朱 亮，王關(guān)平，孫 偉，張 華，劉小龍，馮 斌，王成江，孫麗萍

基于空間電容傳感器的馬鈴薯排種狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

朱 亮1，王關(guān)平1※，孫 偉1，張 華1，劉小龍1，馮 斌1，王成江1，孫麗萍2

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武威 733006）

針對(duì)傳統(tǒng)光電式馬鈴薯排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因抗塵、抗振能力差所導(dǎo)致的可靠性偏低問(wèn)題，該研究通過(guò)構(gòu)建空間電容傳感器并基于排種過(guò)程獲取電容變化量信息進(jìn)行排種狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該研究首先進(jìn)行了理論推導(dǎo)，證明了通過(guò)最大凈電容變化量信號(hào)對(duì)馬鈴薯排種狀態(tài)判別的可行性；然后，在典型馬鈴薯播種機(jī)基礎(chǔ)上采用Maxwell完成了空間電容傳感器建模和電容值變化范圍確定；通過(guò)恒溫恒濕環(huán)境種薯運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)架試驗(yàn)，獲得溫濕度影響回歸模型，使不同條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)可以自由轉(zhuǎn)化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，同一品種、不同大小種薯對(duì)應(yīng)的最大凈電容變化量與其質(zhì)量之間線性關(guān)系明顯，并提出一種基于空間電容傳感器測(cè)量種薯質(zhì)量獲取排種狀態(tài)識(shí)別策略?；谠摾碚摌?gòu)建的臺(tái)架試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)空間電容測(cè)量誤差小于1%，種薯質(zhì)量獲取誤差小于3%；試驗(yàn)范圍內(nèi)的漏播均可被準(zhǔn)確判定；由于試驗(yàn)種薯的不規(guī)則性較大，2.33%的正常單粒排種被誤判為重播，而2.78%的重播被誤判為正常，故系統(tǒng)排種狀態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確率依然較高。該文所述方案可一次性完成正常、漏播及重播判斷，可為馬鈴薯排種監(jiān)測(cè)提供參考。

傳感器；監(jiān)測(cè)；空間電容；溫濕度；馬鈴薯；排種狀態(tài)

0 引 言

由于勺式排種器的成熟性和通用性，以及切塊種薯制備的經(jīng)濟(jì)性和便利性，時(shí)至今日，基于勺式排種器、采用切塊薯種植的栽培模式依然是馬鈴薯機(jī)械化種植的主流形式[1-3]。然而，一方面，切塊種薯的流動(dòng)性差、形態(tài)差異較大，導(dǎo)致種勺舀取困難，所致漏播[4-6]，馬鈴薯切塊播種屬于超大籽粒種植，其排種間距較大，即使是單粒漏播，所造成的影響也非常顯著[7]；另一方面，由于多取而導(dǎo)致的重播也時(shí)有發(fā)生，這易導(dǎo)致苗多爭(zhēng)肥、苗密株弱、病害增多、效益降低等[8]。中小型馬鈴薯播種機(jī)采用切塊薯種植的平均自然漏播率通常不低于5%[9-10]，而重播導(dǎo)致的間接損失也不低于3%[11]，因此，由于精確農(nóng)業(yè)技術(shù)的落后，現(xiàn)有馬鈴薯播種環(huán)節(jié)的綜合先天性減產(chǎn)應(yīng)不小于8%，這無(wú)疑是個(gè)巨大的數(shù)字，因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)，馬鈴薯已成為第四大主糧作物，對(duì)國(guó)家糧食安全意義重大。在精確農(nóng)業(yè)已成為大勢(shì)所趨的時(shí)代背景下[12-14]，采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行排種監(jiān)測(cè)并采取可行措施消減這一損失不僅可能，而且愈加迫切。

