丁幼春，張莉莉，楊軍強(qiáng)，朱 凱

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油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感裝置改進(jìn)及通信設(shè)計(jì)

丁幼春，張莉莉，楊軍強(qiáng)，朱 凱

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對(duì)油菜播種作業(yè)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、播種量計(jì)量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多路油菜種子流傳感裝置和油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置組成，油菜種子流傳感裝置安裝于油菜精量排種器下方輸種管道上，利用MSP430單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間捕獲中斷程序及定時(shí)計(jì)數(shù)程序?qū)崟r(shí)記錄油菜種子流的排種時(shí)間間隔序列、排種頻率、排種總量并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得漏播指數(shù)、合格指數(shù)，采用“多對(duì)一”傳輸方式無(wú)線發(fā)送至油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置。監(jiān)測(cè)顯示終端實(shí)時(shí)顯示多路播量信息、排種性能指標(biāo)信息以及每一路的排種頻率曲線。設(shè)計(jì)了應(yīng)答模式的輪詢數(shù)據(jù)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的可靠性、容錯(cuò)性、準(zhǔn)確性。播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)及田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)96%以上，在田間較空曠場(chǎng)地傳輸距離達(dá)60 m，滿足播種監(jiān)測(cè)的需要，并為油菜播種狀態(tài)圖的生成提供了技術(shù)支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)；油菜精量直播機(jī)；油菜種子流；播量監(jiān)測(cè)；排種頻率；性能檢測(cè)

0 引 言

播種作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須根據(jù)農(nóng)業(yè)技術(shù)要求做到適時(shí)、適量、滿足農(nóng)藝環(huán)境條件，使作物獲得良好的生長(zhǎng)發(fā)育基礎(chǔ)[1-4]。油菜精量直播機(jī)能夠一次完成開溝、滅茬、旋耕、精量播種、施肥、覆土等作業(yè)，因其作業(yè)速度快、工作效率高（一次播六行）而被廣泛應(yīng)用[5-10]。播種時(shí)油菜種子的流動(dòng)過(guò)程處于封閉的狀態(tài)[11-12]，油菜種子顏色與土壤顏色相近，現(xiàn)階段油菜播種作業(yè)質(zhì)量主要通過(guò)觀察后期出苗狀況來(lái)判斷，而油菜精量播種的播量情況主要是通過(guò)種箱內(nèi)種量變化或通過(guò)排種器轉(zhuǎn)速及排種盤型孔數(shù)推算間接獲得。因此，研究一套油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油菜播種作業(yè)過(guò)程中的排種性能、播量統(tǒng)計(jì)是實(shí)現(xiàn)播種環(huán)節(jié)透明化、信息化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)之一。

國(guó)外眾多專家學(xué)者在播種監(jiān)測(cè)方面開展了大量研究[13-14]，如美國(guó)Precision Planting公司基于WaveVision顆粒傳感器設(shè)計(jì)的20/20 SeedSense監(jiān)控系統(tǒng)[15]能夠?qū)崿F(xiàn)排種頻率、排種總量、漏播率、重播率等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)工作狀態(tài)自行糾正播種性能。美國(guó)約翰迪爾精量播種機(jī)配備的Seed Star 監(jiān)視儀[16-17]，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)播種總量、漏播指數(shù)、播種面積等信息，并以圖表等形式實(shí)時(shí)顯示，方便機(jī)手實(shí)時(shí)獲取播種作業(yè)質(zhì)量信息。國(guó)外在播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)研究成果顯著，但其成本較高，適用對(duì)象、作業(yè)環(huán)境與國(guó)內(nèi)相距較大。

國(guó)內(nèi)在播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的研究開發(fā)起步較晚，但播種機(jī)研究工作者也在積極研究開發(fā)適合我國(guó)實(shí)際情況的播種作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。黑龍江勃農(nóng)興達(dá)機(jī)械有限公司[18]、車宇等[17]研制的用來(lái)監(jiān)視玉米、大豆等播種作業(yè)工況的電子監(jiān)視裝置，通過(guò)在排種器或者輸種管的關(guān)鍵位置上安裝傳感器，對(duì)種子流動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)視，若出現(xiàn)排種異?，F(xiàn)象及時(shí)發(fā)出聲、光警報(bào)。周利明等[19-20]提出了基于電容測(cè)量的棉花精密播種機(jī)排種監(jiān)測(cè)方法，能夠?qū)ΨN箱排空和輸種管阻塞等造成的故障情況報(bào)警。盧彩云等[21-22]基于小麥精密播種機(jī)設(shè)計(jì)的播種實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)播種過(guò)程中出現(xiàn)的排種故障現(xiàn)象，可發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并及時(shí)指示故障位置。李旭等[23]基于紅外光電傳感器設(shè)計(jì)的水稻芽種播種監(jiān)控裝置，當(dāng)出現(xiàn)排種故障時(shí)通過(guò)蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警。

