付彥濤，雷得超，金厚熙，李東洋，任守華

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，大慶 163319）

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的不斷推廣，精密播種技術(shù)已應(yīng)用于多種作物的種植，對農(nóng)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收和降低農(nóng)作物生產(chǎn)成本具有關(guān)鍵作用[1-3]。玉米的精密播種是科學(xué)種植玉米的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要作用通過各個國家的農(nóng)業(yè)實踐得到了充分驗證，是提高玉米產(chǎn)量的一項重要科學(xué)手段[4-5]。作為評估播種機(jī)性能的重要指標(biāo)，播種深度是否穩(wěn)定對玉米的出苗、作物生長以及糧食的最終產(chǎn)量都會產(chǎn)生很大影響。在保護(hù)性耕作條件下，免耕播種機(jī)在覆蓋殘茬的地表播種時，播種深度的穩(wěn)定性將受到較大影響[6-7]。且當(dāng)作業(yè)機(jī)車配帶免耕播種機(jī)在松軟、潮濕的土壤或土壤比阻比較大的地塊上耕作時，由于耕深和阻力變化比較大，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷不穩(wěn)定，耕深會不均勻，耕作質(zhì)量達(dá)不到農(nóng)藝要求[8-9]。和平牧場位于黑龍江農(nóng)墾西部，風(fēng)沙、干旱、鹽堿地覆蓋的松嫩平原中部地帶[10]，土壤質(zhì)地多樣化、降雨量少，春播季節(jié)風(fēng)力較為強(qiáng)勁，蒸騰作用大[11]。為切實解決傳統(tǒng)耕作方法所造成的水土流失嚴(yán)重、沙塵暴肆虐、生態(tài)環(huán)境惡劣等問題，和平牧場地區(qū)正在大力推廣具有顯著社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效應(yīng)的保護(hù)性耕作技術(shù)。免耕播種機(jī)作為保護(hù)性耕作技術(shù)實施的配套機(jī)具，其使用性能將直接影響著保護(hù)性耕作技術(shù)的應(yīng)用[12-13]。

播種深度是開溝器開溝、土壤回流和覆土輪鎮(zhèn)壓共同作用的結(jié)果，人工不易測量，現(xiàn)有測量方法均是在忽略種子落土彈跳的條件下，將播種單體開溝深度作為種子播種深度[14-15]。在設(shè)計本監(jiān)測系統(tǒng)時，通過文獻(xiàn)查閱以及后續(xù)田間試驗的開展，綜合整理玉米播種深度穩(wěn)定性的影響因素[16-17]。綜合考量玉米播種深度的多種測量技術(shù)方法之后，提出一種基于拉線式位移傳感器的玉米播種機(jī)播深檢測的方法。設(shè)計并制定播深檢測裝置硬件電路以及播深檢測軟件的流程，研究并設(shè)計播種機(jī)播種深度實時監(jiān)控系統(tǒng)后，通過開展田間播深監(jiān)測評價試驗并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步對系統(tǒng)功能進(jìn)行完善[18-19]。通過拉線式位移傳感器對機(jī)架與仿形輪間的相對位移進(jìn)行檢測，從而判斷開溝深淺。經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式對實時播深數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，最終在駕駛室內(nèi)的主控機(jī)顯示屏實時顯示。有效檢測種子播深，能較好地控制種子發(fā)芽率、出苗率，提高種子出苗整齊度，發(fā)揮群體增產(chǎn)優(yōu)勢[20]，進(jìn)而提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，完全滿足實際生產(chǎn)需求。針對玉米免耕播種機(jī)播深實時監(jiān)測系統(tǒng)所進(jìn)行的研究，在實現(xiàn)玉米精密播種、實現(xiàn)保護(hù)性耕作的過程中有著重要而廣泛的應(yīng)用空間。另一方面，智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)作為我國發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支撐，怎樣實現(xiàn)播種機(jī)作業(yè)過程的智能監(jiān)測是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的首要問題，也是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)[21]。