歐美馬鈴薯種植普遍采用大型機(jī)械[15-16]，自然漏播率低，且馬鈴薯并非其主糧作物，因而該領(lǐng)域研究動(dòng)力匱乏，既有成果主要局限于基本信息采集和報(bào)警指示等方面。國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域研究始于2011年前后。2012年，張曉東[17]提出了由紅外光電傳感器、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)三部分組成的機(jī)電式馬鈴薯播種器自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，但其漏播檢測(cè)方案較原始，可靠性較低，且由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)盤(pán)式補(bǔ)種器補(bǔ)種的方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢，但該研究開(kāi)啟了本領(lǐng)域探索的大門(mén)。進(jìn)一步，劉全威等[18]提出了一種基于AT90S2313單片機(jī)的紅外漏播檢測(cè)系統(tǒng)和曲柄連桿打擊補(bǔ)種機(jī)構(gòu)組成的馬鈴薯漏播補(bǔ)償方案，該系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)有較大改進(jìn)，硬件、軟件細(xì)節(jié)更為全面。以此為基礎(chǔ)，孫偉等[19]和王關(guān)平等[20]分別提出了磁鋼-霍爾傳感器觸發(fā)和磁鋼-干簧繼電器觸發(fā)紅外漏播檢測(cè)的新方案，有效解決了檢測(cè)時(shí)機(jī)、檢測(cè)速度、檢測(cè)可靠性等問(wèn)題。之后，該團(tuán)隊(duì)又提出了雙點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)與排種狀況決策新架構(gòu)[21-22]，使得系統(tǒng)反應(yīng)更具超前性，克服了第一代檢測(cè)技術(shù)對(duì)傳感器安裝位置的束縛，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與決策結(jié)果的準(zhǔn)確率不低于99.9%。但是，該系統(tǒng)仍然易受田間強(qiáng)塵、振動(dòng)等外界因素的威脅，其在耐久性基礎(chǔ)上的可靠性依然有待提高；此外，由于其固有特性，難以對(duì)重播進(jìn)行有效識(shí)別。樊婧婧[23]將機(jī)器視覺(jué)引入檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)閾值分割及形態(tài)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)重復(fù)取種的檢測(cè)，但因圖像處理運(yùn)算量較大，導(dǎo)致其高速作業(yè)實(shí)時(shí)響應(yīng)差，且相機(jī)更易受到強(qiáng)塵、振動(dòng)、外界光線等干擾，難以在田間復(fù)雜工況及惡劣環(huán)境下普及推廣。因此，采用非光電的快速、簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)方案勢(shì)在必行，基于該理念的其他作物排種監(jiān)測(cè)[24-27]成功應(yīng)用案例，?？档萚28]提出了基于電容量檢測(cè)的馬鈴薯漏播決策方案。這一思路的優(yōu)勢(shì)是檢測(cè)系統(tǒng)天然抗塵、抗振，但決策方法依然需要開(kāi)展更為深入的基礎(chǔ)性研究，以進(jìn)一步明確環(huán)境因素的具體影響，且電容量概念（尤其是pF級(jí)單位）對(duì)基層操作人員而言直觀性不佳；同時(shí)，該體系不具備重播識(shí)別功能，可進(jìn)行進(jìn)一步挖掘利用。

為此，本研究將首先通過(guò)ANSYS軟件分析空間傳感器的極板尺寸、極板間距、板間電容變化量等關(guān)鍵參數(shù)，然后通過(guò)電容振蕩電路和頻率測(cè)量方案，間接獲取空間電容測(cè)量值，并構(gòu)建空間電容檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架，深入研究溫濕度對(duì)測(cè)量電容的影響程度、作用規(guī)律等，進(jìn)而得出測(cè)量電容與種薯質(zhì)量之間的關(guān)系，以期為大田環(huán)境下基于空間電容檢測(cè)的強(qiáng)適應(yīng)性馬鈴薯排種信息獲取與漏、重播監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為后期補(bǔ)償及消重執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作執(zhí)行提供基礎(chǔ)信息支撐。

1 測(cè)量原理

由于種薯塊與空氣的介電常數(shù)[29-30]存在顯著差異，因此，當(dāng)種薯通過(guò)由對(duì)置式電容傳感器極板所形成的檢測(cè)空間時(shí)，必然引起極板間等效介電常數(shù)的改變，進(jìn)而引發(fā)該體系空間電容值的改變，獲得該變化量的具體數(shù)值，即可做出排種狀況判斷。該方案系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單，所需傳感器數(shù)量少，檢測(cè)點(diǎn)位置自由，傳感器基板（內(nèi)表面覆銅箔作為電極）可采用一體化注塑成型或打印，空間對(duì)稱(chēng)度高、抗振動(dòng)性能優(yōu)異。當(dāng)忽略邊緣電場(chǎng)和極板厚度影響時(shí)，空間電容傳感器電容值(F)的計(jì)算公式為

