姜 萌，劉彩玲，都 鑫，戴 磊，黃嶸彪，袁 昊

小麥精少量播種播量檢測系統(tǒng)研制

姜 萌，劉彩玲※，都 鑫，戴 磊，黃嶸彪，袁 昊

（1. 中國農業(yè)大學工學院，北京 100083；2. 中國農業(yè)大學農業(yè)農村部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術重點實驗室，北京 100083）

針對小麥精少量播種存在種子相互重疊、播種量準確檢測難的問題，該研究以小麥寬苗帶精少量播種施肥機為載體，基于紅外檢測原理，開發(fā)了內插式播種量檢測傳感器。根據(jù)種子通過傳感器的運動過程，確定系統(tǒng)采樣頻率為1×103Hz。分別對1、2和3粒種子通過檢測區(qū)域時的傳感器電壓進行采樣，并通過傳感器電壓峰值和均值2種方法，確定了區(qū)分1粒與2粒、2粒與3粒種子的判定閾值。以衡觀35、濟麥22和存麥11為對象進行靜態(tài)試驗，結果表明2種方法的平均絕對百分比檢測誤差分別為7.08%和8.87%，不同品種間最大檢測誤差分別為0.72%和1.18%。為進一步提高檢測精度，對峰值檢測法進行修正，修正系數(shù)為7.08%。田間試驗結果表明，系統(tǒng)的絕對檢測誤差范圍為1.12%～5.63%，平均絕對百分比誤差為3.12%，所研制的播種量檢測系統(tǒng)具有較高的檢測準確率，滿足播種量120～180 kg/hm2、作業(yè)速度2.5～4.6 km/h條件下的播量檢測要求，且具有較好的抗日光和粉塵干擾性能。

農業(yè)機械；傳感器；小麥；播種量監(jiān)測；田間試驗

0 引 言

播種量決定作物在田間的分布密度，對農作物最終產量有重大影響[1-2]，實現(xiàn)播種量實時檢測是對其精準控制的基礎[3]，也是農業(yè)發(fā)展的必然趨勢[4]，然而針對小麥精少量播種的播量檢測技術還尚未成熟[5]。

小麥精少量播種是以精少量排種器為核心，將種子按照一定穴距排出，播量通常為120～180 kg/hm2[6-7]，使用的排種器主要有窩眼式、氣吸式和組合式等，能夠將種子以每穴1～3粒排出[7]，隨著玉米、大豆等作物精密播種的實現(xiàn)，小麥精少量播種逐漸被接受，實現(xiàn)小麥精少量播種過程的播量檢測具有重要意義。

目前播種量檢測主要有間接檢測法和直接檢測法。早期播種量檢測為間接法[8]，該方法通過計算地輪轉動一圈對應排量，作業(yè)時檢測地輪運動間接估算播量，當排種器或輸種管堵塞時會出現(xiàn)較大檢測誤差。直接檢測法使用傳感器在排種器或輸種管位置對種子進行檢測，具有較高的檢測精度。目前，播量檢測主要應用于玉米、大豆等株距較大的中耕作物，相關檢測技術已經(jīng)成熟，如美國約翰迪爾公司的Seed-Star播種監(jiān)測系統(tǒng)[9]，應用光電傳感器采集播種信息，并通過觸摸屏實現(xiàn)顯示，能夠準確監(jiān)測漏播、斷條，各行及總的播種量和株距等信息。Dickey-Join生產的IntelliAg[10]精密播種監(jiān)測系統(tǒng)使用CAN總線與多傳感器融合技術實現(xiàn)對多行播種量檢測、種肥箱料位檢測、作業(yè)面積在線統(tǒng)計等功能；國內新星電子、常州懷玉電子等公司生產的播種機檢測系統(tǒng)已大規(guī)模在大豆、玉米等播種機上使用[11-12]，能夠實現(xiàn)對播種量的準確檢測。小麥等小粒徑作物播種質量檢測方面已實現(xiàn)輸種管堵塞、斷條等故障的監(jiān)測與報警，但在播種粒數(shù)統(tǒng)計等方面尚未有成熟產品。

