王昊禹　孟玄　李園杰　屈哲　李祥付

摘要：播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié)，精細(xì)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著全自動(dòng)化和智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。以精密播種為主題，綜述了國(guó)內(nèi)外高校、科研院所和廠商研發(fā)的具有代表性的系統(tǒng)平臺(tái)的研究進(jìn)展，包括農(nóng)機(jī)信號(hào)總線、農(nóng)用機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、精密播種控制系統(tǒng)，并提出了精細(xì)農(nóng)業(yè)在播種環(huán)節(jié)未來(lái)的發(fā)展方向：加快研究并推廣變量播種系統(tǒng)的使用、設(shè)計(jì)新型或改進(jìn)現(xiàn)有光電式播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器提高其適用性，同時(shí)繼續(xù)加大農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合，最終減少人工投入，提高機(jī)械的農(nóng)田工作效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：精細(xì)農(nóng)業(yè);智能化;控制系統(tǒng)

0 引言

精細(xì)農(nóng)業(yè)是由國(guó)外率先提出的一種高效、高質(zhì)量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。國(guó)外精細(xì)農(nóng)業(yè)正式實(shí)踐起源于約1996年，在1997年度收獲季里，美國(guó)有約3%的聯(lián)合收割機(jī)上安裝使用了產(chǎn)量監(jiān)控裝置[1]。國(guó)內(nèi)，汪懋華[2]最早提出將“Precision Agriculture”譯作“精細(xì)農(nóng)作”（即精細(xì)農(nóng)業(yè)），指出其核心是獲取不同農(nóng)田小區(qū)域內(nèi)的作物產(chǎn)量和影響作物生長(zhǎng)因素后對(duì)不同地塊進(jìn)行“變量處理”，即“處方農(nóng)作”。

精密播種技術(shù)屬于精細(xì)農(nóng)業(yè)的分支，是指使用精密播種機(jī)械，按照待播作物相對(duì)應(yīng)的播種農(nóng)藝要求，如播量、播深、播距等將種子播入土壤中的播種方式。相較于傳統(tǒng)播種方式，精密播種具有著播量精確、播深播距穩(wěn)定、節(jié)省種子等多種優(yōu)勢(shì)。本文綜述了具有代表性的精密播種技術(shù)，并提出了精密播種未來(lái)的研究方向，為深入研究精細(xì)農(nóng)業(yè)提供了參考。

1 總線技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

總線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，常用的總線包括IIC總線、SPI總線、RS485總線以及CAN總線等，各類(lèi)總線技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用為農(nóng)用機(jī)械控制系統(tǒng)高效處理大量信息、提高播種質(zhì)量打下了基礎(chǔ)。

1.1 IIC和SPI總線技術(shù)

IIC總線和SPI總線往往用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的某個(gè)模塊化功能。IIC（Inter-Integrated Circuit，集成電路總線），由Philips公司提出，目的是讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)用以連接低速周邊設(shè)備，通訊時(shí)僅使用SDA和SCL兩根數(shù)據(jù)線就可以完成數(shù)據(jù)傳輸，但傳輸速度較慢。

SPI（Serial Peripheral interface，串行外圍設(shè)備接口）由Motorola公司提出，使四根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘校時(shí)等工作，相對(duì)IIC來(lái)說(shuō)速度更快，是一種高速全雙工通信總線。

盧文景[3]使用IIC通信協(xié)議進(jìn)行了樹(shù)莓派和51單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)種植系統(tǒng)中IIC傳感器的數(shù)據(jù)采集。陳曉棟[4]使用AT86RF212無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了780MHz無(wú)線通訊模塊的設(shè)計(jì)，使用SPI配合天線進(jìn)行無(wú)線通信。

由于在精密播種的過(guò)程中，往往面臨著數(shù)據(jù)量大、拓展性要求高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以一般不用采用這二者做大量的瞬時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，多用于小型模塊化功能實(shí)現(xiàn)以及和存儲(chǔ)器如EEPROM、FLASH等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.2 RS485總線技術(shù)

