气吸式玉米播种机排种监测系统研究

戈天剑，赵 斌，衣淑娟，王大可，范学佳

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)



气吸式玉米播种机排种监测系统研究

戈天剑，赵 斌，衣淑娟，王大可，范学佳

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)

为了对播种机的工作状况进行实时监测，对播种过程中出现的种箱排空和导种管堵塞情况及时报警，设计了一种对播种机作业中的各项参数实时监测系统。系统以嵌入式微处理器和红外光电传感器为主要部件，通过无线通信的方式与上位机进行数据的传输，对播种作业中出现的种箱排空和导种管堵塞及时进行声光报警，并通过上位机软件对所需的参数实时显示。试验结果表明：该系统工作稳定，对故障的报警准确率较高，有效提高了播种质量。

播种机；排种监测系统；无线通信；嵌入式微处理器；红外光电传感器

0 引言

我国是一个农业大国，农业经济占据着我国社会经济的重要地位，农业机械化发展程度是影响农业发展水平的重要因素。随着科学技术的迅速发展，气吸式玉米播种机投入到了农业生产中，具有节省种子、减少浪费、减少劳动力、节约时间及播种精度高等特点。但是，气吸式播种机和其它播种机结构是相似的，工作过程是全封闭的，无法观察其工作状况。由于田间的工作环境比较恶劣，会出现种箱排空、导种管堵塞等故障，如果无法及时发现故障并解决，会造成大面积漏播，影响经济效益，造成粮食减产。因此，研究一套播种机监测系统对提高农业生产水平具有十分重要的意义。

国外的播种机投入到农业生产中较早，监测技术相对成熟，智能化程度与准确性均较高。目前，国内精密播种机监测系统的研究发展较快，大部分是通过单片机控制功能来实现播种机的监测。目前，精密播种机上采用的监测和报警装置大致有3种类型，即机械式报警器、机电信号式报警器和电子仪器式监视装置，常用的检测方法有压电声电法、光电法及计算机视觉技术等[1]。国内精密播种机的监测系统主要对作业过程中出现的种箱排空和导种管堵塞进行监测，发现故障及时报警,具有一定的局限性，缺少对播种机在工作过程中其它参数的监测。为此，设计了一种对播种机作业中各项参数实时监测系统，不仅可以对排种量进行监测，还能对播种中出现的种箱排空和导种管堵塞及时地进行声光报警，显示出有故障的工作区及播种机作业中的其它参数。

1 系统总体设计方案

微处理器是监测系统的核心，系统使用STC12C5A60S2单片机，通过无线模块与上位机进行数据的传输，既能对播种机作业中的参数进行监测与显示，又能准确地对工作过程中出现的种箱排空和导种管堵塞进行报警。种子落下时，由红外光电传感器进行信号采集，经下位机对信号进行处理，由上位机软件对排种量、株距及作业面积等参数进行显示；出现故障时，上位机会显示出发生故障的工作区，同时通过声光报警提醒机车驾驶员出现故障。系统结构框图如图1所示。

在播种机正常工作时，当种子经过安装在导种管中部的红外光电传感器时，种子会遮挡住红外发光二极管，接收端的光敏三极管接收不到光信号，返回高电平；没有种子通过时，光敏三极管接收到光信号，返回低电平。接收端接收到两次低电平的时间差即为落种时间差，通过落种时间差与机车的行驶速度可以计算出株距。根据垄宽和作业速度可以计算出播种机的作业面积。根据接收端是否有电平的高低变化来判断种子是否落下：有种子落下时，计数器对低电平进行计数；没有种子落下时，计数器值不增加。同时，启动定时器，如果接收端超过预定报警时间(该系统预定报警时间3s)内没有高低电平变化时，下位机向上位机发送报警信号，由上位机显示出故障的工作区域，同时启动驾驶室内的声光报警器。