盡管精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究有些成果，但是能直接應(yīng)用于油菜精量直播機(jī)上，針對(duì)油菜等小粒徑種子的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還鮮有涉及。且目前多數(shù)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是利用傳感器監(jiān)視輸種管、種箱或者排種器的工作狀況，在發(fā)生輸種管堵塞、種箱排空或者排種器故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒機(jī)手注意。通常，這類監(jiān)測(cè)裝置可以起到防止輸種管堵塞、種箱排空或者排種器故障的作用，但對(duì)播種量計(jì)量還需要深入研究[24-27]。

針對(duì)油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏的問(wèn)題，本文利用安裝在六路油菜精量排種器下方的油菜種子流傳感裝置實(shí)時(shí)獲取油菜種子流的排種頻率、排種總量、排種時(shí)間間隔序列、漏播指數(shù)等參數(shù)，無(wú)線發(fā)送至油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置，避免監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線連接造成的連接繁瑣、作業(yè)過(guò)程中的拉扯等問(wèn)題，以期實(shí)現(xiàn)油菜精量直播機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、播種量的計(jì)量。

1 油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由六路油菜種子流傳感裝置和油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置組成，主要完成多路播量監(jiān)測(cè)及排種性能檢測(cè)。種子流傳感裝置安裝于油菜精量排種器投種口下方的輸種管道上，種子流撞擊壓電薄膜產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后形成與排種種子流相對(duì)應(yīng)的排種脈沖序列信號(hào)，經(jīng)MSP430單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)間捕獲中斷程序及定時(shí)計(jì)數(shù)程序獲得油菜種子流的排種頻率、排種總量以及排種時(shí)間間隔序列，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得漏播指數(shù)、合格指數(shù)，采用應(yīng)答模式的數(shù)據(jù)通信協(xié)議“多對(duì)一”無(wú)線傳輸至油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置，監(jiān)測(cè)顯示終端單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理并通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示多路播量監(jiān)測(cè)信息、性能檢測(cè)信息以及每一路的排種頻率曲線。

圖1 油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 油菜種子流傳感裝置

課題組前期利用壓電原理設(shè)計(jì)了一種小粒徑種子流傳感裝置。該裝置利用油菜種子流撞擊壓電薄膜產(chǎn)生尖脈沖電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、半波整流、比較、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路形成與排種種子流相對(duì)應(yīng)的排種脈沖序列信號(hào)，采用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)種子流的計(jì)數(shù)，具體參見文獻(xiàn)[2]。

基于上述原理與基礎(chǔ)，對(duì)本系統(tǒng)所采用油菜種子流傳感裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。選取自帶屏蔽高靈敏度的壓電薄膜（MEAS公司SDT1-028K）實(shí)現(xiàn)油菜種子流的感應(yīng)；集成信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)系統(tǒng)，以降低功耗，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力以及運(yùn)行穩(wěn)定性；利用MSP430F149單片機(jī)P4.1時(shí)間捕獲中斷實(shí)現(xiàn)油菜種子流排種時(shí)間間隔的捕獲；加入RGB（Red Green Blue）信號(hào)燈實(shí)現(xiàn)油菜精量直播機(jī)不同播種狀態(tài)指示，與單片機(jī)P5.1～P5.3口連接；在裝置的結(jié)構(gòu)方面，整體尺寸從172變?yōu)?42 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，美觀小巧，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用文獻(xiàn)[2]中的試驗(yàn)方法，對(duì)改進(jìn)后的傳感裝置進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化改進(jìn)后的傳感裝置不受田間機(jī)械振動(dòng)的干擾且裝置檢測(cè)準(zhǔn)確度在96%以上。