式中ε為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；為極板有效正對(duì)面積，m2；為兩極板間距離，m。

非載種情況下的空載電容值0為

其中等效相對(duì)介電常數(shù)ε0為

式中ε為空氣相對(duì)介電常數(shù)；V為極板間空氣所占體積，m3；ε為種勺與鏈條組合體相對(duì)介電常數(shù)；V為極板間種勺及鏈條等所占體積，m3；為對(duì)置極板空間的總體積，m3。

切塊種薯通過(guò)極板空間時(shí)，極板間電容值1為

等效相對(duì)介電常數(shù)ε1為

式中ε為馬鈴薯相對(duì)介電常數(shù)；V為極板間馬鈴薯所占體積，m3。

式中1max為種勺攜載種薯經(jīng)過(guò)空間電容傳感器過(guò)程中的電容最大值，F(xiàn)；0max為空種勺穿越空間電容傳感器過(guò)程中空間電容傳感器測(cè)量電容的最大值，F(xiàn)。

2 基于ANSYS的空間電容傳感器建模與分析

空間電容傳感器是測(cè)量系統(tǒng)的核心，其性能決定了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。電容極板過(guò)大會(huì)使得基礎(chǔ)電容過(guò)高，種薯通過(guò)時(shí)空間電容值變化不明顯，將導(dǎo)致傳感器靈敏度降低；而電容極板過(guò)短，則易在勺鏈攜載種薯快速運(yùn)動(dòng)時(shí)因采樣頻率不夠而造成漏檢誤判的結(jié)果發(fā)生。

播種作業(yè)時(shí)，切塊種薯物理特征并非完全一致，但其切塊工藝可保證種薯最大直徑在30～40 mm，勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器正常工作鏈速約為0.2～0.8 m/s，對(duì)種薯運(yùn)行情況分析可得單個(gè)電容采樣時(shí)間內(nèi)種勺運(yùn)動(dòng)位移L為

式中V為種勺運(yùn)動(dòng)線速度，m/s；F為系統(tǒng)電容采樣頻率，Hz。

依據(jù)香農(nóng)采樣定理，每個(gè)完整種薯經(jīng)過(guò)傳感器的時(shí)間應(yīng)大于2倍的系統(tǒng)電容采樣時(shí)間，故極板長(zhǎng)度L為

式中L為典型種薯寬度，本研究取30 mm[9-10]。

依據(jù)式（8）～（9），在系統(tǒng)采樣頻率為150 Hz情況下，初定極板高度為45 mm、寬度60 mm。

首先采用ANSYS對(duì)極板主要參數(shù)選擇的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。假定靜電場(chǎng)中電介質(zhì)常數(shù)恒定，傳感器銅質(zhì)極板電介質(zhì)各部分同性、均勻分布，場(chǎng)內(nèi)電位滿足拉普拉斯方程、邊值構(gòu)造問(wèn)題。電極基本參數(shù)為：長(zhǎng)60 mm，寬45 mm，電極厚度0.15 mm，極板材質(zhì)選擇COPPER（銅）。極板襯底選擇丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物，相對(duì)介電常數(shù)為2；電容傳感器周邊選擇AIR（空氣）進(jìn)行填充，相對(duì)介電常數(shù)為1.000 6；增加Potato材質(zhì)的30 mm立方體模擬馬鈴薯在極板內(nèi)的運(yùn)行情況，其相對(duì)介電常數(shù)為13。給定仿真單元最大長(zhǎng)度為0.5 mm，由ANSYS對(duì)仿真部分進(jìn)行智能單元網(wǎng)格劃分。左右極板間施加激勵(lì)電壓1.65 V（與MAX038相匹配），使等效立方體馬鈴薯自極板下邊緣，沿極板間中軸線以步長(zhǎng)0.1 mm向極板上邊沿運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)行過(guò)程三維示意圖見(jiàn)圖 1所示，該過(guò)程電容值的變化如圖2所示。

