王金武 張 曌 王 菲 姜業(yè)明 周文琪

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提升，水稻穴直播種植方式逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。該種植方式可使植株結(jié)構(gòu)更加合理，與水稻插秧相比具有節(jié)本增效的優(yōu)點，是一種省工、省力、省時的高效水稻種植方式[1-3]。水稻穴直播機(jī)將經(jīng)催芽與包衣的稻種以多粒穴播方式播入田中，排種器作為水稻穴直播機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了機(jī)具的播種質(zhì)量。目前水稻穴直播機(jī)播種過程普遍處于封閉狀態(tài)，僅憑人的感觀無法直接監(jiān)測機(jī)具作業(yè)質(zhì)量[4-6]。若機(jī)具出現(xiàn)重播或漏播現(xiàn)象，則會造成植株通風(fēng)性差、成苗率低，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益[7-10]。因此，在滿足水稻穴直播作業(yè)條件下，實現(xiàn)精準(zhǔn)實時監(jiān)測具有重要意義。

目前國外對旱田播種監(jiān)測技術(shù)的研究較多。法國庫恩NODET氣吸式播種機(jī)上的響鈴式排種故障報警器[11]，在發(fā)生故障時以敲擊鈴罩的方式不斷發(fā)出聲響，進(jìn)行報警；澳大利亞AEE公司為氣力播種機(jī)設(shè)計了一種報警器[12]，其利用紅外線傳感器監(jiān)控輸種管中種子的排量，當(dāng)輸種管停止輸種時，報警器立即進(jìn)行聲光報警。雖然國外播種機(jī)監(jiān)測技術(shù)智能化程度及可靠性較高[13-17]，但監(jiān)測對象局限于旱田播種機(jī)，而對于水稻穴直播監(jiān)測技術(shù)研究較少。

隨著機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的迅速發(fā)展[18-20]，近年來，國內(nèi)部分學(xué)者對水稻穴直播監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了探索。崔紅光等[21]采用光電法設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的水稻穴直播機(jī)漏播監(jiān)測裝置，該裝置雖可在機(jī)具出現(xiàn)漏播時發(fā)出報警信號，但傳感器位于導(dǎo)種管下種口處，易受水田泥漿影響，造成下種口堵塞，影響直播作業(yè)，且該監(jiān)測裝置僅對穴距漏播進(jìn)行監(jiān)測，并未對穴粒數(shù)漏播或重播現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測。文獻(xiàn)[22]依托型孔輪式排種器設(shè)計了水稻穴直播機(jī)光電漏播檢測裝置，該裝置采用灌注方式固定在排種管上，有效保證了光電傳感器的光路傳播并防水防塵，但裝置在工作時會出現(xiàn)檢測盲區(qū)，減少了有效檢測區(qū)域面積，影響檢測準(zhǔn)確率。

針對上述問題，本文依托課題組所設(shè)計的彈射式耳勺型水稻穴直播排種器，在保證成穴播種的前提下，基于壓電沖擊法設(shè)計適應(yīng)水田環(huán)境的水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行臺架測試與田間性能試驗，以期改善水稻穴直播作業(yè)質(zhì)量。

1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 研究載體

彈射式耳勺型水稻穴直播排種器作為監(jiān)測系統(tǒng)的研究載體，其具體工作原理見文獻(xiàn)[23]，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由容種箱、取種耳勺、擋桿、扭轉(zhuǎn)彈簧、柱銷、旋轉(zhuǎn)底座、導(dǎo)種管、柔性護(hù)種輥、輥座、輥架和清種毛刷等部件構(gòu)成，其工作過程可分為舀種、清種、護(hù)種和投種4個階段，本研究基于排種器投種階段，完成導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定PVDF壓電薄膜傳感器安裝部位，為監(jiān)測系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化提供前期基礎(chǔ)。

圖1 彈射式耳勺型水稻穴直播排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of rebound dipper rice hill-direct-seeding metering device1.容種箱 2.取種耳勺 3.擋桿 4.扭轉(zhuǎn)彈簧 5.柱銷 6.旋轉(zhuǎn)底座 7.導(dǎo)種管 8.柔性護(hù)種輥 9.輥座 10.輥架 11.清種毛刷 Ⅰ.舀種弧段 Ⅱ.清種弧段 Ⅲ.護(hù)種弧段 Ⅳ.投種弧段