1 播深實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 實驗對象及主要技術(shù)參數(shù)

本研究選用吉林省大元農(nóng)用機(jī)械有限公司生產(chǎn)的2BMZF-2型免耕指夾式精量施肥播種機(jī)作為試驗平臺，該型號播種機(jī)可一次完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等工序。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2BMZF-2型指夾式免耕播種機(jī)Fig.1 BMZF-2 Finer clip no tillage till planter

2BMZF-2型免耕指夾式精量施肥播種機(jī)采用機(jī)械牽引式結(jié)構(gòu)，配套22-37KW牽引機(jī)車，整機(jī)由牽引梁、機(jī)架、施肥機(jī)構(gòu)、秸稈和雜草清理機(jī)構(gòu)、排種機(jī)構(gòu)、仿形整形機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓輪、仿形輪、地輪、傳動機(jī)構(gòu)等部分組成，外觀尺寸2 900 mm×2 050 mm×1 480 mm，由兩部單體組成，作業(yè)速度6~8 km·h-1，該機(jī)采用進(jìn)口指夾式排種器，適用于玉米秸稈全覆蓋免耕播種、留茬地塊免耕播種和常規(guī)播種，一次進(jìn)地完成側(cè)深施肥，種床整形，圓盤開溝，單粒播種，覆土重鎮(zhèn)壓等作業(yè)。2BMZF-2型免耕指夾式精量施肥播種機(jī)在實際作業(yè)中采用機(jī)械式播深控制裝置，通過人工調(diào)節(jié)仿形輪限位機(jī)構(gòu)的方式預(yù)設(shè)播種深度參數(shù)，因此在機(jī)具運(yùn)行時無法隨時觀測播種深度，為了解決以上問題，依據(jù)仿形輪與機(jī)具相對位置的變化量來反映實時播種深度的原理，設(shè)計了播深采集裝置，能有效解決實時播深數(shù)據(jù)采集的問題。

1.2 播深測量原理

通過拉線式位移傳感器對仿形輪與機(jī)架間相對位移進(jìn)行檢測，所得到的開溝深度即為播種深度，傳感器安裝位置圖如下圖2所示。

圖2 WXY31型拉線式位移傳感器安裝位置圖Fig.2 Installation position of WXY31 pull wire displacement sensor

播種深度測量原理示意圖如下圖3所示。

圖3 播深測量Fig.3 Principle diagrams of sowing depth measurement

在圖3中有如下關(guān)系：

式中：L—仿形輪中心點(diǎn)到機(jī)架邊緣的距離，cm；

R—播種機(jī)仿形輪的半徑記為，cm；

△L—是傳感器所檢測到的播種機(jī)機(jī)架與仿形輪的相對位移，cm；

H—機(jī)架邊緣到開溝器的相對距離，cm；

h—播種作業(yè)深度的初始值，cm；

h′—播種深度，cm；

△h—仿形輪受力變形量和覆土厚度帶來的播種深度補(bǔ)償量，cm。

播種機(jī)單體作業(yè)過程中，仿形輪胎面形變和種上覆土?xí)绊懖ド顪y量準(zhǔn)確性，其中，種上覆土厚度可通過調(diào)節(jié)覆土輪對地壓力來改變，對裝置試驗發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定相同覆土壓力情況下，覆土厚度基本不變，而仿形輪胎面因其自身材質(zhì)及土壤相互作用，作業(yè)過程中形變較小。因△h與地塊土壤特性有關(guān)，為保證測量準(zhǔn)確性，可通過作業(yè)前進(jìn)行田間取樣標(biāo)定來獲得△h。在上述變量已知的情況下，測量仿形輪與機(jī)架間相對位移即可求得播種深度h′。