图1 系统结构框图

2 系统的硬件设计

监测系统主要完成数据的采集、传输、显示及对播种机工作过程中出现的故障及时进行报警。系统的硬件主要由光电传感器模块、微处理器模块、无线通信模块及声光报警模块组成。光电传感器主要对种子的下落信息进行采集；微处理器模块对监测的数据进行处理和逻辑判断；无线通信模块将各个参数和报警信号向上位机传输。无线通信的方式降低了故障的发生率，提高了监测系统运行的稳定性和准确性。声光报警可以及时地提醒机车驾驶员，迅速发现并解决故障。

2.1 光电传感器模块设计

光电传感器作为监测系统的信号采集器件，也是系统运行的第1步，其采集信号的准确性决定整个系统性能的可靠性及稳定性。目前，主要应用的发光器件有激光二极管、高亮度发光二极管及红外发光二极管。由于田间作业环境恶劣，灰尘较大，对传感器的覆盖范围、光谱特性都要进行分析。3种器件中，激光二极管价格昂贵，不予考虑；红外发光二极管与高亮度发光二极管结构原理相似，但红外发光二极管在灰尘中穿透性强,并且响应迅速、光束集中、指向性强，价格较低，工作稳定性高，发射端选择红外发光二极管；光敏三极管结构与普通三极管相似，但光敏三极管有一个对光敏感的PN结作感光面，具有光敏特性，当PN结受到光辐射时，在集电极回路中会得到一个放大的信号电流，与光敏二极管相比，具有较高的灵敏度，因此接收端使用光敏三极管。由于种子从排种器排出时具有一定的初速度，种子进入导种管后会发生弹跳，如果安装1对红外光电传感器会出现检测盲区，直接影响到监测系统的准确性。根据导种管长与宽的参数、种子的尺寸及种子运动轨迹，在导种管上并列安装3对红外光电传感器，实现了无盲区监测。考虑到玉米种子的尺寸大小，一个种子会挡住两对传感器的光路，如果不进行逻辑判断，会影响系统的准确度。因此，在传感器电路中加装3个74LVC2G08型号的与门和一个74LS32型号的或门对种子的下落个数进行逻辑判断处理。或门的输出端接到定时器T0，与门的输出端接到定时器T1。定时器T0与T1均设置成计数器模式，当或门输出为1、与门输出为0时，判定只有一个种子通过，计数器T0加1；当或门和与门输出都为1时，判定有两个种子通过，计数器T0和T1同时加1，最终播种量为两者相加。红外光电传感器电路图如图2所示。

图2 红外光电传感器电路图

2.2 微处理器模块

微处理器是整个监测系统的核心，控制着系统各个部分协调一致的工作。红外光电传感器产生的脉冲信号经过调理后在单片机中进行处理和逻辑判断，通过无线模块将数据传输给上位机。如果播种机正常工作，上位机显示出播种机的排种量、株距及作业面积；若出现故障，则启动声光报警并在上位机软件界面上显示作业中出现问题的工作区域。单片机是一个微控制器，具有存储、运算、定时中断等功能。监测系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片。该单片机具有60kB用户应用程序存储空间、4个16位定时器、外部中断IO口7路，自带A/D转换，有EEPROM功能，且高性能、低功耗，完全满足系统的需求。

2.3 通讯模块

监测系统上位机与下位机之间采用无线通信的方式，相比于有线通信，无线通信具有布线成本低、布线简单、线路不易受损伤及适应性好等优点。每个排种器都配一个无线模块向上位机传输数据，增加了数据传输的速度，提高了系统工作的可靠性。系统无线模块选用NRF24L01，内置稳压电路，可由多种电源供电。该模块功耗低、抗干扰能力强，可通过软件修改地址，只有接收到本机地址才会输出数据，可接单片机直接使用，有自动应答和自动再发射功能，4种工作方式。

2.4 声光报警模块

由于机车在工作过程中噪音较大，当播种机在作业过程中出现导种管堵塞或种箱排空的故障时，如果报警音量不够大，会导致驾驶员无法及时发现故障，造成大面积漏播，降低经济效益。为了防止上述情况的发生，在电路中加装声光报警器，以便机车驾驶员及时发现故障，停车检查。下位机电路图如图3所示。