RS485 總線為半雙工通信方式，主從無(wú)法同時(shí)進(jìn)行通訊，在傳輸距離和可拓展節(jié)點(diǎn)數(shù)等性質(zhì)上優(yōu)于RS232。但是當(dāng)RS485的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換較慢、占用CPU資源較高等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，王書(shū)根等[5]提出一種針對(duì)串行鏈路的通訊方法，在上位機(jī)與各從站節(jié)點(diǎn)間增加主站，能夠提高系統(tǒng)獨(dú)立性，加快系統(tǒng)從故障中恢復(fù)的速度。RS485由于組網(wǎng)較為方便，在多節(jié)點(diǎn)通訊中使用廣泛，郭慶等[6]設(shè)計(jì)了基于RS485總線的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，盧嫚[7]基于RS485總線通信基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境因子的采集和遠(yuǎn)距離通信。

由于RS485總線存在通信的吞吐量較低、實(shí)時(shí)性較差、從機(jī)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大且從機(jī)間通信難度大等缺點(diǎn)，現(xiàn)在農(nóng)用機(jī)械中使用較為廣泛的為CAN總線。

1.3 CAN總線技術(shù)

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）由BOSCH公司提出，現(xiàn)在已經(jīng)成為了國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線具有通訊速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)。其最早應(yīng)用時(shí)解決了汽車(chē)控制系統(tǒng)中大量傳感器數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題，由于精密播種高拓展性和大量數(shù)據(jù)的要求，CAN總線被逐步引入到農(nóng)機(jī)中，并形成了完善的農(nóng)用拖拉機(jī)控制協(xié)議國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11783。

現(xiàn)在，CAN總線已經(jīng)發(fā)展至農(nóng)用拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的方方面面，包括：（1）耕作和播種;（2）施肥和植物保護(hù);（3）產(chǎn)量監(jiān)控;（4）機(jī)械導(dǎo)航等。胡煉等設(shè)計(jì)了分布式插秧機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，分別用3 個(gè)從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向控制、變速控制以及插秧機(jī)具升降控制，該插秧機(jī)還搭配了差分定位技術(shù)，能夠在較高精度下自主完成路徑跟蹤、轉(zhuǎn)向、變速以及插秧等操作。目前，CAN總線因其極強(qiáng)的可拓展性和不會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整體系統(tǒng)癱瘓的明顯優(yōu)勢(shì)成為了最具有潛力的農(nóng)用機(jī)械總線技術(shù)。

2 農(nóng)用機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

農(nóng)用機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、控制器、車(chē)輛底盤(pán)等構(gòu)成，是精細(xì)農(nóng)業(yè)最重要的環(huán)節(jié)之一，可以提高生產(chǎn)效率、減少人工投入。上世紀(jì)末，Thomas Bell等[8]在John Deere 7800型拖拉機(jī)平臺(tái)上開(kāi)展了基于載波相位差分定位系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其系統(tǒng)航向角的精度為1°，水平偏差為2.5cm，有著較高的定位精確度。國(guó)內(nèi)，胡煉和羅錫文等[9]設(shè)計(jì)了DGPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)如圖一所示，其機(jī)器位置信息的獲取使用RS232總線，其余功能節(jié)點(diǎn)的通訊均使用CAN總線，在拖拉機(jī)行進(jìn)速度為 0.8m/s時(shí)，直線跟蹤的最大誤差小于0.15m，平均跟蹤誤差小于0.03m。

目前，我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)大多由非農(nóng)機(jī)制造企業(yè)研制，主要功能是通過(guò)北斗衛(wèi)星定位實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)直線作業(yè)路線的自動(dòng)跟蹤行走。以合眾思?jí)选盎坜r(nóng)”北斗農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛產(chǎn)品為例[10]，該產(chǎn)品主要組成包括：便攜式或固定式基站、GNSS定位裝置、姿態(tài)傳感器、智能駕駛控制器、轉(zhuǎn)向輪角度傳感器、壓力傳感器、液壓轉(zhuǎn)向電磁閥組和顯示終端等。其直線控制精度達(dá)到了2.5cm，可支持的作業(yè)速度為3～16km/h。