1.3 系統(tǒng)組成及功能

播深實時監(jiān)測系統(tǒng)分為人機(jī)交互模塊、播深信息采集模塊、報警單元和無線通信模塊四個部分，系統(tǒng)組成如圖4所示。

各部分實現(xiàn)功能如下：

（1）人機(jī)交互模塊：在玉米播種作業(yè)之前，用于先行設(shè)置玉米種植的播深作業(yè)參數(shù)。顯示機(jī)車作業(yè)行進(jìn)的速度以及作業(yè)面積、播種量、播種深度、株距等作業(yè)信息。警報啟動后顯示故障信息。

（2）播深信息采集模塊：選用WXY31型拉線式位移傳感器，將傳感器安裝于播種機(jī)機(jī)架與仿形輪之間，安裝位置如圖4所示。當(dāng)液壓傳動裝置將播種單體抬升離開地面時為系統(tǒng)初始化狀態(tài)，記錄初始數(shù)值，按照播種單體下落程度確定播深。機(jī)車行進(jìn)時，仿形輪與機(jī)架間產(chǎn)生相對位移，微處理器將測量的實時播深數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸至車載計算機(jī)進(jìn)行實時顯示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.4 System composition diagram

（3）報警單元：當(dāng)檢測到的播種深度與播種之前所設(shè)定的要求不相符合時，聲光報警器將發(fā)出警報。

（4）無線通信系統(tǒng)：無線通信模塊連接控制器和上位機(jī)，用于傳送該系統(tǒng)上位機(jī)給定的播深設(shè)定結(jié)果以及下位機(jī)所檢測到的實際播種深度等數(shù)據(jù)。

1.4 硬件設(shè)計原理

播種深度監(jiān)測裝置的硬件電路原理如圖5所示。在機(jī)車作業(yè)過程中，拉線式位移傳感器采集到播種機(jī)的開溝作業(yè)深度，獲得播深數(shù)據(jù)的模擬信號。濾波電路把采集到的模擬信號先進(jìn)行濾波處理，再傳送至主控芯片。當(dāng)播種深度與之前所設(shè)定的要求不相符合時，聲光報警器將發(fā)出警報。同時，微處理器將測量的播深數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸至車載計算機(jī)實時顯示并對玉米播種作業(yè)的完成情況予以評價，以便進(jìn)一步實現(xiàn)更為精密的播種作業(yè)。

圖5 下位機(jī)系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Composition block diagram of lower computer system

1.5 軟件流程

所制定的實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。下位機(jī)主要實現(xiàn)的是檢測并處理傳感器傳出的模擬信號，包括對數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行邏輯判斷的功能和向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)的通信功能。開始部分包括初始化程序，重點(diǎn)是檢測拉線的初始狀態(tài)是否在原始位置上，以保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

圖6 播深檢測軟件流程圖Fig.6 Depth detection software flow chart

1.6 通信協(xié)議

采集數(shù)據(jù)共有2個節(jié)點(diǎn)，為了確保上位機(jī)能及時的收到下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)安裝了兩個通信模塊，一個用于發(fā)送指令，地址為01；一個用于接收數(shù)據(jù)，地址為100。系統(tǒng)中下位機(jī)地址為10和20，在通信協(xié)議中分為兩種通信格式，一是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出的命令，二是下位機(jī)向上位機(jī)返回的數(shù)據(jù)信息或狀態(tài)信息。

上位機(jī)向下位發(fā)送指令共4個字節(jié)，數(shù)據(jù)通信格式如表1所示。

表1 上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的指令格式Table 1 Instruction format sent by upper computer to lower computer

下位機(jī)向上位機(jī)返回的指令共6個字節(jié)，數(shù)據(jù)通信格式如表2所示，其中第四、第五字節(jié)分別表示播深數(shù)值的整數(shù)部分和小數(shù)部分。

表2 下位機(jī)向上位機(jī)返回的指令格式Table 2 Instruction format returned from lower computer to upper computer