1.2 結(jié)構(gòu)與工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括Arduino Uno開發(fā)板(內(nèi)含ATmega328P MCU控制器)、導(dǎo)種管(內(nèi)壁附著PVDF壓電薄膜傳感器)、電荷放大整形器、12 V直流電源、可調(diào)直流降壓穩(wěn)壓器、I/O傳感器擴(kuò)展板、紅藍(lán)LED報警燈、電磁式有源蜂鳴報警器、HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊和藍(lán)牙無線串口傳輸APP，監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural diagram of monitoring system

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of monitoring system

監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖3所示。由排種器工作原理可知，被彈射出取種耳勺的稻種具有一定的初速度，在重力的作用下沖擊貼附于導(dǎo)種管內(nèi)壁的PVDF壓電薄膜傳感器，PVDF壓電薄膜由于受到?jīng)_擊力而發(fā)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其上、下表面出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，從而生成電壓信號。信號經(jīng)放大整形電路進(jìn)行放大與整形處理，形成脈沖波，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器送入ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)，形成模擬量輸出。當(dāng)排種器發(fā)生漏播或重播故障時，PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的模擬電壓信號大小或時間間隔超出理論閾值范圍，從而驅(qū)動報警電路工作進(jìn)行聲光報警，稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器后，沿著導(dǎo)種管內(nèi)壁下滑，成穴落至水田田面，完成直播作業(yè)。

1.3 導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證被彈射入導(dǎo)種管內(nèi)的稻種順利地沖擊到傳感器，使ATmega328P MCU控制器采集到模擬電壓信號，須對排種器投種過程進(jìn)行理論分析，尋求稻種被彈射出取種耳勺后的運(yùn)動軌跡，確定導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高稻種對PVDF壓電薄膜傳感器的有效沖擊概率并保證稻種成穴播至田面。

由運(yùn)動學(xué)分析可知，投種過程稻種下落模型可簡化為平面斜下拋運(yùn)動[24]。以取種耳勺內(nèi)水稻種群為研究對象，將種群視為統(tǒng)一質(zhì)點M，其質(zhì)心作為坐標(biāo)原點，分別以種群水平運(yùn)動方向和豎直運(yùn)動相反方向為正方向，建立XOY坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 投種過程稻種受力分析Fig.4 Stress analysis of rice seed in process of seed throwing

取種耳勺脫離柔性護(hù)種輥壓制作用，排種器進(jìn)入投種階段，在旋轉(zhuǎn)底座帶動下取種耳勺繞柱銷快速旋轉(zhuǎn)并與擋桿碰撞，稻種被拋離出取種耳勺，則

(1)

式中ω1——柱銷相對底座轉(zhuǎn)動角速度，rad/s

ω2——種群M相對柱銷轉(zhuǎn)動角速度，rad/s

l1——柱銷相對底座等效回轉(zhuǎn)半徑，mm

l2——種群M相對柱銷等效回轉(zhuǎn)半徑，mm

vO′——柱銷相對底座轉(zhuǎn)動線速度，mm/s

vO″——種群M相對柱銷轉(zhuǎn)動線速度，mm/s

種群M被拋離出取種耳勺時的瞬時速度為柱銷相對旋轉(zhuǎn)底座中心轉(zhuǎn)動的線速度與稻種相對柱銷中心轉(zhuǎn)動的線速度的合速度，為簡化分析，忽略空氣阻力影響以及種群M與取種耳勺舀種部內(nèi)壁的摩擦，由余弦定理可得

(2)

式中vp——種群M被拋離出取種耳勺瞬時速度，mm/s

α——取種耳勺與擋桿接觸時，取種耳勺與旋轉(zhuǎn)底座安裝臂夾角，(°)

將式(1)代入式(2)，得

(3)

由于種群M被拋離出取種耳勺后做平面斜下拋運(yùn)動，分析可得

x=vptcosθ

(4)

(5)

式中x——種群M在水平方向位移，mm

y——種群M在豎直方向位移，mm

θ——種群M被拋離出取種耳勺瞬時速度與水平方向夾角，(°)

t——種群M下落時間，s

g——重力加速度，9.8 m/s2

將式(3)代入式(4)，解得種群M下落時間為

(6)

將式(6)代入式(5)，整理得種群M的軌跡方程為

(7)

其中，由文獻(xiàn)[25]可知，l1=40 mm，l2=60 mm，α=36°。利用Matlab軟件編寫繪圖程序，改變參數(shù)ω1、ω2與θ的值，繪制不同工作轉(zhuǎn)速下水稻種群的投種軌跡，如圖5所示。

