摘 要 長期以來，農(nóng)民判斷播種質(zhì)量的優(yōu)劣都是憑經(jīng)驗、靠感覺。隨著農(nóng)業(yè)機械化、智能化的飛速發(fā)展，這種方式將逐步被淘汰。近年來，國內(nèi)外科研工作者基于各種類型的播種機、排種器做了很多播種監(jiān)測方面的研究。為了更好地適應(yīng)發(fā)展需求，綜述了國內(nèi)外主要播種監(jiān)測技術(shù)（壓電監(jiān)測法、光電監(jiān)測法、電容監(jiān)測法、機器視覺+圖像監(jiān)測法等）的工作原理、系統(tǒng)組成、適用對象及相關(guān)研究進展，提出了我國未來播種監(jiān)測的3個發(fā)展方向：1）向高頻、寬輻方向發(fā)展，研發(fā)適應(yīng)高頻、寬幅的播種監(jiān)測系統(tǒng)；2）將播種監(jiān)測系統(tǒng)中融入高精度的定位系統(tǒng)，實現(xiàn)在播種作業(yè)過程中實時生成播量圖、播種性能指標(biāo)狀態(tài)圖；3）針對目前各類型監(jiān)測系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的抗干擾能力差、適應(yīng)性差等問題，開發(fā)出適合我國各類型播種機的傳感系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 播種監(jiān)測；機械化；工作原理；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展方向

中圖分類號：S223.2 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.05.049

中國耕地面積不到全球的7%，卻要養(yǎng)活占全球22%的人口。因此，我們必須為農(nóng)作物創(chuàng)造最佳的條件，來實現(xiàn)盡可能高的農(nóng)作物產(chǎn)量。播種作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中非常重要的一環(huán)，播種質(zhì)量的好壞將直接影響農(nóng)作物產(chǎn)量的高低。

隨著農(nóng)業(yè)機械化的全面推廣，播種作業(yè)普遍采用各種類型的播種機來實現(xiàn)。排種器作為播種機的核心部件，其排種質(zhì)量的好壞對播種質(zhì)量將產(chǎn)生直接影響。目前，播種機上使用的各類型排種器通常是封閉的，我們無法通過肉眼觀察到排種質(zhì)量的好壞。排種器一旦出現(xiàn)堵塞、缺種等情況，就會大大影響播種質(zhì)量。如果后期出苗后，在漏播的位置上補苗，不僅費時費力，而且會嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。如果能夠在播種作業(yè)過程中及時發(fā)現(xiàn)缺種、漏播等情況，就能夠及時采取措施減少損失。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者普遍采用壓電監(jiān)測法、光電監(jiān)測法、電容監(jiān)測法、機器視覺+圖像監(jiān)測法實現(xiàn)對播種質(zhì)量的監(jiān)測。為了更好地適應(yīng)發(fā)展需求，本文在介紹了國內(nèi)外主要播種監(jiān)測技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)組成、適用對象等的基礎(chǔ)上，分析了播種監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢。

1" 研究現(xiàn)狀

1.1" 壓電監(jiān)測法

1.1.1" 工作原理

壓電監(jiān)測法主要使用的是各類型的壓電薄膜材料[如聚偏二氟乙烯（PVDF）]來實現(xiàn)種子的監(jiān)測。當(dāng)種子作用于壓電薄膜上時，該薄膜就會產(chǎn)生拉伸或彎曲變形，并在壓電薄膜的上下電極表面之間產(chǎn)生一個電信號，作用于壓電薄膜的種子類型不同，該薄膜產(chǎn)生的拉伸或彎曲的變形程度就不同，從而實現(xiàn)對各類型種子的監(jiān)測?；趬弘姳∧げ牧显O(shè)計的傳感器一般安裝在播種機的分配器頭中或者安裝在每個播種軟管中，大大提高了監(jiān)測準(zhǔn)確率。

1.1.2" 應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，德國學(xué)者Meyer等基于氣動播種機設(shè)計的播種監(jiān)測裝置，能夠適用于任何類型的播種機[1]。通過觸摸式壓電材料設(shè)計的頭部壓電傳感器（見圖1）可以實現(xiàn)種子流的監(jiān)測，設(shè)計的軟管壓電傳感器（見圖2）能夠?qū)崿F(xiàn)種子流的堵塞監(jiān)測，監(jiān)測精度高、靈敏度好。