針對上述問題，國內外學者進行了大量研究。如王金武等[13]針對水稻穴直播開發(fā)了沖擊式播量檢測傳感器，利用種子對敏感元件沖擊產生脈沖電壓，控制器讀取脈沖信號并識別種子量；丁幼春等[14]研究了基于壓電薄膜的小粒徑種子流量傳感器，通過對傳感器信號進行隔直通交、放大、整流等處理得到單脈沖信號，應用單片機外部中斷進行計數(shù)，實現(xiàn)了對油菜、小麥播種量的統(tǒng)計。周利明等[15]根據(jù)極板電容隨介質質量變化的原理設計了電容式流量傳感器，用于小麥流量檢測；陳建國等[16]設計了基于平行板電容器的小麥播量檢測系統(tǒng)，建立了小麥種子數(shù)目與電容積分值之間的最小二乘回歸模型，臺架試驗表明系統(tǒng)相對檢測誤差介于?2.26%～2.17%之間；Rajeev等[17]將紅外LED布置為環(huán)形，以期紅外光線能夠密布整個播種管截面，但該方法對小麥等小粒徑種子的檢測效果不理想；Anil等[18]采用對射式光纖傳感器進行播種流量檢測，可以實現(xiàn)大、中、小粒徑種子檢測，但該研究僅限于單粒播種。丁幼春等[19]采用1 mm厚度薄面激光發(fā)射器進行種子流監(jiān)測，可有效識別縱向距離大于1 mm的種子，在一定程度上提高了傳感器分辨率，但該方法未能從根本上解決重疊種子的檢測問題。Devin等[20]利用LabVIEW開發(fā)了高速成像系統(tǒng)，通過圖像處理技術識別重疊種子，該系統(tǒng)檢測準確率高達99%，但造價昂貴，不適合大面積推廣使用。Liu等[21]提出種流重構檢測方法，將種子疏散入多個輸種通道，避免種子間相互重疊；王在滿等[22]開發(fā)了面源式光電傳感器，通過脈沖寬度判別種子數(shù)量，實現(xiàn)了水稻穴數(shù)和穴粒數(shù)檢測，其中穴粒數(shù)平均檢測誤差范圍為7.99%～24.07%。

綜上，播種量直接檢測方式主要有壓電式、電容式和光電式，其中壓電式與電容式傳感器仍處于實驗室研究階段，未見其相關產品推廣應用；光電法將種子對光線的遮擋轉換為脈沖信號[23]，控制器通過讀取脈沖信號進行計數(shù)，在玉米、大豆等作物播量檢測方面已有成熟產品，但不能直接用于小麥精少量播種檢測，主要原因是檢測光束覆蓋密度低，小麥種子容易從光束間隙穿過，且小麥種子體積小，引起的電壓變化微弱，不足以觸發(fā)脈沖信號；相關研究多以單粒種子通過檢測區(qū)域為基礎，而小麥精少量播種通常為1～3粒種子同時排出，當多粒種子相互重疊時僅能檢測出一粒，從而導致檢測精度差。鑒于當前小麥精少量播種以機械式排種器為主，種子排施過程容易相互重疊增加檢測難度的問題，本文基于紅外檢測檢測原理設計了播種量檢測傳感器，提出峰值法和均值法重疊粒數(shù)判定算法，并通過試驗對其進行測試。

1 傳感器結構與檢測原理

本研究以課題組研制的小麥寬苗帶精量播種施肥機[24]為載體，該機作業(yè)幅寬2.1 m，共安裝7行窩眼輪式排種器，窩眼列數(shù)為4、每列窩眼數(shù)量為20，排種器下接內四等分輸種管對窩眼輪各列種子進行間隔輸送，能夠保證種子在寬苗帶上均勻分布，排種器及內四等分輸種管結構如圖1所示；為方便安裝，傳感器設置為內嵌式，安裝在內四等分輸種管頂部（圖1a）。根據(jù)內四等分輸種管設計播種量檢測傳感器結構如圖2所示，傳感器入口尺寸為20 mm×16.5 mm，為避免種子與紅外LED產生碰撞，對傳感器進行漸變縮口設計，同時兼顧種子通過性，最窄處尺寸為11 mm×12 mm；傳感器位于種箱的正下方，可避免陽光直射，經(jīng)試驗得出檢測區(qū)域與傳感器頂部距離為130 mm時有效避免外界光線的干擾。由于小麥種子體積較小，為避免漏檢，本文選用直徑為3 mm紅外LED為檢測元件，采用上下2層交錯布置，紅外發(fā)射端與接收端對稱安裝，使光線較為密集地分布于檢測截面。