圖5 水稻種群投種軌跡示意圖Fig.5 Diagram of seed throwing trajectory of rice seeds

為滿足所設(shè)計導(dǎo)種管具有輔助監(jiān)測和導(dǎo)種成穴功能，結(jié)合水稻種群投種軌跡曲線形式，設(shè)計導(dǎo)種管由信號采集弧段和垂直導(dǎo)種段兩部分組成。為保證水稻種群與傳感器充分接觸并沿導(dǎo)種管內(nèi)壁成穴落至田面，需對導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)尺寸及傳感器安裝部位進(jìn)行確定。

由圖5可知，若將信息采集弧段設(shè)置在種群水平方向投種位移較小處，種群較為集中，有利于種群與傳感器充分接觸，但此時種群距離田面較高，致使種群接觸傳感器后下落時間增長，種群籽粒易分散，導(dǎo)致成穴性差；若將信息采集弧段設(shè)置在種群水平方向投種位移較大處，可減少種群接觸傳感器后的下落時間，但此時種群的速度較大，其在導(dǎo)種管內(nèi)易反彈，造成傷種。綜合以上分析，確定導(dǎo)種管的水平長度為132 mm，豎直高度為260 mm，弧段寬度為55 mm，下種口內(nèi)徑為20 mm，如圖6a所示。

圖6 PVDF壓電薄膜傳感器安裝示意圖Fig.6 Diagram of PVDF piezoelectric film sensor installation

由于PVDF壓電薄膜具有柔軟堅韌與耐沖擊的特點，且不易受水影響，故采用兩片長、寬和厚分別為75、25 mm和52 μm的PVDF壓電薄膜并列貼附于導(dǎo)種管信號采集弧段的內(nèi)壁作為傳感器，位置如圖6b所示。

2 監(jiān)測指標(biāo)控制算法確定

由于水稻穴直播機(jī)是以多粒穴播的方式進(jìn)行播種作業(yè)，故其可能會發(fā)生兩種情況下的漏播或重播現(xiàn)象，即穴粒數(shù)重播、穴粒數(shù)漏播、穴距重播和穴距漏播。

2.1 穴粒數(shù)重播和穴粒數(shù)漏播監(jiān)測算法

監(jiān)測系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜作為信號采集傳感器，其晶體內(nèi)部的壓電效應(yīng)可將稻種沖擊傳感器的力學(xué)量轉(zhuǎn)化成電信號輸出。由于壓電薄膜符合機(jī)械自由、電學(xué)短路的邊界條件，故其滿足第一類壓電方程

D=d0σ+εTE0

(8)

式中D——電位移，C/m2

d0——壓電常數(shù)矩陣

σ——應(yīng)力，Pa

ε——介電常數(shù)矩陣

E0——電場強(qiáng)度，N/C

當(dāng)PVDF壓電薄膜作為傳感器時，其外界電場E0為0，此時對應(yīng)的第一類壓電方程為

D=dijσ

(9)

式中下標(biāo)i表示產(chǎn)生極化電荷方向，即垂直于X、Y、Z軸的面法線方向，i=1、2、3；下標(biāo)j表示作用力方向，即沿X、Y、Z軸正應(yīng)力方向，j=1、2、3；垂直于X、Y、Z軸平面內(nèi)切應(yīng)力方向，j=4、5、6。

圖7 PVDF壓電薄膜極化示意圖Fig.7 Diagram of PVDF piezoelectric film polarization

對于PVDF壓電薄膜，極化方向為厚度方向，故切應(yīng)力對應(yīng)的壓變系數(shù)為0。同時薄膜很薄，無法從側(cè)面引出電極，通常引出的是Z軸方向上的電荷，如圖7所示。此時壓電方程可簡化為

Dz=d31σxx+d32σyy+d33σzz

(10)

式中Dz——垂直于Z軸表面的電位移，C/m2

d31、d32——極化方向與外力方向垂直的壓電常數(shù)，C/N

d33——極化方向與外力方向平行的壓電常數(shù)，C/N

σxx——沿X軸方向應(yīng)力，Pa

σyy——沿Y軸方向應(yīng)力，Pa

σzz——沿Z軸方向應(yīng)力，Pa

由于薄膜受力主要在厚度方向，故式(10)可進(jìn)一步簡化為

Dz=d33σzz

(11)

