對交流激勵微小電容檢測進行了理論分析與試驗，設計出使用運算放大器搭建的交流法C/V轉換電路，其電路分辨率為0.194 fF，穩(wěn)定性達2.59×10-5pF/h。李晶等[20]利用電容傳感器的邊緣效應設計出非平行極板電容檢測電路，以避免外界干擾；采用差分放大電路提取有效信號并對其進行調幅、解調及低通濾波。試驗表明，設計的C/V轉換電路在10 kHz正弦波作用下，靈敏度可達100 mV/pF。

2 關鍵技術分析

采用電容傳感器的大籽粒作物檢測系統(tǒng)涉及到材料學、傳感技術、信息處理等學科，其傳感器設計與排種監(jiān)測主要包括以下若干關鍵技術。

2.1 感知系統(tǒng)

電容傳感器極板作為電容式大籽粒作物播種監(jiān)測的關鍵器件之一，主要配合電容采集芯片來獲取待測區(qū)域介電常數(shù)變化而誘發(fā)的電容值變化，從而達到感知物料的目的。在傳統(tǒng)電容采集應用中，常采用兩平行極板構造，但其初始電容較小[21]。為增大初始電容且保持原有體積，國內學者采用了復雜極板構造，并對其進行了ANSYS仿真優(yōu)化設計[22]。國內排種及物料電容檢測常采用對置式、三極差動式、雙E型式極板[23]。通常，對置式極板依據傳統(tǒng)電容傳感器進行設計，因其初始電容較小，對作物籽粒難以進行精確監(jiān)測，常用于排種管堵塞檢測。三極板差動式傳感器以中間極板為基準，與另兩塊極板構成檢測電容與參考電容，采用差分放大電路對檢測電容與參考電容信號進行提取，可有效抑制環(huán)境對電容信號的干擾。而E型極板式電容傳感器采用同面多電極技術及單片復雜結構電極技術進行設計，同體積情況下，基礎電容較大，靈敏度較高，可實現(xiàn)高精度采樣及快速測量，在作物籽粒檢測中常采用雙E型或四E型檢測系統(tǒng)對待測區(qū)域進行測量，以保證較高的可靠性。目前，國內外學者仍在探索適用于微小電容檢測的極板設計，如浙江大學周穎[24]采用電容耦合式非接觸電導測量技術，設計出五電極和三電極的C4D傳感器，其電導相對誤差分別小于6%和5%。國外學者Noltingk等[25]設計出一種環(huán)形電容傳感器，其靈敏度可達同面積對置式傳感器的10倍之多。

2.2 信號處理系統(tǒng)

信號處理系統(tǒng)將傳感系統(tǒng)采集到的原始電容模擬量轉化為數(shù)字量，國內常見研究方向可分為通用型、高速型及分離型電容采集方式三種。通用型電容采集主要采用AD7151、MS3110、HT133、PS021等微電容處理芯片，這類電容檢測芯片的測量周期較長，無法滿足高速排種作業(yè)要求。而德國Acam公司生產的PCAP系列芯片，其01型可以在5×105次/s的速度下實現(xiàn)21bit的測量精度，同時可對寄生電容進行補償；02型則在其基礎上增加了溫度補償功能，使其適用性更廣。分離型電容采集方式伴隨復雜結構電容傳感器而興起，采用跨阻放大、充放電、電荷轉移及交流電橋等方法設計出不同的分立式測量電路以適應復雜結構電容的測量需求。

隨著對電容信號采集的研究不斷深入及單面電極式電容技術的發(fā)展，設計出專用IC(集成電路芯片)將分立型器件集成到同一芯片內并與傳感器進行封裝成為當前的主流研究趨勢，如電子科技大學白利[26]采用模/數(shù)混合方法，設計出多周期同步瞬時頻率測量電路，在XC2S200驗證后，通過Synopsys的ASIC開發(fā)環(huán)境進行芯片版圖設計。

2.3 檢測算法

檢測算法在電容式大籽粒作物及物料檢測中相當于人的大腦，其中算法的優(yōu)劣決定了整套系統(tǒng)的性能。在電容檢測應用初期，檢測系統(tǒng)僅對排種管是否堵塞進行監(jiān)控，常用的算法有固定閾值法與可調閾值法。固定閾值法通過預先對系統(tǒng)進行測試，獲取相應的傳感器閾值數(shù)據，將其寫入處理器中，運行時依照預先設定閾值進行工作。這種方式較為呆板，且易受溫度及濕度變化的影響，系統(tǒng)的靈活性和可靠性都較低?？烧{閾值法則在每次運行前，首先采集當前環(huán)境下的排種管滿、空心電容值信息并進行記錄，在此基礎上校準閾值，這種方式在一定程度上避免了因環(huán)境問題造成的檢測誤差。隨著研究的深入，其他諸如檢測播種數(shù)、播種間距以及漏播等信息也成為關注的焦點。由于電容式傳感器輸出信息的離散性較大，Morlet[27]提出了小波變換理論并將其應用于數(shù)字濾波中。趙春江等[28]提出了一種基于模糊邏輯的數(shù)字濾波算法，可以實現(xiàn)分布式噪聲的濾波。依據電容式傳感器所采集的介電常數(shù)變化規(guī)律，國內外學者依據譜信號的單峰、重疊峰、噪聲特征等，將反卷積、導數(shù)尋峰等譜信號處理算法引入當中，準確地獲得了種子下落時所產生的介電常數(shù)變化峰值，進而準確得到種子在排種管中的運動信息。