紅外接收端在電路中采用反接形式，檢測原理為：反接入電路中的紅外接收端表現(xiàn)為反向截止，可將其等效為電阻，當紅外發(fā)射端發(fā)光強度一定時，接收端阻值隨受光量增加而減小，反之則增大；種子下落至檢測區(qū)域時對紅外光線產生遮擋，導致紅外接收端受光量減少，進而等效阻值增大；在紅外接收電路串聯(lián)接入分壓電阻D，通過檢測電阻D兩端電壓變化可以間接反映接收端受光量的變化，進而反映當前時刻通過檢測區(qū)域的種子數(shù)量。

為掌握種子下落情況，借助EDEM軟件模擬種子通過傳感器監(jiān)測區(qū)域時的狀態(tài)。根據(jù)小麥精少量播種播種量120～180 kg/hm2 [7]計算得到顆粒工廠產生種子速率為31.25～46.88 粒/s，寬苗帶播種機排種軸實際工作轉速為35 r/min，計算種子初速度為0.08 m/s，根據(jù)文獻[1,7]對相關仿真參數(shù)進行設置，仿真時間為20 s，重復3次。仿真結果表明：單粒種子通過傳感器監(jiān)測區(qū)域的概率為68.6%，2粒種子同時通過的概率為28.3%，3粒的概率為3.1%，仿真過程中未出現(xiàn)4粒及以上種子同時通過的情況，因此監(jiān)測系統(tǒng)重點提高對1～3粒種子的識別能力。

2 采樣頻率設置與閾值劃分

2.1 采樣頻率設置

檢測電路如圖3所示，紅外接收與發(fā)射端均采用5 V電壓供電，為保證紅外發(fā)光強度穩(wěn)定，紅外發(fā)射端采用并聯(lián)連接；同時為提高紅外接收端對遮光量變化的敏感程度，接收端串聯(lián)連接；電路中添加電阻R可起到穩(wěn)流功能，其阻值應盡量小，但阻值過小增加檢測難度，綜合考慮選擇R阻值為900 Ω。為實現(xiàn)對R兩端電壓的準確感知，采用ADS1256采樣模塊對流量傳感器輸出電壓信號進行采集，該采樣模塊精度為24位，采樣頻率為2.5～3×104Hz，共16檔可調[25]。

2.1.1 采樣頻率確定

采樣頻率低容易產生漏檢，高則會過多占用CPU，因此需要對種子下落過程進行分析（如圖4所示），以確定合適的采樣頻率。忽略種子下落過程中的空氣阻力和碰撞造成的速度損失，則種子由窩眼輪排出并通過檢測區(qū)域的運動過程如式（1）所示。

式中1為排種器出口至檢測區(qū)域的距離，1=175 mm；2為檢測區(qū)域長度，2=6 mm；為種子三軸尺寸中的最短軸，mm。以濟麥22包衣種子為試驗材料（千粒質量為43.6 g，長×寬×厚為6.23 mm×3.24 mm×3.08 mm），=3.08 mm；為排種器角速度，rad/s；為排種器轉速，=35 r/min；1為種子從排種口下落至檢測區(qū)域的時間，s；2為種子通過檢測區(qū)域所用時間，s；0為種子離開排種器的速度，m/s；1為種子下落至檢測區(qū)域時的速度，m/s；為排種輪半徑，=28.75 mm，排種器參數(shù)詳見文獻[24]；為重力加速度，m/s2。