根據(jù)胡克定律可知，在材料的線彈性范圍內(nèi)有

σ=Eε

(12)

式中E——PVDF壓電薄膜彈性模量，Pa

ε——應(yīng)變

此時PVDF壓電傳感器的輸出電荷可表示為

Q=DzS=d33σzzS=d33EεS

(13)

式中Q——PVDF壓電薄膜輸出電荷，C

S——PVDF壓電薄膜表面積，m2

由于PVDF壓電薄膜具有平板電容器結(jié)構(gòu)[26]，可得

(14)

式中U——PVDF壓電薄膜輸出電壓，V

C——PVDF壓電薄膜電容，F(xiàn)

由式(14)可知，當(dāng)PVDF壓電薄膜表面積一定時，輸出電壓與應(yīng)變成正比。但在實際工作過程中，由于壓電薄膜自身存在遲滯、蠕變等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關(guān)系。由于稻種與傳感器接觸為瞬時沖擊，故可將產(chǎn)生的沖擊力視為靜態(tài)力[27]。為保證監(jiān)測系統(tǒng)的精準(zhǔn)性與可靠性，應(yīng)探究所選用PVDF壓電薄膜傳感器的靜態(tài)響應(yīng)特性，對其輸出電壓與應(yīng)變的線性關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。通過在PVDF壓電薄膜表面添加不同質(zhì)量的砝碼，使之產(chǎn)生不同應(yīng)變，測出其在不同應(yīng)變下的輸出電壓。采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集最高輸出電壓和相應(yīng)應(yīng)變[28]，利用Excel軟件得到PVDF壓電薄膜靜態(tài)標(biāo)定曲線，如圖8所示。

圖8 PVDF壓電薄膜靜態(tài)標(biāo)定曲線Fig.8 Static calibration curve of PVDF piezoelectric film

由圖8可知，在靜態(tài)力作用下，PVDF壓電薄膜輸出電壓與應(yīng)變之間線性相關(guān)程度較高，且呈線性增長趨勢，表明所選用的PVDF壓電薄膜傳感器滿足監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要求。

為保證PVDF壓電薄膜傳感器采集信號的有效性及監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，探究排種器高速作業(yè)條件下PVDF壓電薄膜傳感器與第M穴稻種沖擊后的穩(wěn)態(tài)恢復(fù)情況。取排種器最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大工作轉(zhuǎn)速n=35 r/min[29]，并使排種器轉(zhuǎn)動一圈(對應(yīng)6穴稻種)，通過LabVIEW虛擬儀器輸出6穴稻種沖擊傳感器產(chǎn)生的模擬電壓隨時間變化的脈沖波形圖，如圖9所示。由圖9可知，相鄰兩脈沖之間無明顯干擾信號，表明PVDF壓電薄膜傳感器與第M穴稻種沖擊后可迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，可對第M+1穴稻種沖擊信號進(jìn)行有效采集，且所選用PVDF壓電薄膜傳感器頻率響應(yīng)寬，在10-5～109Hz范圍內(nèi)響應(yīng)平坦[30]，可以采集連續(xù)的沖擊信號。

圖9 6穴稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器輸出波形圖Fig.9 Output waveform of PVDF piezoelectric film sensor impacted by six hole rice seeds

由排種器工作原理可知，稻種對PVDF壓電薄膜傳感器的沖擊力與排種器工作轉(zhuǎn)速、沖擊傳感器的稻種粒數(shù)有關(guān)。為探究實際工況下稻種粒數(shù)對傳感器模擬電壓的影響，對相同工作轉(zhuǎn)速(10 r/min)下不同稻種粒數(shù)(1～10粒)沖擊PVDF壓電薄膜傳感器時產(chǎn)生的模擬電壓進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如圖10所示。

圖10 相同轉(zhuǎn)速下不同稻種粒數(shù)標(biāo)定曲線Fig.10 Calibration curve of different rice seed amounts at the same speed

由圖10可知，當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速一定時，稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的模擬電壓與稻種粒數(shù)的數(shù)學(xué)模型呈單調(diào)遞增變化規(guī)律。根據(jù)水稻穴直播農(nóng)藝要求及機(jī)具實際作業(yè)情況，合格穴粒數(shù)為5～8粒之間的動態(tài)值[31]，故對不同轉(zhuǎn)速下5～8粒稻種沖擊PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的模擬電壓進(jìn)行極限閾值(Vmin和Vmax)選定，如圖11所示。