1. 入種口 2. 導(dǎo)管 3. 信號(hào)調(diào)理電路 4. MSP430F149單片機(jī) 5. 電路集成系統(tǒng) 6. 沉槽基板 7. 壓電薄膜 8. 出種口 9. 碰撞腔 10. 鋰電池 11. nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊 12. 電源開關(guān) 13. 電源指示燈

2.2 無(wú)線通信模塊

油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)油菜種子流傳感裝置與油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置的無(wú)線通信，數(shù)據(jù)處理方式選擇增強(qiáng)型ShockBurstTM 模式[28-30]。該模塊功耗極低，工作頻率為2.4 GHz，數(shù)據(jù)通道數(shù)為6，單個(gè)通道一次可傳輸32字節(jié)數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)的應(yīng)答模式的通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)六路傳感裝置與油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置無(wú)阻塞、輪詢的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置

油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置集成單片機(jī)系統(tǒng)、TFT液晶顯示屏（深圳市淘晶馳電子有限公司MD070SD，分辨率800′480）、nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊、薄膜按鍵、裝置外殼等封裝于一體。單片機(jī)電路系統(tǒng)分為TFT液晶顯示模塊電路、nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊電路、按鍵輸入模塊電路，核心處理器為STC12LE5A60S2型號(hào)的單片機(jī)，工作頻率33 MHz，工作電壓3.3 V，主要用于“一對(duì)六”信號(hào)收發(fā)、數(shù)據(jù)分析與處理并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互?；谝陨蠁纹瑱C(jī)系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)了裝置電路板。

TFT液晶顯示模塊電路：液晶顯示屏的低8位數(shù)據(jù)總線DB0～DB7與單片機(jī)的 P0.0～P0.7口連接，液晶顯示屏的高8位數(shù)據(jù)總線DB8～DB15與單片機(jī)的P2.0～P2.7口連接，液晶顯示屏的片選CS、復(fù)位REST分別與單片機(jī)的P1.0、P1.2口連接。

nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊電路：nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊的RX或者TX選擇引腳CE，SPI數(shù)據(jù)輸入引腳MOSI，SPI數(shù)據(jù)輸出引腳MISO，SPI片選信號(hào)引腳CSN，SPI時(shí)鐘引腳SCK，可屏蔽中斷引腳IRQ分別與單片機(jī)的P1.3～P1.7口以及P3.3口連接。

按鍵輸入模塊電路：根據(jù)系統(tǒng)功能以及裝置整體美觀度需要，對(duì)按鍵選型，并進(jìn)行了尺寸、顏色等的設(shè)計(jì)與布局，定義了“復(fù)位”、“上翻”、“下翻”、“清零”按鍵，分別與單片機(jī)的RST、P1.1、P3.2、P3.4口連接。按鍵響應(yīng)采用定時(shí)查詢方式，當(dāng)查詢到引腳有信號(hào)輸入時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的按鍵功能程序，用于播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置的復(fù)位、顯示界面切換、數(shù)據(jù)清零功能。

根據(jù)顯示屏、電路板、薄膜按鍵、接口等的尺寸以及相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置外殼進(jìn)行了造型設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能并保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不發(fā)生沖突、穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)了應(yīng)答模式的數(shù)據(jù)通信協(xié)議如圖3所示。監(jiān)測(cè)顯示終端裝置向?qū)?yīng)路傳感裝置發(fā)送清零指令或者數(shù)據(jù)傳輸指令時(shí)，對(duì)應(yīng)路傳感裝置根據(jù)接收到的指令進(jìn)行清零或者數(shù)據(jù)傳輸，此協(xié)議輪詢一周周期為550 ms，包括單路數(shù)據(jù)傳輸、等待與應(yīng)答總時(shí)間90 ms，nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊切換與等待時(shí)間10 ms。

注：實(shí)線代表監(jiān)測(cè)顯示終端裝置與種子流傳感裝置的通信關(guān)系；虛線代表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“一對(duì)六”輪詢的關(guān)系。

指令類型有數(shù)據(jù)傳輸指令與清零指令，指令寬度設(shè)計(jì)為2個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸指令中2個(gè)字節(jié)均定義為0xff，清零指令中2個(gè)字節(jié)均定義為0x01。