图3 下位机电路图

3 系统的软件设计

3.1 监测系统主程序流程图

监测系统的软件功能是协调各个硬件部分的稳定运行，监测系统软件设计主要完成的任务包括：工作过程中排种量和其它作业参数的监测；无线发送与接收各项参数；逻辑判断；报警信息的发送。C语言是程序编译中常用的高级语言，其功能丰富、表达能力强、使用灵活方便、应用面广、目标程序效率高、移植成功率高，且可以直接实现对系统硬件的控制，所以系统软件设计采用C语言。软件程序主要由主程序、定时中断子程序、无线通信子程序及报警子程序等组成，分别完成信号的采集、逻辑判断、数据传输与报警。其主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

3.2 报警子程序流程图

系统上电后，下位机开始进行作业监测。如果上位机接收到来自下位机的报警信息，则在上位机软件界面上显示出故障区域，并启动声光报警；若没有接收到报警信息，则显示出正常的工作参数。报警子程序流程图如图5所示。

图5 报警子程序流程图

单片机完成系统初始化后，启动定时器与无线模块。无线模块将数据传送到上位机，显示出各行的播种量。当出现故障时，单片机向上位机发送报警信号，上位机显示出现故障的工作区，同时启动声光报警；处理完毕后，用户根据工作情况选择控制面板上的按键继续进行监测；作业完成后，通过上位机中储存的数据对播种效果进行分析。

4 试验及结果分析

为验证监测系统的性能与可靠性，在黑龙江省曙光农场进行试验。播种机采用黑龙江八一农垦大学研制的2BJM-7型大马力气吸式精密播种机，作业拖拉机为美国凯斯210，作业速度为6～8km/h，分别对播种量、报警准确性和无线模块数据传输的可靠性等性能试验。

4.1 排种数量监测试验

选取2 000粒种子作为试验用种，每500粒种子为1组，做4组试验。监测结果如表1所示。

表1 排种量监测结果

4.2 报警试验测试

导种管堵塞及种箱排空报警试验采用人为设置故障的方法，将导种管底部堵住，在行驶速度7km/h的条件下试验10组，观察报警是否准确及上位机是否正确显示出故障区域。种箱排空监测实验方法：将种箱内放入少量玉米种子，在同样的速度下行驶，共做10组试验，观察报警是否准确及上位机是否正确显示出故障区域。

播种防堵与排空试验中，20组试验中上位机显示空和堵的工作区域和实际情况完全一致，误报率为0，并且在预定的时间内及时地启动了声光报警。

5 结论

监测系统采用红外发光二极管作为光电管的发射端，光敏三极管作为接收端，以3对并列方式安装在导种管上，实现了精密播种无盲区检测。以无线通信方式与上位机进行通信，布线简单，成本低。针对田间工作噪音较大的情况，加装了声光报警器，便于及时发现故障。试验表明:该监测系统性能稳定、报警及时准确，误报率为0，对排种量监测平均精度达97.55%，有效提高了播种监测效率和播种质量。

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[2] 孙全芳,戴玉华,刘东利.精密播种机监控系统的研究现状与发展趋势[J].山东机械，2005(4):60-62.

[3] 宋金虎,赵立艳.农业机械智能作业面积测量系统的研究设计[J].农业机械，2009(11):92-94.

[4] 王润涛,张晓康,王崧达,等.气吸式播种机种肥无线监测系统研究—基于NRF24L01[J].农机化研究,2015,37(6):101-104.

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[6] 陆黎,胡建平.精密播种机监控系统的发展状况及创新研究[J].农机化研究，2005(2):13-15.

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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”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-03)；黑龙江省科技厅项目(GZ13B013)；黑龙江省农垦总局科委项目(HNK125B-07-15)

戈天剑(1993-),男，黑龙江大庆人，硕士研究生，(E-mail)1933605369qq.com。

赵 斌(1970-)，男，黑龙江宝清人，教授，硕士生导师，(E-mail)616283364@qq.com。

S223.2+5

A

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