近年來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展迅速，2020年6月23日，北斗三號(hào)組網(wǎng)的最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，標(biāo)志著B(niǎo)DS（BeiDou Navigation Satellite System，中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）組網(wǎng)順利完成，北斗衛(wèi)星的建設(shè)對(duì)于我國(guó)國(guó)家安全起到了重要作用。

3 精密播種控制系統(tǒng)

3.1 播種變量控制技術(shù)

早期的機(jī)械式播種機(jī)往往使用地輪驅(qū)動(dòng)排種軸帶動(dòng)所有排種盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，近年來(lái)，精密排種器已經(jīng)開(kāi)始由純機(jī)械式向著電控單體式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。電驅(qū)排種器的研究促進(jìn)了變量播種控制系統(tǒng)的發(fā)展，使得同一播種機(jī)的不同排種器能夠按照不同的密度進(jìn)行播種，從而提高播種質(zhì)量，減少種子浪費(fèi)。播種機(jī)常常配有多行排種器單體，如果想要對(duì)每個(gè)排種器的播種工況進(jìn)行控制同時(shí)了解每個(gè)排種器的工作情況，主要有以下兩種方式：（1）分別對(duì)每個(gè)排種單體都使用獨(dú)立的單片機(jī)或其他小型微機(jī)模塊進(jìn)行控制;（2）設(shè)計(jì)多點(diǎn)可拓展式控制系統(tǒng)，將各個(gè)排種單體和主控制單元進(jìn)行主從方式的連接。不難看出，雖然兩種方式都具有較強(qiáng)的可拓展性，但是第一種方式對(duì)系統(tǒng)資源沒(méi)有很好的達(dá)成利用，而且明顯提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冗余度。因此，在實(shí)際機(jī)械上多采用第二種方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的布置。

如本文第一章所述，在農(nóng)用信號(hào)總線標(biāo)準(zhǔn)制定后，基于CAN總線的變量播種控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了精密播種領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。早期機(jī)械式排種器基本都采用了地輪驅(qū)動(dòng)的方式，在播種時(shí)易出現(xiàn)打滑，此時(shí)則會(huì)導(dǎo)致播種質(zhì)量的下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，早期精密播種機(jī)使用編碼器測(cè)速的方式來(lái)代替地輪進(jìn)行速度的獲取，但在高速時(shí)依然不能夠很好地控制排種精度[11-13]。由于衛(wèi)星定位技術(shù)精度的發(fā)展，GPS代替編碼器進(jìn)行測(cè)速的方式被證明更加適合高速時(shí)精密播種的要求。已經(jīng)有學(xué)者通過(guò)研究表明，傳統(tǒng)地輪排種器驅(qū)動(dòng)方式可以由電驅(qū)驅(qū)動(dòng)排種單體的方式替代。

3.2 播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)

為了對(duì)播種質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，機(jī)器需要在排種器上安裝播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。播種監(jiān)測(cè)的方法有很多，常用的方法為使用安裝在落種管處的光電、電容式傳感器以及高速攝像機(jī)來(lái)進(jìn)行種子的通過(guò)性測(cè)量[14-15]，并根據(jù)車(chē)輛的行走速度以及兩粒種子下落的時(shí)間間隔來(lái)判斷是否有種子出現(xiàn)了重播漏播等現(xiàn)象。光電傳感器價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)播種監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)中，但由于農(nóng)機(jī)具工作環(huán)境較為惡劣，在工作一段時(shí)間后傳感器會(huì)因?yàn)榛覊m覆蓋等原因而導(dǎo)致失靈。使用高速攝像機(jī)和圖像處理技術(shù)的方式能夠精確捕捉小型種子，同時(shí)可以辨認(rèn)出種子重疊的情況，但價(jià)格昂貴，較難推廣使用。設(shè)計(jì)一種高精度低成本的新型監(jiān)測(cè)方式，或者通過(guò)硬件與算法的重新部署從而改進(jìn)光電監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)將成為未來(lái)播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