Maxwell仿真表明，在真空條件下，電極厚度為0.15 mm、電容極板大小為45 mm×60 mm時(shí)，種薯未進(jìn)入空間電容傳感器時(shí)的空載電容0≈0.8 pF；負(fù)載時(shí)，馬鈴薯自下而上運(yùn)行過(guò)程中，極板間電容變化量與種薯位移量基本呈線性關(guān)系，其最大電容值為馬鈴薯完全移入電容極板空間中心處，此時(shí)最大電容值1max≈1.15 pF；同時(shí)可見(jiàn)，種薯位移在0～15 mm段出現(xiàn)了尖峰，這是馬鈴薯與電容極板的邊沿效應(yīng)所致。

由仿真數(shù)值可知，該過(guò)程的電容變化量(1max-0)約為0.35 pF，(1max-0)/max≈30%，(1max-0)/0≈ 44%，其變化率較為明顯，具備辨識(shí)是否有種薯通過(guò)的條件。作為可行性探索，本模型并未考慮種勺的體積、材料，也未考慮種勺所附著鏈條的結(jié)構(gòu)、體積等細(xì)節(jié)。但通過(guò)該仿真可獲得足夠精確的電容極板尺寸，并可大致掌握該體系空間電容的變化區(qū)間（實(shí)際測(cè)量電容值由于其他介質(zhì)材料的存在、測(cè)量線路分布電容的存在等會(huì)有所增大），這為后續(xù)空間電容檢測(cè)技術(shù)路線規(guī)劃、芯片選擇、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋選擇等提供了必要參考。

基于上述結(jié)果，考慮到馬鈴薯排種器的空間形態(tài)和傳感器的高敏感度需求，由圖1所示極板形狀根據(jù)具體需要進(jìn)行微調(diào)。電容傳感器骨架選用ABS材質(zhì)經(jīng)3D打印而成，為使極板更加貼合勺鏈種勺組合體，采用半徑100 mm的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)極板進(jìn)行彎曲，調(diào)整后極板間中心距仍為60 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.聚四氟乙烯 2.銅箔 3.極板支撐 4.傳感器骨架 5.傳感器固定孔

3 空間電容檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 馬鈴薯運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)

為測(cè)試空間電容測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性并進(jìn)行后續(xù)研究，搭建了馬鈴薯運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示。試驗(yàn)臺(tái)主要由上位機(jī)、高精度位移滑臺(tái)、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、種勺、PLC、屏蔽網(wǎng)、數(shù)字電橋及空間電容測(cè)量系統(tǒng)組成。其中，空間電容測(cè)量系統(tǒng)、高精度位移滑臺(tái)、伺服電機(jī)、種勺及被測(cè)種薯均放置于屏蔽網(wǎng)框架內(nèi)，緊靠屏蔽網(wǎng)框架外側(cè)固定，便于和其他裝置一同移動(dòng)，同時(shí)，將伺服電機(jī)外殼與框架相連做接地處理，以屏蔽電磁干擾；數(shù)字電橋則用于提供空間電容的標(biāo)準(zhǔn)值，而上位機(jī)則通過(guò)控制PLC進(jìn)一步控制伺服系統(tǒng)的動(dòng)作，以模擬實(shí)際種薯相對(duì)于傳感器的位置變化。

3.2 空間電容測(cè)量系統(tǒng)

空間電容測(cè)量系統(tǒng)由空間電容傳感器、前端信號(hào)處理電路、溫濕度傳感器、人機(jī)交互通道、通訊接口、CPU（GD32F407）以及上位機(jī)構(gòu)成?？臻g電容傳感器通過(guò)屏蔽線連接至前端信號(hào)處理電路，經(jīng)由/轉(zhuǎn)換電路（以MAX038為核心）和方波整形電路（以TLV3501為核心）后連接至CPU，CPU通過(guò)頻率測(cè)量后，進(jìn)一步完成/c轉(zhuǎn)換及后續(xù)處理。此外，為了便于系統(tǒng)在密閉環(huán)境下批量采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)與空間電容測(cè)量系統(tǒng)之間采用RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。具體的空間電容測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建方案見(jiàn)圖 4a，主要前端信號(hào)處理電路如圖4b所示。極板電纜接入MAX038CWP的COSC引腳和GND之間；電流調(diào)節(jié)端REF引腳接入4.7 kΩ電阻進(jìn)行輸出頻率配置，將FADJ引腳通過(guò)12 kΩ電阻接地禁止頻率微調(diào)，輸出信號(hào)頻率為