由式（1）計算得到種子通過傳感器檢測區(qū)域的時間2=4.79 ms，為保證每粒種子通過檢測區(qū)域時都能被傳感器采集到，則采樣周期應小于種子穿過檢測區(qū)域的時間；為了準確獲取種子下落過程的完整采樣波形，應保證每粒種子穿越檢測區(qū)域時至少進行3次采樣，即種子開始進入、完全進入和離開檢測區(qū)域時各進行1次采樣，則采樣周期約束條件為

式中為采樣周期，s；為采樣頻率，Hz；為2時間內的采樣次數(shù)，3。

由式（2）可得采樣頻率>626 Hz，根據(jù)AD1256芯片手冊[25]設置檢測采樣系統(tǒng)頻率為1×103Hz。

1.種子 2.窩眼輪 3.紅外接收端 4.檢測區(qū)域 5.紅外發(fā)射端

1.Seeds 2.Cell wheel 3.Infrared receiver end 4.Detection area 5.Infrared transmitter end

注：為排種器角速度，rad·s-1；1、2分別為排種器出口至檢測區(qū)域的距離和檢測區(qū)域長度，mm。

Note:is the angular velocity of the cell wheel, rad·s-1;1and2are the distance from the seed metering device to the detection area and the length of the detection area, respectively, mm.

圖4 種子下落過程示意圖

Fig.4 Schematic diagram of seed falling process

2.1.2 采樣頻率驗證

為驗證采樣頻率設置的正確性，以stm32c8t6單片機為控制器，以上述濟麥22包衣種子為材料進行試驗；隨機選取100粒種子，使其逐個從距檢測區(qū)域175 mm處落下，獲得種子通過傳感器的采樣數(shù)據(jù)100組，提取每粒種子通過傳感器檢測區(qū)域時的實際采樣次數(shù)，如圖5所示。單粒種子通過檢測區(qū)域時平均采樣次數(shù)為5.77次，采樣次數(shù)合格率為100%（采樣次數(shù)不少于3即為合格），表明上述采樣頻率的分析及設定合理；最小采樣次數(shù)為3、最大采樣次數(shù)為12，主要由種子通過檢測區(qū)域時的姿態(tài)和自身形狀差異引起，當種子較為飽滿且以最長軸通過檢測區(qū)域時獲得的采樣次數(shù)較多，反之則較少。

2.2 判定閾值確定

為提高系統(tǒng)檢測精度，控制器對傳感器輸出電壓進行采樣，進而根據(jù)傳感器電壓采樣值判定種子數(shù)量；由于芯片采集電壓時輸出的是整型數(shù)字信號，且控制器運行整型數(shù)據(jù)效率較高，因此傳感器電壓采樣值用數(shù)字量表示。隨機選取濟麥22包衣種子600粒，并以任意姿態(tài)粘合成2粒和3粒各100組，按照2.1.2節(jié)試驗條件獲得1、2和3粒種子通過傳感器的電壓采樣數(shù)據(jù)各100組。

通過對上述傳感器電壓采樣值分析可知，1、2、3粒種子采樣值存在重疊區(qū)間，需要分析1粒與2粒種子、2粒與3粒種子間的判定閾值[26]；通過前期試驗，同時通過檢測區(qū)域的種子越多，傳感器電壓越大，即電壓采樣峰值（多次采樣中的最大值，數(shù)字量）越大，電壓采樣均值（多次采樣的平均值，數(shù)字量）也越大；本文分別提出了峰值法和均值法對種子數(shù)量進行判定，即分別采用種子通過檢測區(qū)域時的傳感器電壓采樣峰值和均值判定種子數(shù)量。為確定判定閾值，引入理論檢測誤差作為閾值評價指標，其定義如下：

式中1為判定閾值確定后1粒種子被誤判為2粒的數(shù)量；2為2粒種子被誤判為1粒的數(shù)量；3為2粒種子被誤判為3粒的數(shù)量；4為3粒種子誤判為2粒的數(shù)量；、分別為種子以1、2和3粒形式通過檢測區(qū)域的概率，%；1、2和分別為1粒與2粒種子間的理論檢測誤差、2粒與3粒種子間的理論檢測誤差，%；為總理論檢測誤差，%。