得益于GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的民用化、農(nóng)用化，農(nóng)用機(jī)械有了可以支撐其快速精確作業(yè)的平臺(tái)。同時(shí)，高速精密排種器和播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也不斷發(fā)展，用衛(wèi)星測(cè)速帶動(dòng)排種器進(jìn)行工作的方式成為了減少傳統(tǒng)播種機(jī)地輪打滑問(wèn)題的有效解決方案。隨著研究的不斷推進(jìn)，精密播種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和對(duì)可拓展性能的要求逐漸增加，傳統(tǒng)小型設(shè)備總線已無(wú)法滿(mǎn)足其性能要求，而CAN總線因其在大量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的優(yōu)越性成為了現(xiàn)在大型精密播種控制系統(tǒng)中最常用的信號(hào)總線。

變量播種系統(tǒng)目前仍處于研發(fā)階段，需要加大對(duì)該系統(tǒng)的投入，相關(guān)技術(shù)包括處方圖的生成技術(shù)、變量播種的農(nóng)機(jī)通用平臺(tái)開(kāi)發(fā)等。光電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)上文已提及，此處不再重復(fù)描述，需要對(duì)傳統(tǒng)的光電式監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或者設(shè)計(jì)新型監(jiān)測(cè)傳感器，從而達(dá)到在長(zhǎng)時(shí)間的工作條件下穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的目的。氣力式排種器雖然研發(fā)較早，但是并未大量普及，相關(guān)機(jī)構(gòu)要加快農(nóng)機(jī)更新?lián)Q代。農(nóng)業(yè)工作者還應(yīng)當(dāng)持續(xù)推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合，最大化利用農(nóng)業(yè)機(jī)械，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1] T.Gemtos，S.Fountas ，B.S.Blackmore，H.W.Greipentrog，何致瑩.歐洲精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[J].世界農(nóng)業(yè)，2006（10）：21-24.

[2] 汪懋華.“精細(xì)農(nóng)業(yè)”發(fā)展與工程技術(shù)創(chuàng)新[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999（1）：7-14.

[3] 盧文景.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2015.

[4] 陳曉棟.基于物聯(lián)網(wǎng)的谷子大田苗情監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)研究[D].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[5] 王書(shū)根，王振松，劉曉云.Modbus協(xié)議的RS485總線通訊機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2011，26（5）：25-28.

[6] 郭慶，冀捐灶，王學(xué)德.基于RS485總線的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006（7）：14-16.

[7] 盧嫚.基于RS-485總線的溫室多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[8] Thomas Bell.Automatic tractor guidance using carrier-phase differential GPS[J].Computers and Electronics in Agriculture，2000，25（1）：53-66.

[9] 羅錫文，張智剛，趙祚喜等東方紅X-804拖拉機(jī)的DGPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）：139-145.

[10] 張智剛，王進(jìn)，朱金光，等.我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2018，38（18）：23-27.

[11] 丁友強(qiáng)，楊麗，張東興，等.基于GPS測(cè)速的電驅(qū)式玉米精量播種機(jī)控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（8）：42-49.

[12] 佚名.智能化精確變量播種施肥技術(shù)與裝備[J].食品工業(yè)，2020，41（9）：185.

[13] 苑嚴(yán)偉，白慧娟，方憲法，等.玉米播種與測(cè)控技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（9）：1-18.

[14] 劉洪強(qiáng)，馬旭，袁月明，等.基于光電傳感器的精密排種器性能檢測(cè)[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（3）：347-349，354.

[15] 周利明，王書(shū)茂，張小超，等.基于電容信號(hào)的玉米播種機(jī)排種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（13）：16-21.