式中R為電流調(diào)節(jié)器輸入電阻，本研究取值4.7 kΩ；1為Max038CWP芯片所采用輸入電容，本研究取值范圍0.2～4 pF。

4 性能試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)有效性試驗(yàn)

為驗(yàn)證空間電容測(cè)量系統(tǒng)獲取電容信息的準(zhǔn)確性，恒溫恒濕箱中，在溫度15℃、相對(duì)濕度50%RH條件下，以數(shù)字電橋測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值（精度0.02%），以空間電容測(cè)量系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)作為測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，計(jì)算相對(duì)誤差。分別對(duì)空載及20、30、40mm立方種薯（隴薯7號(hào)，含水率70%～75%）負(fù)載情況下進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

結(jié)果表明，系統(tǒng)的檢測(cè)誤差<1%，誤差原因在于檢測(cè)系統(tǒng)采用測(cè)頻法獲取電容值，所用無(wú)源晶振存在一定的頻率擺動(dòng)。該系統(tǒng)的使用目標(biāo)是漏、重播判斷，其決策依據(jù)對(duì)電容本身的測(cè)量精度要求不是很高，因此，本文所設(shè)計(jì)的空間電容測(cè)量系統(tǒng)可以滿足需要。

4.2 溫濕度影響試驗(yàn)

由于不同溫濕度下的空氣相對(duì)介電常數(shù)存在差異，因而環(huán)境溫濕度有可能對(duì)空間電容測(cè)量結(jié)果造成影響。為此，分別開(kāi)展溫度和相對(duì)濕度變化對(duì)空間電容測(cè)量結(jié)果影響的試驗(yàn)，測(cè)試樣品為隴薯7號(hào)30 mm立方體。試驗(yàn)前，將樣品置于電容極板中央位置，直接測(cè)得空間電容最大值。

表1 系統(tǒng)檢測(cè)有效性試驗(yàn)結(jié)果

首先將已準(zhǔn)備好的試驗(yàn)平臺(tái)放入恒溫恒濕控制箱內(nèi)，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，溫度設(shè)定為10 ℃、保持濕度為50%RH，靜置試驗(yàn)平臺(tái)20 min，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行檢測(cè)。以5 ℃為梯度升高設(shè)定溫度，直至控制箱內(nèi)溫度升至55 ℃。每次調(diào)整后，待箱內(nèi)溫度變化指示穩(wěn)定5 min，讀取數(shù)字電橋示數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，濕度為50%RH條件下，當(dāng)溫度由10 ℃逐漸升高至55 ℃時(shí)，空載種勺空間電容傳感器的測(cè)量電容值由1.322 pF降低至1.315 pF，呈略微下降的趨勢(shì)；而種勺載種情況下，則由1.542 pF降低至1.535 pF，下降的趨勢(shì)與速度和空載時(shí)幾乎相同，其他濕度條件下電容變化的趨勢(shì)與基本相同。故進(jìn)行相對(duì)濕度變化對(duì)空間電容測(cè)量數(shù)值的影響試驗(yàn)時(shí)，保持溫度為15℃，濕度在20%RH～90%RH之間進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整恒溫恒濕箱，將溫度設(shè)定為15 ℃，濕度初值設(shè)定為20%RH，靜置試驗(yàn)平臺(tái)20 min，之后以5%RH為梯度升高箱內(nèi)濕度，直至達(dá)到90%RH。每次調(diào)整后，穩(wěn)定5 min，記錄測(cè)量結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

上述研究結(jié)果表明，溫度及濕度不同，空間電容測(cè)量值不同。因此，為了抵抗環(huán)境變化所造成的采樣數(shù)值波動(dòng)，需要定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和西北半干旱地區(qū)的作業(yè)實(shí)際情況[31]，本研究定義溫度15 ℃、濕度50%RH為馬鈴薯播種作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。具體環(huán)境溫濕度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)存在差異，應(yīng)將相關(guān)數(shù)據(jù)折算校正為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