2.2.1 峰值判定法

提取1、2、3粒種子通過檢測區(qū)域時的傳感器電壓采樣峰值如圖6所示。由圖6可知，無種子通過時，電壓采樣峰值在0～9之間波動，表明檢測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，有種子通過和無種子通過檢測區(qū)域時的電壓采樣峰值差異明顯，可有效識別；1、2、3粒種子采樣峰值存在明顯的重疊區(qū)域，其中1粒與2粒種子通過檢測區(qū)域的傳感器電壓采樣峰值重疊區(qū)域為[362，539]，2粒與3粒的重疊區(qū)域為[514，821]。

采用最小二分法對傳感器電壓采樣值進行區(qū)間劃分，當理論檢測誤差最小時，即認為該判定閾值最優(yōu)。經(jīng)計算1粒與2粒種子的判定閾值為489，2粒與3粒種子的判定閾值為616，即傳感器電壓采樣值為10～489時為1粒種子，為489～616時為2粒種子，大于616時為3粒種子。此時通過式（3）可計算得到最小總理論檢測誤差，為4.91%。

2.2.2 均值判定法

分別求得1、2和3粒種子同時通過檢測區(qū)域的傳感器電壓采樣平均值，如圖7所示。由圖7可知，1粒與2粒種子通過檢測區(qū)域的傳感器電壓采樣均值重疊區(qū)域為[121，325.3]，2粒與3粒重疊區(qū)域為[276，433]，采用上述理論檢測誤差評價與最小二分法確定判定閾值。經(jīng)計算1粒與2粒種子的判定閾值為277，2粒與3粒種子的判定閾值為330，即傳感器電壓采樣值為10~277時為1粒種子，為277~330時為2粒種子，大于330時為3粒種子。此時計算得到最小總理論檢測誤差，為5.39%。

3 檢測系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)組成與工作原理

小麥精少量播種播量檢測系統(tǒng)如圖8所示，主要由主控制器（STM32f103zet6）、觸摸屏（T5UIC3_800600）、下位機（STM32f103c8t6）、播種量檢測傳感器、ADS1256采樣模塊、步進電機（86HBP150，12Nm）、編碼器（E6B2-C，NPN，1000P/R）、超聲波傳感器（HC-SR04）和電壓轉換模塊等組成。系統(tǒng)采用拖拉機12 V蓄電池供電，經(jīng)5 V降壓模塊、60 V升壓模塊和防反接保護板（DG7512，12A）分配至各模塊；下位機、ADS1256采樣模塊和播種量檢測傳感器共同組成播種質量檢測單元，采樣模塊以高速巡檢方式對傳感器輸出電壓進行采集，并通過SPI通訊發(fā)送至下位機；下位機對傳感器電壓采樣值進行分析進而判定種子數(shù)量，同時通過CAN總線與主控制器通訊；觸摸屏用于對各傳感器檢測信息的展示，以及對播種量進行實時調整。步進電機、編碼器、測速齒輪和接近開關（LJ12A3-4-Z，NPN）等用于實現(xiàn)電驅播種；超聲波傳感器用于種肥箱料位檢測；SD卡模塊能夠對作業(yè)速度、播種量等數(shù)據(jù)進行在線采集，便于后續(xù)對控制精度進行分析優(yōu)化，數(shù)據(jù)存儲頻率為10 Hz。

3.2 系統(tǒng)流程

檢測系統(tǒng)流程設計如圖9圖，系統(tǒng)啟動后首先進行初始化；為保證系統(tǒng)檢測精度，防止采樣零點隨溫度、濕度等外界條件漂移，對采樣零點進行校準；排種器開始運行后，ADS1256采樣模塊以設定頻率進行系統(tǒng)巡檢，當傳感器電壓采樣值高于無種子通過時最大采樣值的3倍（27），判定為種子到達檢測區(qū)域；反之，當傳感器電壓采樣值小于該值（27）時，判定種子已經(jīng)離開檢測區(qū)域；種子離開檢測區(qū)域后，計算種子經(jīng)過檢測區(qū)域時的采樣峰值或均值，然后根據(jù)上述判定閾值對種子數(shù)量進行判定。