圖11 模擬電壓閾值選定Fig.11 Selection of analog voltage threshold

故可確定針對機(jī)具發(fā)生穴粒數(shù)重播和穴粒數(shù)漏播時的監(jiān)測算法為：ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)讀取每穴稻種沖擊傳感器產(chǎn)生的模擬電壓信號Vi，并與各工況下預(yù)置的兩個極限閾值進(jìn)行比較判斷。若Vi>Vmax，則判定為穴粒數(shù)重播；若Vi

2.2 穴距重播和穴距漏播監(jiān)測算法

根據(jù)NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》中穴播機(jī)性能評價指標(biāo)及實際播種作業(yè)對穴距和前進(jìn)速度的要求，得

(15)

v——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》可知，當(dāng)實際株距小于或等于0.5倍理論株距時為重播；實際株距大于1.5倍理論株距時為漏播，介于二者之間為合格，即

(16)

(17)

(18)

d——實際株距，m

將式(15)～(18)合并整理可得

(19)

(20)

(21)

為簡化分析，將每穴稻種視為一個整體，忽略稻種沖擊傳感器后的下落時間，則機(jī)具在不同工況下作業(yè)的穴距為

di=Δtiv

(22)

式中di——實際穴距，m

Δti——不同工況下相鄰兩穴稻種實際下落時間間隔，s

將式(22)代入式(19)～(21)中整理得

(23)

(24)

(25)

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)硬件以嵌入在Arduino Uno開發(fā)板上的ATmega328P MCU控制器為微處理器，外圍電路主要由穩(wěn)壓電源電路、信號采集電路、聲光報警電路和藍(lán)牙無線串口傳輸電路構(gòu)成。系統(tǒng)總電路圖如圖12所示。

3.1.1穩(wěn)壓電源電路設(shè)計

采用12 V直流鋰電池作為系統(tǒng)供電電源，由于各模塊所需的工作電壓不同，故降壓芯片選用降壓型開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596S，先將12 V輸入電壓降至5 V，再通過低壓差電壓調(diào)節(jié)芯片LM1117-5獲得3.3 V的輸出電壓，以滿足各模塊對供電電壓的要求，電路圖如圖13所示。

3.1.2信號采集電路設(shè)計

如圖14所示，水稻種群沖擊PVDF壓電薄膜傳感器所產(chǎn)生的模擬電壓信號通過電解電容與電阻組成的穩(wěn)壓旁路，形成穩(wěn)定的脈沖信號；放大整形電路采用雙運(yùn)算放大器LM358，脈沖信號經(jīng)放大整形后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)入ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)。放大整形電路設(shè)有變阻器，工作時可通過調(diào)節(jié)電阻值來抑制外部干擾信號，進(jìn)而提高監(jiān)測精度。

圖12 監(jiān)測系統(tǒng)總電路圖Fig.12 Schematic of monitoring system total circuit

圖13 穩(wěn)壓電源電路圖Fig.13 Schematic of stabilized voltage supply circuit

圖14 信號采集電路圖Fig.14 Schematic of signal acquisition circuit

3.1.3聲光報警電路設(shè)計

機(jī)具在播種作業(yè)期間，若系統(tǒng)檢測到故障時，ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)通過輸出帶有間隔的高低電平驅(qū)動紅、藍(lán)LED發(fā)光模塊閃爍；同時，通過脈沖寬度調(diào)制方式持續(xù)輸出占空比不同的PWM波，控制蜂鳴器工作，實現(xiàn)聲光報警功能，如圖15所示。

圖15 聲光報警電路圖Fig.15 Schematic of acousto-optic alarm circuit

3.1.4藍(lán)牙無線串口傳輸電路設(shè)計

采用HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊(內(nèi)嵌CSR BC417143藍(lán)牙芯片，波特率范圍為4 800～1 382 400 b/s，有效傳輸距離10 m，傳輸速率3 Mb/s)實現(xiàn)信號的無線傳輸功能，內(nèi)置LDO集成低壓差線性穩(wěn)壓器，外接旁路電解電容和使能電路如圖16所示，可起到降壓穩(wěn)壓、負(fù)載短路保護(hù)與反接保護(hù)的作用。本系統(tǒng)通過AT指令將模塊設(shè)置在自動連接工作模式下的從機(jī)模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖16 HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊電路圖Fig.16 Schematic of HC-05 embedded serial communication module circuit