式中為溫度影響斜率，由圖5可知，從10 ℃逐漸升高至55 ℃時(shí)，同一條件下測(cè)量電容的值均減小約0.07 pF，故=0.07/(55-40)=1.56×10-4pF/℃；為測(cè)試環(huán)境溫度，℃。

而后對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行校正，50%RH條件下的其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7所示，根據(jù)不同溫度下的環(huán)境濕度與空間測(cè)量電容值關(guān)系曲線會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同曲線之間的走向極為相似，因而可以采用15 ℃條件下不同濕度條件下電容實(shí)測(cè)值來(lái)繪制一條代表性曲線，而后通過(guò)偏移得到其他溫度下的校正曲線，曲線表達(dá)式見(jiàn)式（12），該模型的決定系數(shù)為0.996 9。

基于（12）式，濕度影響的校正因子可表達(dá)為

4.3 種薯質(zhì)量標(biāo)定

由圖8可知，本文所述標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的種薯凈電容變化量與種薯質(zhì)量之間均呈現(xiàn)線性關(guān)系，5組擬合方程決定系數(shù)分別為0.998 2、0.997 1、0.998 8、0.998 1以及0.998 6。因此通過(guò)測(cè)量空間電容傳感器的電容變化量最大值，可得到種薯質(zhì)量測(cè)量值的計(jì)算公式：

進(jìn)而依據(jù)所設(shè)定種薯質(zhì)量閾值推斷出是否有漏、重播事件發(fā)生，系統(tǒng)應(yīng)用方案見(jiàn)圖9所示。

注：CT為空間電容傳感器溫度校正函數(shù)；Cm為空間電容傳感器濕度校正函數(shù)；C0max為當(dāng)前環(huán)境下空間電容傳感器最大空載電容，F(xiàn)；M為經(jīng)過(guò)校正計(jì)算的種薯質(zhì)量，g。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

不同環(huán)境及種薯質(zhì)量條件下檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性試驗(yàn)表明，圖9所示系統(tǒng)應(yīng)用方案所獲種薯質(zhì)量的相對(duì)誤差<3%（由圖8原始數(shù)據(jù)得出）。雖然這一誤差并不小，但仍不足以對(duì)漏、重播判斷造成實(shí)質(zhì)性影響。因?yàn)榈湫头N薯的質(zhì)量約為40～50 g，所以，漏、重播判定依據(jù)可以按表2執(zhí)行。為驗(yàn)證基于電容變化信息種薯質(zhì)量獲取的馬鈴薯排種狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案的可靠性，搭建如圖10所示試驗(yàn)臺(tái)架。

1.空間電容傳感器 2.控制板 3.RS485通信轉(zhuǎn)換模塊 4.顯示屏 5.亞克力護(hù)種槽 6.動(dòng)力手柄 7.慢速熔斷器 8.種勺 9.控制系統(tǒng)電池（12V） 10.電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 11.光柵編碼器 12.漏播補(bǔ)償動(dòng)力電池 13.直流固態(tài)繼電器

試驗(yàn)臺(tái)架主要由空間電容傳感器、控制板、顯示屏、勺鏈?zhǔn)脚欧N系統(tǒng)及動(dòng)力手柄組成。控制板與圖 4a所示空間電容測(cè)量系統(tǒng)相同，用于空間電容值實(shí)時(shí)測(cè)量、排種狀態(tài)判斷及人機(jī)交互等；而顯示屏則能夠顯示實(shí)時(shí)電容檢測(cè)值、種薯質(zhì)量、排種狀態(tài)判斷結(jié)果和其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

依據(jù)GB18133-2012制定表2所示漏重播標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此可知，漏、重播之間的標(biāo)準(zhǔn)差距達(dá)50 g，因而漏、重播能被準(zhǔn)確識(shí)別的可能性較高。為此，準(zhǔn)備不同品種的大（65～90 g）、中（45～65 g）、?。?0～45 g）種薯各20個(gè)（含水率70%～75%）。操作試驗(yàn)臺(tái)架動(dòng)力手柄，帶動(dòng)勺鏈攜載種薯自下而上通過(guò)空間電容傳感器（線速度0.2～0.8 m/s），記錄顯示屏輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)完成試驗(yàn)。