2 試驗與結(jié)果分析

播深監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室設(shè)計完成并測試后，于2021年春播季節(jié)開展田間試驗，試驗地位于大慶市大同區(qū)和平牧場東風(fēng)管理區(qū)。試驗樣地上玉米經(jīng)收獲后，存在大量秸稈殘茬，地表略有起伏，留茬適中。

結(jié)合試驗樣地土壤墑情及形狀，任意選取2行作業(yè)壟，每行選取100米共計200個測試點(diǎn)，開展三次試驗。為測試不同速度下各單體行播種深度監(jiān)測效果，沿拖拉機(jī)前進(jìn)方向分4段遞增車速，調(diào)節(jié)并設(shè)定種深55 mm，實際作業(yè)中，控制各段地塊拖拉機(jī)速度分別為5、6、7 8 km·h-1。試驗前，先行通過田間取樣標(biāo)定來獲得Δh，并在試驗前旋轉(zhuǎn)播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保持調(diào)節(jié)播深一致。在玉米播種作業(yè)以后，使用自制的測量工具，采集并記錄下播種深度的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算分析后，最終得到播種的合格率以及播種深度的變異系數(shù)等相關(guān)的評價參數(shù)。與播深監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)所記錄的播種深度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，檢驗兩份數(shù)據(jù)之間存在的差異是否顯著，并做進(jìn)一步深入探討分析，逐步完善該監(jiān)測系統(tǒng)的功能。

圖7 田間試驗Fig.7 Field experiment

采用手動方式設(shè)置播種機(jī)播深限位器至55 mm，在不同作業(yè)速度下進(jìn)行播種操作，隨機(jī)選取每行25個采集點(diǎn)記錄系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)，同時記錄人工測量數(shù)據(jù)，第一行和第二行實測數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 第一行不同作業(yè)速度下播種深度測量值與人工檢測值Table 3 Measured values of sowing depth and manual detection values under different operating speeds

表4 第二行不同作業(yè)速度下播種深度測量值與人工檢測值Table 4 Measured values of sowing depth and manual detection values under different operating speeds

從表3、表4中可以看出，相比播種深度監(jiān)測值，實際測量獲得數(shù)值波動較大，整體布局相對分散，可能與種溝完整程度以及地表殘茬厚度帶來的人為測量不穩(wěn)定性有關(guān)。對播種深度檢測值和實際值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理結(jié)果如表5所示。其中，播種深度合格率的相對誤差最大值為24.32%，所以認(rèn)定該系統(tǒng)有效率在75%以上。

表5 不同作業(yè)速度下播種深度測量Table 5 Field experiment results

3 討論

采用拉線式位移傳感器來檢測仿行輪與機(jī)架間相對位移進(jìn)而獲取播種深度的方法，很好地解決了免耕播種機(jī)具運(yùn)行時無法隨時觀測播種深度的問題，同時通過信號傳遞，可將播深數(shù)據(jù)及播種評價結(jié)果即時顯示。

在播深監(jiān)測方面的眾多研究中，流行的監(jiān)測系統(tǒng)主要分為機(jī)械式報警器、機(jī)電信號式報警器和電子儀器式監(jiān)視裝置等三種?？紤]到播種深度測量的精度需求，為減小殘茬、光照等因素的影響，現(xiàn)有研究多采用接觸式測量方法，其主要是通過測量機(jī)具上仿形部件偏轉(zhuǎn)位移得到開溝深度。其中，包括研制監(jiān)測播種排種株距均勻性和漏播、重播的電子儀器；研制將機(jī)械結(jié)構(gòu)與集成電路相結(jié)合用來監(jiān)視播種作業(yè)工況的電子監(jiān)視精密播種機(jī)；檢測開溝器和后置仿形輪的相對距離，通過計算得到開溝深度；使用角度傳感器測量小麥的播種深度；用電位器式傳感器檢測開溝深淺。分析發(fā)現(xiàn)，測量仿形輪與機(jī)架間相對位移（即開溝深度）的方式則更直接。前文所述播深監(jiān)測系統(tǒng)也正是在以往檢測播種機(jī)開溝深度作為播種深度的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的改良，與其他方法獲得播種深度相較而言，改良后的操作方法更為便捷直觀，適用也更為廣泛，最重要的是拉線式位移傳感器能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，易于安裝與維護(hù)，利于試驗研究。