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括Arduino Uno開發(fā)板程序編寫軟件與藍(lán)牙無線串口傳輸APP，通過編寫監(jiān)測控制程序及安卓應(yīng)用程序代碼，完成信號采集與數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)直播作業(yè)過程的實時無線監(jiān)測。

3.2.1Arduino Uno開發(fā)板軟件程序設(shè)計

在基于Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境下的Arduino IDE軟件上編寫Arduino程序代碼控制系統(tǒng)多路模塊電路，編譯并上傳至微控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)工作模塊、相關(guān)寄存器和I/O口初始化設(shè)置以及傳感器數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，具有良好的可移植性和靈活的擴(kuò)展性。系統(tǒng)程序流程如圖17所示。

圖17 監(jiān)測系統(tǒng)程序流程圖Fig.17 Flow chart of monitoring system program

3.2.2藍(lán)牙無線串口傳輸APP設(shè)計

為實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸，代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算機(jī)端通信軟件作為監(jiān)測系統(tǒng)的顯示終端，需建立HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊與安卓手機(jī)間完整的通信路徑。易安卓開發(fā)平臺(E4A)是基于谷歌Simple語言的可視化開發(fā)環(huán)境下的編程工具，通過Basic語法編寫安卓應(yīng)用程序，代碼采用純中文編寫[32]。利用易安卓開發(fā)平臺自主設(shè)計開發(fā)適用于安卓系統(tǒng)的手機(jī)藍(lán)牙無線串口傳輸APP，可實現(xiàn)實時接收并顯示由HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊所發(fā)射的ATmega328P MCU控制器系統(tǒng)串口數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行相關(guān)操作。APP界面及程序代碼如圖18所示。

圖18 藍(lán)牙無線串口傳輸APP界面與程序代碼Fig.18 Bluetooth wireless serial port transmission APP interface and program code

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 靈敏度臺架測試

為探究不同排種器工作轉(zhuǎn)速下監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度的變化規(guī)律，開展監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度臺架測試，測試地點為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實驗室；測試品種為龍慶稻3號，稻種需催芽至破胸露白，后經(jīng)晾曬至含水率為26.34%～29.62%；測試裝置為彈射式耳勺型水稻穴直播排種器、監(jiān)測系統(tǒng)、JPS-12型排種器性能檢測試驗臺和計算機(jī)等，如圖19所示。

圖19 監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度臺架測試裝置Fig.19 Sensitivity bench test of monitoring system1.彈射式耳勺型水稻穴直播排種器 2.監(jiān)測系統(tǒng) 3.計算機(jī) 4.驅(qū)動電動機(jī) 5.安裝臺架

由前期預(yù)試驗可知，當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速高于35 r/min時，排種合格率逐漸降低，無法滿足監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度測試的要求，故取排種器工作轉(zhuǎn)速范圍為10～35 r/min(對應(yīng)機(jī)具前進(jìn)速度為0.54～1.89 km/h)，通過JPS-12型排種器性能檢測試驗臺的計算機(jī)控制面板設(shè)置不同的排種器工作轉(zhuǎn)速，各工況下選取120穴作為被測對象，記錄監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)次數(shù)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，所選取的120穴稻種的平均穴粒數(shù)在5～8粒動態(tài)區(qū)間內(nèi)，符合水稻穴直播農(nóng)藝要求，在此條件下，各工況下系統(tǒng)靈敏度均不小于90.83%，表明穴粒數(shù)對系統(tǒng)靈敏度影響較小。通過臺架預(yù)試驗可知，在適宜寒地水稻直播作業(yè)的合理含水率范圍內(nèi)(25%～30%)，稻種含水率對系統(tǒng)靈敏度無任何影響。綜合分析可知，該系統(tǒng)可對沖擊到PVDF壓電薄膜傳感器的稻種進(jìn)行信號采集，可靠性較高。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度測試結(jié)果Tab.1 Sensitivity test results of monitoring system

4.2 田間試驗

為探究所設(shè)計的水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能，于2018年5月7—10日在黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)試驗田進(jìn)行田間試驗，如圖20所示。