數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)包進(jìn)行了設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)包寬度設(shè)計(jì)為13個(gè)字節(jié)，對(duì)其中的每個(gè)字節(jié)定義如表1所示。1號(hào)字節(jié)和2號(hào)字節(jié)為每秒鐘傳感裝置端更新的排種總量（Sum_seed）的低8位和高8位；3號(hào)字節(jié)為索引值（i_index），數(shù)據(jù)每秒鐘更新一次，索引值加1，當(dāng)索引值超過(guò)150（繪制排種頻率曲線需要，本文設(shè)定為150）時(shí)，索引值置1，9號(hào)字節(jié)滾屏標(biāo)志（GunDongFlag）置1，排種頻率曲線開始滾動(dòng)顯示當(dāng)前150 s的排種頻率； 4號(hào)字節(jié)～8號(hào)字節(jié)分別為當(dāng)前第秒的排種頻率（Fre[0]），第-1秒的排種頻率（Fre[1]），第-2秒的排種頻率（Fre[2]），第-3秒的排種頻率（Fre[3]），第-4秒的排種頻率（Fre[4]），減少在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中因丟包而產(chǎn)生數(shù)據(jù)截?cái)啵?0號(hào)字節(jié)為數(shù)據(jù)通道號(hào)（），用于校驗(yàn)傳感裝置設(shè)定通道與監(jiān)測(cè)顯示終端裝置接收通道的一致性；11號(hào)字節(jié)和12號(hào)字節(jié)分別為合格指數(shù)×100、漏播指數(shù)×100，將浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成無(wú)符號(hào)整型，減少字節(jié)占用；13號(hào)字節(jié)為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，其值為1號(hào)字節(jié)～12號(hào)字節(jié)的值相加，用于校驗(yàn)傳感裝置發(fā)送數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)顯示終端讀取數(shù)據(jù)的一致性。

表1 數(shù)據(jù)包含義

如此定義數(shù)據(jù)包滿足了播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，?shù)據(jù)包每次發(fā)送當(dāng)前5 s的5組排種頻率，發(fā)送過(guò)程中若出現(xiàn)丟包時(shí)，可以通過(guò)之后發(fā)送的4個(gè)數(shù)據(jù)包（4次機(jī)會(huì)）恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，以減小丟包的影響，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⑷蒎e(cuò)性、準(zhǔn)確性。

3.2 傳感裝置數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)

傳感裝置數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)軟件重點(diǎn)在于獲取油菜種子流的排種頻率、排種總量、排種時(shí)間間隔序列等信息，通過(guò)計(jì)算獲得平均排種時(shí)間間隔作為標(biāo)準(zhǔn)排種時(shí)間間隔，再根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得排種性能指標(biāo)并發(fā)送到油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置。單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言編程，其軟件流程如圖4所示。

油菜種子流傳感裝置啟動(dòng)后，單片機(jī)系統(tǒng)初始化，主要完成對(duì)定時(shí)器、時(shí)間捕獲中斷、nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊等的初始化，其中定時(shí)器參數(shù)TACCR0初始值設(shè)定為16 384（對(duì)應(yīng)1 s，用于確定排種頻率），TACCR1初始值設(shè)定為8 192（對(duì)應(yīng)0.5 s，用于控制RGB信號(hào)燈閃爍），nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)置為接收模式。單片機(jī)系統(tǒng)利用定時(shí)中斷程序、時(shí)間捕獲中斷程序采集油菜種子流的排種脈沖序列信號(hào)，進(jìn)而獲取排種頻率、排種總量和排種種子流時(shí)間間隔序列，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[31-32]計(jì)算獲得漏播指數(shù)、合格指數(shù)，并根據(jù)漏播指數(shù)定義播種狀態(tài)（定義漏播指數(shù)小于或等于0.1時(shí)為正常播種狀態(tài)，漏播指數(shù)大于 0.1且小于或等于0.3時(shí)為弱漏播狀態(tài)，漏播指數(shù)大于0.3時(shí)為嚴(yán)重漏播狀態(tài)），繼而驅(qū)動(dòng)RGB信號(hào)燈顯示不同顏色指示當(dāng)前播種狀態(tài)（指示燈綠色為正常播種，指示燈藍(lán)色為弱漏播，指示燈紅色為嚴(yán)重漏播）。

圖4 油菜種子流傳感裝置軟件流程圖

常態(tài)工作過(guò)程中，主程序不斷判斷是否接收到指令，當(dāng)接收到清零指令時(shí)，將排種頻率、排種總量、漏播指數(shù)、合格指數(shù)、相關(guān)數(shù)組等數(shù)據(jù)清零；當(dāng)接收到數(shù)據(jù)傳輸指令時(shí)，將nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)置為發(fā)送模式，填充當(dāng)前數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到監(jiān)測(cè)顯示終端，再將nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)置為接收模式，等待下一次接收。