在國內(nèi)，丁幼春等基于PVDF壓電薄膜設(shè)計的傳感器實現(xiàn)了油菜等中小粒徑種子流的監(jiān)測，該傳感器能夠?qū)⒂筒说戎行×椒N子流序列信號轉(zhuǎn)化成排種脈沖序列信號，從而實現(xiàn)對排種頻率、排種總量等排種信息的監(jiān)測，試驗表明監(jiān)測準(zhǔn)確率不低于99.1%[2]。黃東巖等基于國產(chǎn)指夾式排種器設(shè)計了排種監(jiān)測系統(tǒng)（見圖3），該系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜作為敏感元件，將玉米的落粒物理量轉(zhuǎn)變成脈沖電壓信號，再通過STC89C52單片機的處理實現(xiàn)了玉米播種過程中播種總量、播種速度、播種面積、漏播率等性能指標(biāo)的實時監(jiān)測[3]。王樹才等基于壓電聲電傳感器設(shè)計的氣吹式排種器播種監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)瘟Ｓ衩着欧N信號轉(zhuǎn)化成脈沖電壓矩形波信號，從而實現(xiàn)對合格率、重播率、漏播率、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等性能參數(shù)的監(jiān)測[4]。

1.1.3" 優(yōu)缺點

壓電監(jiān)測法屬于接觸式監(jiān)測法，需要種子顆粒與敏感元件發(fā)生碰撞后，才能實現(xiàn)對其的感應(yīng)。雖然壓電監(jiān)測法監(jiān)測準(zhǔn)確率高，但由于田間環(huán)境復(fù)雜，易受振動干擾，且一般需要將傳感器安裝在排種管中，這樣勢必會影響種子在下落過程當(dāng)中的軌跡，進而對播種質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。

1.2" 光電監(jiān)測法

1.2.1" 工作原理

國內(nèi)外專家、學(xué)者對于光電監(jiān)測法的研究已經(jīng)延續(xù)了很多年，并且在不同類型的播種機、排種器上進行了研究。其主要工作原理是通過種子下落時對光電傳感器發(fā)射端發(fā)出的光束遮擋，從而影響接收器接收到的光照強度，進而影響產(chǎn)生的電壓信號，再經(jīng)過處理器的處理來實現(xiàn)種子的監(jiān)測。

1.2.2" 應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，Kumar等基于紅外傳感器設(shè)計了一種用于監(jiān)測播種機輸送管中種子流動和堵塞的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)有2個分別用于音頻和視頻輸出的獨立蜂鳴器和紅色發(fā)光二極管；當(dāng)出現(xiàn)缺種或者堵塞時，該系統(tǒng)就會發(fā)出聲光報警信號來告知司機[5]。Karimi等基于紅外種子傳感器設(shè)計并構(gòu)建了播種機監(jiān)測系統(tǒng)，在所提出的監(jiān)測系統(tǒng)中，種子流傳感器被單獨安裝在配備有13個播種裝置的播種機上，能夠?qū)崿F(xiàn)各項播種性能指標(biāo)的實時監(jiān)測[6]。Mallahi等基于光纖傳感器設(shè)計了谷物條播機播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了室內(nèi)條件下種子流的監(jiān)測；在考慮了機器在室外運行的條件和環(huán)境后，將傳感器安裝在谷物條播機內(nèi)，對在室內(nèi)開發(fā)的估計模型和算法進行了修改，消除了室內(nèi)實驗中由于變速而導(dǎo)致的高估或低估偏差，以及可能由灰塵、振動或傳感器內(nèi)阻變化引起的傳感器輸出值誤差；結(jié)果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)可用于谷物播種機中的種子流的實時監(jiān)測，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛[7]。約翰迪爾公司基于光電傳感器設(shè)計了精量播種機播種監(jiān)測系統(tǒng)[8]，可根據(jù)作物類型、機器和機具尺寸型號進行參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)對種子的監(jiān)測，并能將監(jiān)測信息傳輸給Seed Star監(jiān)測儀（見圖4）進行實時顯示，從而實現(xiàn)對播種過程中漏播、重播等播種質(zhì)量的監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)記錄并發(fā)送到運營中心進行數(shù)據(jù)同步分析。