圖20 整機(jī)配置與田間試驗Fig.20 Whole machine configuration and field experiment

由于Ⅰ擋速度較低，不符合實際田間作業(yè)要求，故田間試驗時，設(shè)定前進(jìn)速度分別為0.50、0.90、1.28、1.67 km/h。首先，對不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行試驗，試驗方法與臺架測試方法相同，在不同工況下分別選取120穴進(jìn)行統(tǒng)計，得到當(dāng)工作轉(zhuǎn)速分別為10、18、26、34 r/min時，系統(tǒng)靈敏度分別為99.17%、95.83%、91.67%和90%，與臺架測試結(jié)果基本一致；在保證機(jī)具田間實際作業(yè)時監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度的前提下，進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)工作性能試驗。在各工況下選取300穴作為被測目標(biāo)，統(tǒng)計經(jīng)藍(lán)牙串口模塊傳輸至手機(jī)APP上的模擬電壓、相鄰兩穴稻種下落時間間隔與故障判斷記錄等數(shù)據(jù)信息，得到并記錄監(jiān)測系統(tǒng)判斷的重播穴數(shù)和漏播穴數(shù)，并與人工統(tǒng)計的實際重播穴數(shù)和漏播穴數(shù)進(jìn)行對比，基于以上數(shù)據(jù)，計算得到不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)工作性能指標(biāo)結(jié)果，如表2所示。其中部分指標(biāo)的計算方式如下：漏播監(jiān)測精度為漏播報警穴數(shù)與漏播穴數(shù)的百分比；重播監(jiān)測精度為重播報警穴數(shù)與重播穴數(shù)的百分比；有效監(jiān)測精度為合格穴數(shù)、漏播報警穴數(shù)與重播報警穴數(shù)之和與應(yīng)播穴數(shù)的百分比；絕對誤差為應(yīng)播穴數(shù)、合格穴數(shù)的差值與漏播報警穴數(shù)、重播報警穴數(shù)之和的差值；相對誤差為絕對誤差與合格穴數(shù)、漏播報警穴數(shù)與重播報警穴數(shù)的百分比。

表2 監(jiān)測系統(tǒng)田間性能試驗結(jié)果Tab.2 Field performance experiment results of monitoring system

為直觀地分析各工況下監(jiān)測系統(tǒng)工作性能的變化規(guī)律，運(yùn)用Excel軟件對不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)的漏播監(jiān)測精度、重播監(jiān)測精度和有效監(jiān)測精度的平均值進(jìn)行擬合，曲線如圖21所示。

圖21 監(jiān)測精度平均值與前進(jìn)速度關(guān)系曲線Fig.21 Relationship curves between mean monitoring rate and forward speed

由表2和圖21可知，監(jiān)測系統(tǒng)的重播監(jiān)測精度、漏播監(jiān)測精度及有效監(jiān)測精度平均值的最小值分別為81.79%、80.42%和97.67%，各監(jiān)測指標(biāo)隨機(jī)具的前進(jìn)速度增大而降低，分析其原因為當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速過高時，稻種被拋離出取種耳勺舀種部的瞬時速度與水平方向夾角θ增大，稻種水平位移減小，豎直位移增大，部分稻種無法沖擊到PVDF壓電薄膜傳感器，導(dǎo)致信號采集率降低，且系統(tǒng)靈敏度隨前進(jìn)速度增大而略有降低，但系統(tǒng)的有效監(jiān)測精度仍大于95%，滿足水稻穴直播的監(jiān)測要求。

5 結(jié)論

(1)基于壓電沖擊法設(shè)計了水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，對種群投種軌跡進(jìn)行了研究，確定了導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)及PVDF壓電薄膜傳感器的安裝部位。根據(jù)水稻多粒穴播實際作業(yè)情況下可能出現(xiàn)的4種播種故障，確定了監(jiān)測系統(tǒng)針對各播種狀態(tài)的監(jiān)測算法。

(2)設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)整體電路及外圍電路，編寫Arduino語言控制程序，并開發(fā)了藍(lán)牙無線串口傳輸APP，實現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)信號的采集、處理和無線傳輸。

(3)進(jìn)行了監(jiān)測系統(tǒng)臺架靈敏度測試與田間性能試驗。臺架測試結(jié)果表明，在不同工況下監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度均達(dá)到90.83%及以上，系統(tǒng)可實現(xiàn)對信號的有效采集。由田間試驗得到實際作業(yè)過程中系統(tǒng)的重播監(jiān)測精度、漏播監(jiān)測精度及有效監(jiān)測精度平均值的最小值分別為81.79%、80.42%和97.67%，滿足水稻穴直播的監(jiān)測要求。