玉米精量播种机监控系统的研制

王海礁，王晨平，谢洪昌

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 绥化分院，黑龙江 绥化 152054)

0 引言

播种是农业生产的基础环节，对于提高作物出苗率具有重要意义，直接影响作物的高产、稳产[1-3]。精量播种技术可以保证种子播深、播量一致，播种均匀性提高，同时减少种子的浪费[4]。但是精量播种技术在实际应用过程中存在播种情况与技术参数无法实时监控等问题。因此，对精量播种技术进行监控对于保证田间生产效率和实现我国农业机械智能化发展具有重要意义。

目前，我国大部分播种机属于机械式播种机，种子在机械内部处于封闭状态，操作人员无法保证播种质量，当排种装置出现堵塞、种子过少、机械故障等问题无法及时进行排除。应用传感器技术与人工智能技术对播种情况进行监控，可以保证播量的精确性[5-6]。因此，本研究以玉米精量播种机为研究对象，基于国内外精量播种机监控装置发展现状，提出一种玉米精量播种机监控系统，对硬件系统和软件系统核心模块进行论述，最后通过田间试验开展播量性能检测试验。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

在20世纪70年代，国外农业发达国家已经逐步强化监控系统在农业机械装备上的应用与发展，主要包括机械式报警装置、机电信号报警装置和电子监控装置。如英国S870精量播种机安装电子监控装置，可以实现对种箱和排种装置的监测，AEE公司研发的电子监控装置可以实时监控种子的工作与流动状态，当出现排种故障时，监控器会发出相应的报警信号。随着人工智能技术和传感器技术的逐渐发展，越来越多的高新科技应用到农业机械监控装置中，并基于人工智能技术实现对各项数据的处理和分析。

1.2 国内研究进展

关于农业机械监控系统的研究，我国起步较晚。近年来随着各个科研院所与生产企业的不断研发，针对我国农业生产模式，取得了一系列研究成果。如辽宁省农业科学院研发一种播种机电子监视器，可以对播种过程中的株距均匀性和重播、漏播等现象进行监控；渤农机械基于集成电路，在播种机排种装置安装传感器，当出现排种异常时发出相应的声光警告；山东理工大学设计一种霍尔传感器与电机驱动下播种参数无极调速装置，基于播种机前进速度、株距和电机转速之间的数学模型，实现利用拖拉机前进速度和控制电机转速等实现株距调节。

1.3 研究总结

通过国内外发展现状可知，近年来我国对精量播种机监控装置取得了相关研究成果，但是与国外发达国家相比，主要存在以下几个问题。

1)播种株距等技术参数不稳定。目前我国主要采用研发新型排种器提高排种均匀性与精度，该技术虽然可以有效改善排种均匀性，但是不能保证播种株距的一致性。

2)播种监控功能不完善。目前我国关于精密播种机监控装置的研发只有少数几家企业，监测功能较为单一，难以实现在田间作业中的广泛应用。由于国外传感器技术较为先进，可以实现播种监测和故障报警等功能，但是由于生产成本和知识产权等限制，难以在我国得到广泛应用。

2 精密播种机监控系统总体设计

2.1 性能指标及要求

1)播量稳定性。主要是指在播种机各个时间段内排出的种子数量一致，可以用来评价精密播种机的工作稳定性。

2)播种均匀性。主要是指种子在种床的分布均匀性。

3)播深稳定性。主要是指种子上方覆盖的土层厚度在规定范围内，误差≤1 cm。

2.2 总体设计方案

基于玉米精密播种机进行监控系统的研究。玉米气力式精量播种机主要包括行走轮、机架、测速模块、排量监测装置、镇压装置等组成(图1)。

1.行走轮；2.测速模块；3.机架；4.风机；5.电机；6.四连杆仿形；7.排种量监测装置；8.种箱；9.排种装置；10.镇压力监测装置；11.镇压轮；12.电缸；13.覆土器；14.开沟器图1 玉米精密播种机结构示意图

玉米精密播种机监控系统主要监测技术参数包括播种量、播种面积、重播率、漏播率，并通过人机交互系统实时显示播种机各项参数。其整体监控方案功能示意图如图2所示。

图2 系统硬件功能结构示意图

3 精密播种机监控系统硬件及软件组成

3.1 单片机的设计与选型

选取美国德州仪器公司生产的MSP430单片机为控制器，具有512字节的RAM存储器，其端口引线如表1所示。

表1 单片机端口接线表

3.2 人机交互系统的设计

人机交互系统主要是通过触摸屏完成对相关参数的设置及信息采集。要求触摸屏具有足够的数据存储空间和分辨率。在此选择北京迪文科DMT80600T080-22W触摸屏，主要技术参数如表2所示。

表2 触摸屏技术参数

3.3 驱动电机的设计

在选择精密播种机步进电机时，要保证步进电机的输出功率大于精密播种机工作负载所需的功率，根据田间播种要求，选取混合式步进电机86HBP150AL4-TK0作为精密播种机的驱动电机，其主要技术参数如表3所示。

表3 混合式步进电机86HBP150AL4-TK0技术参数

3.4 软件系统设计

精密播种机监控系统软件部分采用C语言进行编程，将复杂的程序划分为若干个独立模块进行编程与设计。主要涉及模块包括作业情况监测模块、排种器监测模块、播种株距调控模块、覆土镇压监测模块等。软件系统功能如图3所示。

图3 软件系统功能结构示意图

4 智能监控系统测试与分析

4.1 试验材料与方法

基于自主研发的玉米精密播种机监控装置，通过田间试验验证该监控系统对播种量和作业面积参数采集的可靠性与精确性影响。排种器转速设置为25～50 r·min-1，机器前进速度为5 km·h-1，排种株距设置为20 cm，行距设置为60 cm。

4.2 播量和播种面积性能试验

研究结果表明，精密播种机监控系统能够实现对播种面积准确度和播种量的检测。监测参数与实际参数误差较小，精确性较高，可以满足田间作业要求(表4、表5)。

表4 播种面积准确度监测结果

表5 播种量准确度监测结果

5 结论

本研究针对精量播种机存在的智能化水平较低，监控系统稳定性较差等问题，基于国内外发展现状，以玉米精量播种机为研究对象，提出一种玉米精量播种机智能监控系统，并对整体设计方案与软、硬件组成进行系统论述，结合田间试验对播种量和播种面积进行分析。研究结果对于促进我国播种机自动化和智能化发展提供技术参考与借鉴，对于推动我国农业现代化转型提供新的发展思路。