在開展試驗驗證系統(tǒng)功能的過程中需要注意這樣一些問題:（1）對播種深度進(jìn)行人工測量的操作過程要認(rèn)真細(xì)致，盡可能減少測量所帶來的誤差。（2）監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的時間節(jié)點(diǎn)以及時間間隔的掌控是否滿足系統(tǒng)要求。（3）對試驗數(shù)據(jù)更為直觀呈現(xiàn)的處理方式的深層次逐步探索。

基于以上幾點(diǎn)問題的考慮，提出以下幾點(diǎn)關(guān)于進(jìn)一步開展研究的建議：（1）制作人工播深檢測手提裝置，可在壟間提行的鋼構(gòu)框架和紅外測距儀的結(jié)合，使得人工測量較大程度減少誤差。（2）根據(jù)作業(yè)播種機(jī)排種口實際高度設(shè)定播深數(shù)據(jù)采集的時間間隔t秒。設(shè)定監(jiān)測系統(tǒng)在光敏傳感器檢測到種子下落后t秒后開始采集拉線式位移傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，其中，要根據(jù)自由落體運(yùn)動規(guī)律計算好種子下落時間，以防數(shù)據(jù)檢測不完全，對結(jié)果造成影響。（3）在綜合考量機(jī)車作業(yè)速度、地塊區(qū)間差異和人工測量誤差等綜合誤差的同時，應(yīng)進(jìn)一步研究如何讓監(jiān)測系統(tǒng)更好地實現(xiàn)對播種深度的監(jiān)測評價功能。

為了開發(fā)性能優(yōu)良的播種機(jī)具，很多學(xué)者一直致力于精密播種機(jī)的基礎(chǔ)理論和試驗研究，注重關(guān)鍵部件的理論和整機(jī)試驗研究，所研制的各類精密播種機(jī)具在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。面向未來，關(guān)于精密播種的研究和推廣的技術(shù)水平將越來越高，而使用監(jiān)測數(shù)據(jù)，并依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步對播種深度進(jìn)行現(xiàn)場評價是有著更為廣泛的實際應(yīng)用價值。在實現(xiàn)播深實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，應(yīng)逐步探索播深的控制研究，使精密播種理論得到進(jìn)一步的發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計并構(gòu)建一種玉米免耕播種機(jī)播深實時監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行試驗研究，該監(jiān)測系統(tǒng)采用拉線式位移傳感器檢測仿行輪與機(jī)架間相對位移來獲取播種深度的方法來采集播種深度的數(shù)據(jù)，避免了復(fù)雜作業(yè)環(huán)境對播深監(jiān)測的干擾。

（2）播深監(jiān)測評價系統(tǒng)可實時顯示各播種單體行的播深數(shù)值，同時，上位機(jī)也可以根據(jù)播種之前所設(shè)定的播種深度標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)對該作業(yè)地塊播種作業(yè)狀況的評價，為后續(xù)播種提供參考，以便于更好決策。

（3）玉米播種深度監(jiān)測的試驗表明，在作業(yè)機(jī)車不同作業(yè)的車速下，系統(tǒng)監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)，平均播深、合格率、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的最大值分別為56.11 mm、100.00%、3.95 mm和7.3%，幾項作業(yè)指標(biāo)的相對誤差分別處于1.9%～4.81%、7.89%～24.32%、0.89%～5.46%和0.22%～3.16%之間，免耕播種機(jī)播深實時監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對玉米播種深度的監(jiān)測功能。