4 檢測性能試驗

4.1 靜態(tài)試驗

為檢驗上述2種重疊種子閾值判定方法的檢測精度，在小麥寬苗帶播種施肥機靜態(tài)條件下進行試驗研究。對照組為直接檢測法，該組未采用重疊種子判定方法，無法對重疊種子粒數(shù)做進一步區(qū)分?？紤]小麥種子大小及豐滿程度會對傳感器檢測精度造成影響，選擇千粒質量差別較大的3種小麥種子進行試驗，分別為衡觀35（千粒質量41.4 g）、濟麥22（千粒質量43.6 g）、存麥11（千粒質量46.7 g）。各組試驗檢測目標均為1 000粒種子，設置排種器轉速分別為25、35、45 r/min，每組試驗重復7次并取平均值，試驗結果見表1，表中檢測值由觸摸屏讀取，實際值通過Pfeuffer數(shù)粒儀得到，檢測誤差與平均絕對百分比誤差計算方法[17]如下：

式中為檢測誤差，%；E為平均絕對百分比誤差，%；為系統(tǒng)檢測的播種粒數(shù)；為通過數(shù)粒儀統(tǒng)計的播種粒數(shù)；分別為試驗次數(shù)和序號。

表1 傳感器檢測精度靜態(tài)試驗結果

由表1可知，3個品種的小麥檢測粒數(shù)均高于實際粒數(shù)，主要原因為粘和后種子較為緊密，遮光量較實際情況有所降低，從而導致判定閾值設定偏低，1粒種子被誤判為2粒的概率及2粒種子被誤判為3粒的概率增加；峰值法和均值法的平均絕對百分比誤差分別是7.08%和8.87%，均高于1.3節(jié)判定閾值確定后的理論檢測誤差4.91%和5.39%，這主要由種子實際下落姿態(tài)和組合形式與理論分析中粘合種子下落姿態(tài)和組合形式存在差異導致。對照組平均百分比誤差為19.44%，主要原因為2粒及3粒種子相互重疊經(jīng)過檢測區(qū)域時，傳感器僅能識別1粒，因此檢測值小于實際值。峰值和均值檢測方法與對照組相比平均絕對百分比誤差分別降低了12.36和10.57個百分點。使用平均絕對百分比誤差對檢測結果進行修正[16,20]，可有效提高傳感器檢測精度，修正后檢測播種粒數(shù)為

式中為修正后傳感器檢測播種粒數(shù)，為修正前傳感器檢測播種粒數(shù)。為修正系數(shù)，對于峰值法和均值法分別為7.08%和8.87%。

圖10為峰值法與均值法的檢測誤差對比，對于3個小麥品種，峰值法的檢測誤差均低于均值法，主要是因為1、2和3粒種子通過檢測區(qū)域的采樣峰值分布范圍較大，而均值范圍分布則較?。ㄈ鐖D6、圖7所示），因此采用峰值法更容易對通過的小麥種子數(shù)量進行判別；對于峰值法，衡觀35、濟麥22和存麥11的檢測誤差分別為7.04%、6.73%和7.46%，不同品種間最大差異為0.72個百分點，低于均值法最大檢測差異的1.18個百分點，表明峰值法播種檢測系統(tǒng)對不同小麥品種適應性更好，因此本研究將以峰值法作為最終檢測方法，并通過田間試驗對其檢測性能做進一步評價。

表2為峰值法修正前后檢測誤差對比，修正前檢測誤差范圍為5.20%～8.80%，修正后誤差范圍?2.42%～0.91%，平均絕對百分比誤差為1.05個百分點，修正后平均絕對百分比誤差下降6.03個百分點，表明使用平均絕對百分比誤差對檢測結果進行修正可使其更接近實際值。