在國內(nèi)，紀(jì)超等基于氣吸式玉米免耕精量播種機設(shè)計了排種監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以紅外發(fā)射二極管為信號發(fā)射端、以光電二極管為信號接收端，以旋轉(zhuǎn)式透明防塵罩為自清潔除塵裝置，實現(xiàn)了玉米播種過程中播種量、重播、漏播等性能指標(biāo)的判定[9]。朱瑞祥等基于激光光電傳感器設(shè)計的大籽粒作物漏播自補種裝置，通過激光光電傳感器監(jiān)測槽格內(nèi)是否漏種，并利用超越離合器的單向鎖合原理實現(xiàn)補種[10]。李雷霞等基于紅外發(fā)光二極管和光敏三極管設(shè)計了精密播種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了多行精密播種全程的無盲區(qū)監(jiān)測，穩(wěn)定可靠[11]。張繼成等基于紅色高亮度發(fā)光二極管和光敏電阻設(shè)計的光敏傳感器精密播種機監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了播種總量的實時監(jiān)測，并可對播種作業(yè)過程中肥料的堵塞、排空有較好的監(jiān)測效果[12]。

1.2.3" 優(yōu)缺點

光電監(jiān)測采用的光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。當(dāng)監(jiān)測的種子為玉米、花生等顆粒較大的種子時，遮光效果明顯，監(jiān)測精度高、效果好。但對于中小粒徑種子，由于其遮光效果一般，尤其是重播不易被發(fā)現(xiàn)，其監(jiān)測準(zhǔn)確率有待進一步提高。同時，由于田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，光線的穿透能力會因各種因素有所削弱，從而影響光電傳感器的監(jiān)測精度，因此其適應(yīng)性有待進一步改進提升。

1.3" 電容監(jiān)測法

1.3.1" 工作原理

電容監(jiān)測法就是采用各種類型的電容器作為傳感元件，將種子信號轉(zhuǎn)換成為電容變化量，從而實現(xiàn)對種子的監(jiān)測。該類型的傳感器可實現(xiàn)非接觸測量，而且測量靈敏度高。國內(nèi)外專家學(xué)者基于電容原理設(shè)計的各類電容傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對不同類型種子的監(jiān)測。

1.3.2" 應(yīng)用現(xiàn)狀

Kumhála等使用測量阻抗和相位角的儀器，加上平行板電容系統(tǒng)設(shè)計的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對花生、玉米、堅果等含水量監(jiān)測[13]。Taghinezhad等基于電容傳感器設(shè)計了甘蔗播種監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)甘蔗胚播種過程中漏播、重播等指標(biāo)的實時監(jiān)測[14]。周利明等基于差分結(jié)構(gòu)的電容傳感器設(shè)計了棉籽質(zhì)量流量監(jiān)測系統(tǒng)，在綜合考慮環(huán)境溫度、棉花品種、含水率等影響的基礎(chǔ)上，確定了籽棉質(zhì)量流量與電容響應(yīng)的關(guān)系，建立了擬合回歸模型，從而提高了對棉籽監(jiān)測的準(zhǔn)確率[15]。陳建國基于電容傳感器設(shè)計了小麥精量播種機播種量監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)檢測分辨率、播種速度與采樣頻率的約束關(guān)系設(shè)計了電容傳感器的結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控參數(shù)和輸入的外界參數(shù)確定了所使用的人機交互界面，監(jiān)測精度超過99.57%[16]。徐洛川等基于氣吸式穴播器設(shè)計了一種叉指型電容傳感器棉花穴播取種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)排種監(jiān)測裝置不適配且易受環(huán)境溫濕度影響的問題，實現(xiàn)了對棉花正常單粒播種、重播和漏播的準(zhǔn)確判定[17]。

1.3.3" 優(yōu)缺點

電容監(jiān)測法的研究主要停留在大中粒徑種子上，對于芝麻等微小粒種子的監(jiān)測還鮮有涉及，主要原因是微小粒種子很難引起電容傳感器電容量的變化，很難被感應(yīng)到。在大中粒徑種子的研究方面，雖然已經(jīng)有些研究，但由于寄生電容等的干擾，其監(jiān)測精度有待進一步提升。

1.4" 機器視覺+圖像監(jiān)測法

1.4.1" 工作原理

隨著計算機處理能力的提升和視覺圖像檢測技術(shù)的發(fā)展，機器視覺+圖像監(jiān)測法被廣泛用于各類播種機、排種器性能指標(biāo)的監(jiān)測。機器視覺+圖像監(jiān)測法的原理就是采用各類型的相機獲取排種器排種過程中的圖像，經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)處理后，再傳給計算機進行分析，從而實現(xiàn)排種性能指標(biāo)的實時監(jiān)測。