3.3 監(jiān)測(cè)顯示終端數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)

油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)軟件主要完成指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收處理及采用圖形、數(shù)字、不同顏色的表達(dá)方式實(shí)現(xiàn)顯示功能模塊的顯示。單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言編程，其軟件流程如圖5所示。

油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置啟動(dòng)后，單片機(jī)系統(tǒng)初始化，完成對(duì)定時(shí)器、nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊、TFT液晶顯示等初始化。利用T0定時(shí)器（設(shè)定定時(shí)時(shí)間10 ms）進(jìn)行薄膜按鍵狀態(tài)的實(shí)時(shí)掃描以及傳感裝置發(fā)送數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)“上翻”或者“下翻”按鍵按下時(shí)，界面索引值（Page_X）發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)不同顯示功能模塊界面切換。當(dāng)“清零”按鍵按下時(shí)，排種頻率、排種總量、漏播指數(shù)、合格指數(shù)、總播量等數(shù)據(jù)清零，并將清零指令發(fā)送給多路傳感裝置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體清零。常態(tài)工作過(guò)程中，主程序不斷將數(shù)據(jù)傳輸指令輪流發(fā)送給多路傳感裝置，并通過(guò)定時(shí)中斷T0接收對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)包。

圖5 油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置軟件流程圖

4 油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)所用材料為中雙11號(hào)油菜籽（試驗(yàn)前人工篩選種子，將破損的種子及雜物篩選出來(lái)），千粒質(zhì)量4.66 g，含水率9.0%。

試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備為油菜種子流傳感裝置，油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置，氣力式油菜精量排種器，精量排種器試驗(yàn)臺(tái)架，風(fēng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)，變頻器，測(cè)速儀，秒表，接種袋等。整體試驗(yàn)裝置如圖6所示。

1. 氣力式油菜精量排種器 2. 油菜種子流傳感裝置 3. 油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置 4. 精量排種器試驗(yàn)臺(tái)架 5. 接種袋 6. 變頻器 7. 風(fēng)機(jī) 8. 電動(dòng)機(jī)

4.1.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

試驗(yàn)選用40型孔的排種盤設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行排種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)中將6路設(shè)定不同通道地址和不同通道號(hào)的油菜種子流傳感裝置分別安裝于6路油菜精量排種器下方，并用接種袋收集通過(guò)傳感裝置的油菜種子。調(diào)節(jié)排種器正氣壓500 Pa，負(fù)氣壓?900 Pa[33]，改變排種盤轉(zhuǎn)速，分別設(shè)定為15、20、25 r/min 3個(gè)速度檔位，每次試驗(yàn)當(dāng)油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置顯示監(jiān)測(cè)粒數(shù)大約為1 000粒時(shí)，停止排種，記錄排種時(shí)間及監(jiān)測(cè)顯示終端裝置顯示排種粒數(shù)，采用人工數(shù)粒獲得接種袋中油菜種子的實(shí)際粒數(shù)。多路氣力式油菜精量排種器排種監(jiān)測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 排種器不同轉(zhuǎn)速下排種監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表2可知：隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增加，排種頻率逐漸增大，排種總量和排種頻率的監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值基本保持同步增大，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率在98%左右。監(jiān)測(cè)值比實(shí)際值整體偏大，其主要原因是：油菜種子從導(dǎo)管出口截面流出位置的不確定性導(dǎo)致種子與壓電薄膜的碰撞點(diǎn)具有隨機(jī)性，以直管軸線在壓電薄膜上的投影點(diǎn)為中心，將碰撞區(qū)分為上、下碰撞區(qū)。利用高速攝影觀察種子與壓電薄膜碰撞過(guò)程，發(fā)現(xiàn)落至上碰撞區(qū)的部分種子碰撞后飛離過(guò)程中與下碰撞區(qū)下落的種子發(fā)生斜碰（碰撞之前2個(gè)種子的運(yùn)動(dòng)速度與2個(gè)種子質(zhì)心的連線不在同一條直線上），致使種子速度被改變，2粒種子都落向壓電薄膜，均與壓電薄膜發(fā)生，導(dǎo)致前粒種子被重復(fù)計(jì)數(shù)。排種頻率在9.96～16.69 Hz范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，其主要誤差是由傳感裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率決定的。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)死機(jī)白屏現(xiàn)象，也沒(méi)有發(fā)生無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸故障，充滿電后，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可持續(xù)工作6 h。