3 電容檢測技術在超大籽粒排種監(jiān)測中的應用

超大籽粒作物雖然品種不多，但其在精密播種方面實則要求更高。這是由于超大籽粒作物一般播種間距較大，即使是發(fā)生單粒漏播，外在表現(xiàn)也會非常突出。馬鈴薯漏播率為5%左右，但對于中國、印度等人均可耕地面積較少、該作物已成為事實上主糧作物的國家來說，這種由于漏播而造成的先天性減產不容忽視。

當前馬鈴薯排種方式以勺鏈式為主，但勺鏈式播種裝置受其工作原理制約，會產生因薯種漏取而導致漏播的現(xiàn)象，從而造成先天性產量降低。為降低勺鏈式排種裝置因漏取而造成的漏播，張曉東等[29]提出了采用紅外對射光電傳感器進行種薯漏播檢測的思想。在此基礎上，孫偉等[30]提出了以定位模塊、測薯模塊及ATmega16單片機為核心的擊打式快速補種系統(tǒng)，采用霍爾元件對薯勺進行定位，基本解決了單光電檢測系統(tǒng)薯勺定位精度低的問題。王關平等[31]則提出了一種以干簧繼電器觸發(fā)紅外檢測、采用窩眼輪式排種實施補償?shù)姆桨?，但該方案需要采用一致性較好的原原種，且存在補償種薯易被夾傷的風險。為解決光電式傳感器易受強塵、振動及日光干擾等問題，中國農業(yè)大學?？档萚32-33]提出了一種基于電容式傳感器的勺鏈式馬鈴薯播補一體化方案，采用對置式極板進行排種監(jiān)測，其主要由電容傳感器、屏蔽殼、AD7745構成。電容傳感器采用銅質極板制作，采用可調閾值尋峰算法對有無薯種進行檢測，且支持溫度誤差補償。田間試驗證明其檢測精度符合設計要求。

4 存在問題及展望

隨著精確農業(yè)概念的深入人心，傳統(tǒng)的光電式排種監(jiān)測系統(tǒng)難以適應精密播種技術的迫切需求。為此，國內外學者及工程技術人員基于電容檢測方案進行了多方位探索，已取得長足的技術進步。然而，相較于傳統(tǒng)工業(yè)領域電容式檢測應用的深度、廣度和技術的成熟可靠性還存在相當大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

4.1 極板

為解決傳統(tǒng)型電容傳感器對置式極板初始電容小、作物檢測靈敏度低等問題，國內外學者對極板結構進行了改進，但其研究大多為E型極板或三極型差分極板。研究表明，極板外形對電容信號采集有重要影響[34-37]。工業(yè)領域中，已出現(xiàn)諸如復雜電極結構、電容超聲傳感器、同面電極等領域的相關研究。針對多籽粒精播裝置因極板結構設計而導致的檢測不靈敏問題，可采用有限元分析對極板以及籽粒進行建模仿真，從工業(yè)領域吸取較為先進的設計理念，設計出專用型參數(shù)最優(yōu)極板。

4.2 采集芯片

精播檢測領域大多使用芯片為ADI(亞德諾半導體)的通用型電容檢測芯片，該芯片不具備溫度及濕度補償系統(tǒng)，且受制于其檢測原理，采樣速率較低，檢測方案的偶發(fā)性誤差較大，為程序的設計帶來了困難。雖然國內學者為了提高檢測性能，采用了PCAP系列芯片，但其價格昂貴，高分辨率模式下采樣率依然難以滿足高速采樣要求。這些專用芯片并未針對農業(yè)領域進行優(yōu)化，今后可設計專用IC與電容傳感器極板相集成，實現(xiàn)數(shù)字輸出，提高產品可靠性，從而降低因系統(tǒng)連接產生的誤差。

4.3 檢測算法

當前針對電容式檢測采用的算法依然較少，因其采用的主控制器性能較低，研究大多采用固定閾值算法或可調閾值算法，使得檢測系統(tǒng)適用性欠佳。對于電容檢測算法，采用卡爾曼濾波或EMD分解IMF小波閾值法均可獲得較為平滑的電容變化曲線，之后采用二階導數(shù)或反卷積法可獲得曲線中變化的單、雙峰，可實現(xiàn)精播質量及漏播事件的判定等目的。農業(yè)工程領域的特色是多學科融合，如將工業(yè)或數(shù)學領域的先進算法引入，可顯著提高設備性能，如采用神經網絡對電容傳感器的非線性進行矯正，采用遺傳算法進行網絡結構的優(yōu)化等均可能產生更精確的測量結果。