1.4.2" 應(yīng)用現(xiàn)狀

Navid等使用尼康數(shù)碼相機在實驗室環(huán)境下對排種裝置的重播、漏播和播種均勻性等性能進行了評估[18]。Kim等為了實現(xiàn)葫蘆類蔬菜大種子在插盤上在線播種狀態(tài)的實時監(jiān)測，開發(fā)了一種基于機器視覺的自動播種系統(tǒng)；該系統(tǒng)實現(xiàn)了種子的識別，并能在必要時校正種子方向，然后將種子播種在插盤中；該播種監(jiān)測系統(tǒng)采用閾值技術(shù)將種子圖像分割為種子部分和背景部分，然后分析圖像中種子的外接矩形中心和種子中心等幾何特征，以確定種子的方向和位置；該系統(tǒng)識別和重定向種子大約需要49 ms，成功率為95%[19]。Karayel等基于高速攝影系統(tǒng)設(shè)計了一種用于評估種子間距均勻性和種子下落速度的系統(tǒng)，并基于小麥和大豆種子進行了測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)沒有遺漏任何種子[20]。Arzu Yazgi等基于高速攝影系統(tǒng)設(shè)計了播種監(jiān)測系統(tǒng)；在考慮播種速度、種子孔直徑等變量的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面分析法（RSM）優(yōu)化精密播種機的播種均勻性能，并驗證了變量的最佳水平；試驗表明棉花種子精密播種的最佳真空壓力、孔徑分別為5.5 kPa、3 mm[21]。

青島理工大學(xué)的Lin等基于小麥精密播種機設(shè)計的播種監(jiān)測裝置，利用圖像處理技術(shù)對落到皮帶上的種子進行圖像采集，然后對這些圖片進行處理和分析，計算出合格率、漏播率、補種率等[22]。王玉順等基于用CCD攝像機設(shè)計了種子條播排種器性能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測排種器的各項性能指標(biāo)[23]。蔡曉華等基于低照度工業(yè)攝像機設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)，通過預(yù)處理式動態(tài)閾值法減少了種子信息的丟失，應(yīng)用種子分布樣本實現(xiàn)了種子識別與粒距測量，監(jiān)測誤差小于±1 mm[24]。趙鄭斌等基于機器視覺技術(shù)設(shè)計了穴盤精密播種機播種性能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)種子合格率、漏播率、重播率等性能指標(biāo)的實時監(jiān)測，對重播的監(jiān)測精度為98.94%，對漏播的監(jiān)測精度為99.33%[25]。

1.4.3" 優(yōu)缺點

機器視覺+圖像監(jiān)測法的研究較早，監(jiān)測的范圍也非常廣泛，與其他幾種監(jiān)測方式相比，監(jiān)測準(zhǔn)確率更高。但機器視覺+圖像監(jiān)測法也有很明顯的缺點，如設(shè)備價格昂貴，很難在播種監(jiān)測系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，多用于實驗室驗證。

2" 未來發(fā)展方向

播種監(jiān)測是實現(xiàn)各類型精量直播機智能化發(fā)展的重要組成部分。目前，國內(nèi)外播種監(jiān)測普遍采用壓電監(jiān)測法、光電監(jiān)測法、電容監(jiān)測法及視覺+圖像監(jiān)測法，這些方法各有自己的優(yōu)缺點。為了更好地適應(yīng)發(fā)展需求，結(jié)合我國的實際情況，筆者認(rèn)為未來播種監(jiān)測技術(shù)的3個發(fā)展方向：主要向高頻、寬輻方向發(fā)展，研發(fā)適應(yīng)高頻、寬幅的播種監(jiān)測系統(tǒng)；將播種監(jiān)測系統(tǒng)中融入高精度的定位系統(tǒng)，實現(xiàn)在播種作業(yè)過程當(dāng)中實時生成播量圖、播種性能指標(biāo)狀態(tài)圖（漏播狀態(tài)、重播狀態(tài)、合格狀態(tài)）等；針對目前各類型監(jiān)測系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的抗干擾能力差、適應(yīng)性差等問題，在借鑒國外研發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出適合我國各類型播種機的傳感系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）

收稿日期：2023-10-09

作者簡介：張莉莉（1993—），碩士，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計。E-mail：736790781@qq.com。