4.2 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在田間工作的穩(wěn)定性、可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，2017年10月在孝南區(qū)西河鎮(zhèn)油菜機(jī)械化生產(chǎn)試驗(yàn)示范基地內(nèi)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備為：雷沃M704-BA輪式拖拉機(jī)（動(dòng)力輸出功率≥46.4 kW，牽引力≥21 kN，四輪驅(qū)動(dòng)），黃鶴牌2BYQ-6/8型精量聯(lián)合播種機(jī)，油菜種子流傳感裝置，油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置等。

在播種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)之前首先對(duì)油菜種子流傳感裝置的抗振性進(jìn)行測(cè)試。將油菜種子流傳感裝置通過(guò)導(dǎo)種軟管豎直安裝于精量排種器下方輸種管道上（種箱內(nèi)不放種子，即沒(méi)有種子流經(jīng)傳感裝置），分別在路面上（直播機(jī)不工作）和田間播種狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，拖拉機(jī)行走距離為39 m，試驗(yàn)人員手持播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置坐在副駕駛位置，觀察并記錄顯示的排種結(jié)果，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)顯示終端顯示排種頻率、排種總量數(shù)據(jù)始終為0，漏播指數(shù)、合格指數(shù)無(wú)數(shù)據(jù)。通過(guò)試驗(yàn)可知，優(yōu)化改進(jìn)后的傳感裝置能夠有效抵抗田間機(jī)械振動(dòng)的影響。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)油菜精量直播機(jī)田間播種監(jiān)測(cè)的效果，將種箱內(nèi)放入適量油菜種子，并用接種袋收集從輸種管出口排出的油菜種子，試驗(yàn)人員手持油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置坐在副駕駛位置，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

1. 油菜種子流傳感裝置 2. 雷沃M704-BA拖拉機(jī) 3. 油菜精量直播機(jī)4. 油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置

試驗(yàn)過(guò)程先將油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上電，將數(shù)據(jù)清零，然后啟動(dòng)直播機(jī)前進(jìn)，速度設(shè)定3個(gè)水平，慢I檔、慢II檔、慢III檔，播種距離39 m，記錄播種時(shí)間、監(jiān)測(cè)播種量，取下接種袋進(jìn)行人工數(shù)粒，統(tǒng)計(jì)實(shí)際播種量。油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)田間播種監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 田間播種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出：監(jiān)測(cè)播種量比實(shí)際播種量整體偏大，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率保持在96%以上。分析其主要原因是：田間試驗(yàn)所用油菜種子沒(méi)有經(jīng)過(guò)人工精選，夾雜部分破碎種子及雜物，加上種箱內(nèi)殘留泥土顆粒物，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)播種量整體偏大。

油菜種子流傳感裝置和油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置處于密封狀態(tài)，田間的振動(dòng)和粉塵等并不會(huì)對(duì)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造成影響。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在田間障礙物較少、相對(duì)空曠的場(chǎng)地上，油菜種子流傳感裝置與油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置的傳輸距離達(dá)60 m。

試驗(yàn)過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)播量、各路的排種頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)與測(cè)試，排種過(guò)程的合格指數(shù)等采用平均時(shí)間間隔作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于播種機(jī)穩(wěn)定勻速工作時(shí)，能夠比較準(zhǔn)確地獲得排種性能指標(biāo)以供參考[31-32]。但是對(duì)于變速工作時(shí)，這種方式獲得的性能指標(biāo)誤差較大，需要對(duì)排種軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以獲得精度更高的性能指標(biāo)。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決了油菜播種作業(yè)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、播種量計(jì)量的問(wèn)題，并對(duì)油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)了傳感裝置，降低功耗，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力以及運(yùn)行穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)了油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端裝置，集成單片機(jī)系統(tǒng)、TFT液晶顯示屏、nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊、薄膜按鍵、裝置外殼等封裝于一體，主要完成人機(jī)交互、無(wú)線收發(fā)、按鍵操作、充電、程序燒寫等功能，結(jié)構(gòu)緊湊。