表2 基于種薯質(zhì)量信號(hào)的漏重播判定準(zhǔn)則

注：為品種調(diào)節(jié)系數(shù)，本文取值在1.00～1.05之間，基準(zhǔn)數(shù)值對(duì)應(yīng)品種為隴薯7號(hào)。

Note:is the variety regulation coefficient,the value in this paper is between 1.00 and 1.05, the corresponding variety of the benchmark value is Longshu 7

為了充分測(cè)試本馬鈴薯排種狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，試驗(yàn)分為2個(gè)批次進(jìn)行。第一批次只進(jìn)行正常排種和漏播判斷，每個(gè)選定品種分別按照上述質(zhì)量分類(lèi)的大、中、?。ǚ謩e標(biāo)記為1、2、3）順序進(jìn)行。其中，正常排種測(cè)試時(shí)，每個(gè)取種勺中隨機(jī)放置對(duì)應(yīng)類(lèi)別種薯1粒，而漏播測(cè)試則只要使所有取種勺空置即可，各進(jìn)行20次測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所示。

第二批次只進(jìn)行重播判斷，不同組合只在同一品種之間進(jìn)行，每個(gè)取種勺均放置2粒種薯。按照本研究準(zhǔn)備的試品規(guī)格，1+1和1+2組合造成電容響應(yīng)遠(yuǎn)大于所劃定漏播閾值因而可被可靠地被判斷為重播；所以只考慮1+3、2+3、3+3三種組合的試驗(yàn)結(jié)果。這3種組合形式上全部為重播，但由于組合后的總質(zhì)量及測(cè)量存在客觀誤差，因而其存在理論上被判定為正常排種或漏播的可能性，結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表3 正常排種與漏播試驗(yàn)結(jié)果

表4 重播試驗(yàn)結(jié)果

表3結(jié)果表明，本試驗(yàn)測(cè)量范圍內(nèi)，各品種中等大小的種薯均能正確識(shí)別；而大種薯存在被判定為重播的可能性，小種薯則存在被判定為漏播的可能性。在300次測(cè)試中，共出現(xiàn)了7次誤判，占比為2.33%；而漏播試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于不同品種，其種勺均不置種，100次測(cè)試中，雖然由于采樣誤差得到的種薯質(zhì)量結(jié)果有正有負(fù)，但其絕對(duì)值都較?。ㄗ疃嗖怀^(guò)3 g），并未觸發(fā)誤判。

表4結(jié)果表明，未出現(xiàn)漏播現(xiàn)象，其原因?yàn)?粒種薯的總質(zhì)量均未低于漏播標(biāo)準(zhǔn)。然而，在180次測(cè)試中，共出現(xiàn)了5次正常排種誤判，占比為2.78%。誤判原因在于“小+小”組合的實(shí)際總質(zhì)量只比重播質(zhì)量稍大，而由于測(cè)量誤差卻顯示為該組合質(zhì)量小于重播質(zhì)量，因而誤將重播判定為正常排種。

6 結(jié) 論

本研究提出了利用種薯通過(guò)對(duì)置極板空間傳感器過(guò)程中電容的凈變化量來(lái)感知種勺中切塊種薯的狀態(tài)，由此獲得排種信息，主要研究結(jié)論如下：

1）基于ANSYS軟件完成了較為精準(zhǔn)的空間建模，確定了電容極板尺寸，初步驗(yàn)證了利用其進(jìn)行馬鈴薯排種狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可行性。

2）提出了以GD32F407為CPU、以MAX038為核心轉(zhuǎn)換元件的空間電容測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建方案。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以PLC控制器為核心的馬鈴薯運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)。定義了溫度15 ℃、濕度50%RH的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，并推導(dǎo)了測(cè)量過(guò)程中因種薯通過(guò)電容極板空間而引起的電容變化量計(jì)算公式，提出了基于空間電容測(cè)量值及種薯質(zhì)量的馬鈴薯排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用方案。