4.2 田間試驗

為進一步檢驗小麥精少量播種播量檢測系統(tǒng)的準確率、抗光照干擾和田間灰塵性能進行田間試驗，將該系統(tǒng)搭載于課題組研發(fā)的小麥寬苗帶精量播種施肥機，如圖11所示，試驗時間為2020年10月25日，地點為河南省南陽市宛城區(qū)佰泉家庭農場（地理坐標112.72°E、33.09°N），試驗地前茬作物為玉米，玉米收獲后秸稈全量還田處理。試驗用拖拉機為東方紅LX1204，試驗工具和儀器包括卷尺、鋼尺、電子秤、秒表、S5C測畝儀、Pfeuffer數(shù)粒儀等。試驗用小麥種子為河南地區(qū)推廣的存麥11，千粒質量為46.7 g，包衣處理。

表2 峰值法修正前后檢測誤差對比

4.2.1 播種檢測系統(tǒng)檢測精度測試

為測試檢測系統(tǒng)在不同播種量和作業(yè)速度下的檢測精度，根據(jù)《谷物播種機技術條件》，設置播種速度和播種量各3個水平，共進行9組試驗，具體試驗設置如圖12所示，根據(jù)拖拉機檔位設置作業(yè)速度分別為2.5（慢Ⅰ）、3.8（慢Ⅱ）和4.6 km/h（慢Ⅲ）；播種量分別為120、150和180 kg/hm2。每組試驗作業(yè)長度為40 m，地塊兩端5 m為加速緩沖區(qū)，試驗前將各行輸種管底部堵塞，試驗結束后接取各行種子并計算播種粒數(shù)平均值。

以各行種子粒數(shù)作為實際播種量、系統(tǒng)檢測播種量通過觸摸屏讀取，如表3所示。由表3可知，播種檢測系統(tǒng)絕對檢測誤差（實際檢測誤差的絕對值）范圍為1.12%～5.63%，平均絕對百分比誤差為3.12%，表明小麥精少量播種檢測系統(tǒng)具有較高的檢測準確率，能夠滿足120～180 kg/hm2播種量在2.5～4.6 km/h作業(yè)速度下的檢測準確率要求。文獻[22]通過高電平持續(xù)時間判定種子量，穴粒數(shù)檢測誤差范圍為7.99%~24.07%，本研究檢測誤差低于目前同類研究結果。

表3 播種粒數(shù)檢測精度田間試驗結果

4.2.2 播種檢測系統(tǒng)抗干擾性測試

為了考察系統(tǒng)的抗日光干擾性能，選擇晴朗天氣，在早、中、晚不同時間段分別進行了測試。測試在播種機靜止狀態(tài)下進行，拔出輸種軟管并開啟播種量檢測系統(tǒng)，隨機選取100粒小麥種子，手動使其逐個從固定高度下落并通過傳感器檢測區(qū)域，計算100粒種子通過檢測區(qū)域時的平均采樣值。結果表明，3個時間段的平均采樣值變化率低于0.6%，表明傳感器結構設計合理，系統(tǒng)具有較好的抗日光干擾性能。

抗粉塵干擾性能測試在4.2.1節(jié)播種檢測系統(tǒng)檢測精度測試前后分別進行。測試在播種機靜止狀態(tài)下進行，測試方法同抗日光干擾測試。結果顯示，100粒種子的平均采樣值變化率低于0.89%，表明種子包衣處理和田間粉塵對檢測傳感器干擾較小，不影響檢測系統(tǒng)的正常使用。

5 結 論

本文開發(fā)了小麥精少量播種檢測系統(tǒng)，用于解決因小麥種子相互重疊導致不能準確檢測播種量的難題，并對系統(tǒng)檢測準確率、抗日光干擾性能、抗粉塵干擾性能進行了測試。

1）以小麥寬苗帶精少量播種機為載體、紅外LED為敏感原件、ADS1256為AD采樣模塊開發(fā)了內插式小麥播種量檢測傳感器，確定了傳感器采樣頻率為1×103Hz。

2）為實現(xiàn)對重疊種子粒數(shù)的準確判定，提出了基于傳感器電壓采樣峰值和均值的兩種判定閾值確定方法。通過峰值法確定了1粒與2粒種子、2粒與3粒種子的判定閾值分別為489、616；通過均值法確定了1粒與2粒種子、2粒與3粒種子的判定閾值分別為277、330。