2）設(shè)計(jì)了應(yīng)答模式的輪詢數(shù)據(jù)通信協(xié)議，油菜種子流傳感裝置根據(jù)油菜播種監(jiān)測(cè)顯示終端的指令要求產(chǎn)生響應(yīng)，避免了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的沖突與阻塞；通過(guò)傳輸數(shù)據(jù)包的設(shè)計(jì)，減小了丟包的影響，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、容錯(cuò)性、準(zhǔn)確性。

3）油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)及田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)96%以上，在田間較空曠場(chǎng)地傳輸距離在60 m左右，滿足油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)的需求，成本低、便捷性高、實(shí)用性強(qiáng)。

該油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為油菜精量直播機(jī)播種狀態(tài)圖的生成提供參考。

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Sensing device improvement and communication design on sowing monitoring system of precision planter for rapeseed

Ding Youchun, Zhang Lili, Yang Junqiang, Zhu Kai

(1.430070,; 2.430070,)

Sowing is a very important link in the process of agricultural production, and it is essential to make it timely, appropriate and meet agronomic environmental conditions according to the requirements of agricultural technology, so that crops can get a good foundation for growth. Precision planter for rapeseed can complete the ditching, stubble cleaning, rotary tillage, precision sowing, fertilization, soil covering and other operations, and it is widely used because of its high operating speed and high working efficiency. When the rapeseeds are sown, the flow process of rapeseeds is in a closed room, the color of rapeseed is similar with the color of soil, and the precision sowing index of rapeseed is mainly indirectly obtained through the change of the seed quantity in the seed box or through the speed of the seed metering device and the number of the type holes of the disks. Therefore, a set of sowing monitoring system for precision planter for rapeseed is designed to achieve sowing performance and sowing statistics in the process of rapeseed sowing. It is one of the trends to achieve transparency, informatization and intelligentization in sowing link. In recent years, many sowing monitoring systems for precision combined direct planter studied by experts at home and abroad were mainly used for the seed of large and medium size, such as corn and soybean. In this paper, the sowing monitoring system for precision combined direct planter is designed for rapeseed. The monitoring system is composed of multirow rapeseed flows sensing device and monitoring display terminal. Six rapeseed flow sensing devices are installed at the appropriate positions that are under 6 precision seeders on precision planter for rapeseed respectively to detect rapeseed flows. The weak voltage signals produced by rapeseed impacting on the piezoelectric film are processed by signal conditioning circuit, and then the seed pulse sequence corresponding to the seed flow is formed. Time capture interrupt program and timing counting program of MSP430F149 singlechip system in seed flow sensing device for rapeseed are used to record the metering time interval sequence of rapeseed flow, the metering frequency and the amount of metering, and the average time interval of seeding was calculated and used as the standard time interval of seeding. Through the national standard GB/T 6973-2005 (()), we got the leakage index and the qualified index of sowing. Then the data were sent to the sowing monitoring display terminal device wirelessly in “many to one” way, and the monitoring and display terminal single chip microcomputer system analyzed and processed the data and then displayed them through liquid crystal display screen in real time, including the multirow sowing monitoring and performance detection information and the sowing frequency curve for each row, so as to realize the real-time monitoring and the calculation of sowing quantity for precision planter for rapeseed. A polling data transfer protocol of response mode was designed to achieve reliability, fault tolerance and accuracy in data transmission, and the sowing monitoring system was tested. The results of bench test and field test of sowing monitoring system showed that the seeding monitoring system is stable and reliable, the monitoring accuracy of sowing quality is above 96%, and the data transmission is accurate, the transmission distance is about 60 m, which can meet the need of sowing monitoring, and provide effective technical support for the formation of sowing state diagram of rapeseed.

agricultural machinery; monitoring; design; precision planter for rapeseed; rapeseed flow; sowing quantity monitoring; seeding frequency; performance detection

丁幼春，張莉莉，楊軍強(qiáng)，朱 凱.油菜精量直播機(jī)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感裝置改進(jìn)及通信設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(14)：19－26. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.003 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Zhang Lili, Yang Junqiang, Zhu Kai. Sensing device improvement and communication design on sowing monitoring system of precision planter for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 19－26. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.003 http://www.tcsae.org

2018-01-21

2018-05-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目（2016ABA094）

丁幼春，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機(jī)械化生產(chǎn)智能化技術(shù)與裝備研究。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.003

S223.2+5；TP277

A

1002-6819(2018)-14-0019-08