3）臺(tái)架試驗(yàn)表明：空間電容測(cè)量誤差在1%以內(nèi)，種薯質(zhì)量測(cè)量誤差小于3%。試驗(yàn)范圍內(nèi)未見(jiàn)漏播誤判，正常單粒播種被誤判為重播的概率為2.33%，而2.78%的重播被誤判為正常播種。該方案能夠一次性完成正常、漏播及重播的判斷，誤判主要發(fā)生在單粒種薯太大及雙粒種薯太小的條件下，屬于極端現(xiàn)象。

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Development of potato seed-metering state monitoring system based on space capacitance sensors

Zhu Liang1, Wang Guanping1※, Sun Wei1, Zhang Hua1, Liu Xiaolong1, Feng Bin1, Wang Chengjiang1, Sun Liping2

(1.,,730070,; 2.,733006,)

A spoon-type potato seed-metering has been widely used for easy preparation and seeding feasibility, due to its simple structure and low price, especially for small and medium-sized planters. But the relatively low reliability of seed-metering has led to the huge loss and significant reduction of yield, where the common miss-seeding rate can be about 5%-7%.Thetraditionalphotoelectric monitoring system cannot fully meet the high performance of anti-dust and anti-vibration. In this study, a new approach was proposed to construct a space capacitance sensor for the evaluation of seed-metering states and mass acquisition of seed potatoes. Specifically, the capacitance variation was obtained in the process of working seed spoon, when passing through the space surrounding the capacitor plates. A theoretical derivation was carried out first to evaluate the feasibility of the potato seed-metering state, according to the maximum net capacitance fluctuation (MNCF) signal. Furthermore, a Maxwell model was performed on the spatial capacitance sensor to determine the range of capacitance using the parameters and morphology of key components in a typical potato seeder. There was a direct influence of all parameters on the size of space capacitor plates to be constructed, including the shape of seed spoon, spoon chain, and the diameter of cutting seed tuber. Since the larger capacitance plates allowed for the higher base capacitance, there was no obvious fluctuation in the maximum net capacitance, when the seed tuber passed through the surrounding space. As such, the sensor sensitivity was reduced significantly. However, the misjudgment inevitably occurred, due to the insufficient sampling data, where the sampling frequency of the system was not enough, if the capacitor plate was too small, while the potato seed on the spoon moved quickly, particularly when the system working at a higher speed. Taking MAX038 as the core, the capacitance of the space capacitance sensor was indirectly obtained by/conversion-frequency measurement, and then the MNCF related parameters were calculated, according to Nyquist sampling. A special bench test of seed potato movement was also conducted under the constant temperature and humidity environment, thereby acquiring the regression models of temperature and humidity on the measured parameters. More importantly, the measurement data under different conditions was freely converted to a standard state. The specific parameters of the standard state were the temperature of 15℃ and humidity of 50% RH. In terms of different-sized seed potatoes with the same breed, there was a significant linear relationship between the MNCF and the weight. It was found that the system atic measurement error of spatial capacitance was less than 1%, and the error of seed potato mass acquisition was not more than 3%. The miss-seeding was determined accurately within the test range. Nevertheless, 2.33% of 1-seed normal-seeding was misjudged as the multi-seeding, and 2.78% of the 2-seeds multi-seeding was misidentified as normal-seeding, for the irregularity of test seeds. Misjudgment mainly occurred in an extreme case, particularly whether the single seed potato was too large, or the double seed potato was too small. Overall, the accuracy of the system was still higher than before. Correspondingly, the system performance under actual conditions can be widely expected to perform well on a complete judgment of normal-, miss- and multi-seeding at one time in the scheme. The finding can also provide a new reference for highly reliable monitoring of the potato seed-metering under severe dust and violent vibration environments.

sensors; monitoring; space capacitance; temperature and humidity; potato; seed metering status

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2021-06-09

2021-10-11

甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金（2020A-050）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51765004）；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)青年導(dǎo)師扶持基金項(xiàng)目（GSAU-QDFC-2019-10）

朱亮，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化。Email：zhulianghn163@163.com

王關(guān)平，博士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化。Email：wgp678@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.004

S24

A

1002-6819(2021)-20-0034-10