3）播種機靜態(tài)試驗表明峰值檢測法誤差較低，對不同品種小麥具有較高的適應性，確定以峰值法為最終檢測方法，并對其檢測結果進行了修正，修正系數(shù)為7.08%。為一步測試檢測系統(tǒng)綜合性能，進行了田間試驗，結果表明系統(tǒng)絕對檢測誤差范圍為1.12%～5.63%，平均絕對百分比誤差為3.12%，小麥精少量播種播種量檢測系統(tǒng)具有較高的檢測準確率，能夠滿足不同播種量和作業(yè)速度下檢測準確率的要求，且具有較好的抗日光和粉塵干擾性能。

本文傳感器的設計和播種量檢測系統(tǒng)的開發(fā)也可用于常規(guī)輸種管傳感器設計，為小麥精少量播種過程的播種檢測、漏播檢測等提供技術支撐，并為相關研究提供借鑒。

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Development of seeding rate detection system for precision and small amount sowing of wheat

Jiang Meng, Liu Cailing※, Du Xin, Dai Lei, Huang Rongbiao, Yuan Hao

(1.,,100083; 2.,,,100083,)

Seeding amount determines the distribution density of plants in the field, thereby posing a significant impact on the final yield of crops. Real-time detection of sowing amount is an inevitable trend in precise agriculture. However, the current technology is difficult to rapidly identify overlapping seeds for the total amount of wheat precision seeding. In this study, an accurate detection system with an interpolation sensor was developed to control the seeding amount in a wheat precision planter with a wide seedling strip. Infrared radiation LEDs were used as the sensitive elements, and the 24-bit ADS1256 as the high-precision sampling module. The sampling frequency of the system was determined to be 1×103Hz. The process of seed falling was analyzed, where the seeds were sampled at least three times when the sensor was scanning over the detection areas. The sampling voltage of one seed, two seeds, and three seeds were obtained when the sensor passed through. Two sampling threshold divisions were set using the peak and the mean value, according to the sampling voltage. In the peak, 489 was the threshold value for 1 and 2 seeds while 616 for 2 and 3 seeds. In the mean, 277 was the threshold value for 1 and 2 seeds while 330 for 2 and 3 seeds. A detection system of precision seeding was realized to integrate with the interaction interface of touch screen personal-computer and drive control of a stepper motor. A field experiment of planter under static state was carried out to verify the detection accuracy of the system, the adaptability for different varieties of wheat and seeding frequency, and further to evaluate the two-threshold division. Three types of wheat were selected as the research objects, including Heng-Guan 35, Ji-Mai 22, and Cun-Mai 11. It was found that the peak detection was optimal, due to the low detection error and good adaptability to different wheat varieties. The peak detection was further revised, where the correction coefficient was 7.08%. A field experiment was also carried out to further verify the performance of the detection system under dynamic conditions. It was found that the absolute detection error of the system ranged from 1.12%-5.63%, and the mean absolute error was 3.12%, indicating a high detection accuracy for the high requirements under various sowing rates and operation speeds, as well as a high resistance to sunlight and dust interference. The finding can provide potential technical support for the design of seed tube sensor, and the rapid detection of seeding amount in the process of precision wheat sowing.

agricultural machinery; sensors; wheat; seeding rate detection; field experiment

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.006

S223.2+5

A

1002-6819(2021)-05-0050-09

姜萌，劉彩玲，都鑫，等. 小麥精少量播種播量檢測系統(tǒng)研制[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(5)：50-58.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.006 http://www.tcsae.org

Jiang Meng, Liu Cailing, Du Xin, et al. Development of seeding rate detection system for precision and small amount sowing of wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 50-58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.006 http://www.tcsae.org

2020-11-12

2021-02-25

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD020060704）

姜萌，博士生，研究方向為農業(yè)機械與農業(yè)裝備。Email：740083534@qq.com

劉彩玲，博士，博士生導師，研究方向為農業(yè)機械與農業(yè)裝備。Email：cailingliu@163.com

中國農業(yè)工程學會會員：姜萌（E040000810A）