气吸式播种机质量监控系统设计—基于ZigBee无线传感网络

阳琼芳

(广西职业技术学院 计算机与电子信息工程系，南宁　530226)



气吸式播种机质量监控系统设计—基于ZigBee无线传感网络

阳琼芳

(广西职业技术学院 计算机与电子信息工程系，南宁530226)

摘要：针对气吸式播种机常出现的漏播和重播现象，在ZigBee技术和单片机的基础上提出了一种新的气吸式免耕播种机的质量监控系统，并对播种机的核心部件排种器进行了结构优化设计，制造了试验样机。播种质量监测系统以STC89C51单片机和ZigBee无线模块为主要部件，结合红外线传感器和涡流位移传感器对漏播和重播数据进行采集，实现了振动台的自动化控制和远程报警功能，以及LCD12864液晶对监测参数的实时显示。通过对播种机的大量测试，得到了不同播种机行进速度的排种质量曲线，由测试结果可以看出：排种质量监测系统可以成功地对漏播率和重播率进行监测，且遗漏监测的次数很少，排种和漏播播种率的精度较高，达到了精密播种机的设计标准。

关键词：无线传感网络；气吸式播种机；ZigBee技术；LED显示；单片机

0引言

近年来，精密播种技术在农作物种植作业中逐渐开始使用，并成为热门研究的课题。精密播种技术是提高粮食产量的一项现代化综合技术，包括种子的培育和加工、精密播种机具的使用、土壤的精耕细作，以及高精度的施肥灌溉等一系列技术。精密播种技术可以节省大量的种子及再次补苗定苗的用工，种子合理分布降低了肥料和光能的损失，提高了作物产量和综合经济效益。气吸式播种机是一种利用气吸原理，使用气流将种子吸附并从种堆中分离出来，达到单粒或者双粒精密播种的目的。同机械式播种机相比，气吸式精密播种机具有节省种子、不伤种子、对种子形状的适应性强、易于实现单粒精播及作业速度高等优点，是目前国内外精密播种机发展的重点。

目前，国内外研发了一些新的播种技术，如日本提出了一种静电播种技术，适用于种子颗粒较小的蔬菜播种；英国提出了一种超音速播种技术，可以应用在蔬菜和牧草的播种；美国利用液压马达驱动设计了新型气压式播种机；东德研制了精密播种机采用液压马达驱动等。我国开始研究精密播种技术是在20世纪70年代，到目前为止，精密播种在全国的实施范围还较小，基本局限在中耕作物，谷物精播的难度大，至今还没有非常成熟的机型。气吸式播种机对种子适应性强、通用性好，具备高速作业的性能，工作幅度也较大，是当前精密播种机的发展方向。因此，对气吸式播种机的研究和改进，具有重要的意义。

1气吸式播种机工作原理和排种器设计

气吸式播种机利用振动气吸设备可以实现精量化播种，其排种器一般由气源、吸针、振动盘和一些其他类型的辅助设备构成。播种作业时，种子在振动台的作用下向上抛掷，在负压作用下吸针将种子吸住；播种机运行一段距离后，负压被改为真空状态，种子在自身重力作用下落到指定播种位置。气吸式播种机的工作原理如图1所示。

此方法穴播性较好，可以控制每个穴需要播种的粒数，其精度和效率都较高，且种子的机械损伤较小。其中，排种器主要是由真空通断组件、排种盘和风机等组成，结构如图2所示。

种子箱底面安装了排种盘，排种盘一侧是种子室，另一侧是气吸室，排种盘上装有通气管道。气吸式排种器排种的原理是借助气吸作用，将风机和气吸室相连，利用风机作用形成真空，在排种盘两侧形成压力差，在压力差的作用下，种子被吸针吸住。排种盘转动过程中，刮种板将过多的种子刮掉，保留合适的粒数；当排种盘转动离开气吸室后，种子在重力作用下落下或者落入导种管。种子受力的作用图如图3所示。

1.气源　2.真空通断器　3.吸针　4.振动种子盘　5.种子颗粒

1.真空通断器　2.真空连接管　3.种子室　4.排种盘

图3　种子的受力分析图

排种器排种时，种子主要受到的力有重力G、旋转的惯性力J、吸针的吸附力P和吸孔处的支持力N。其中，摩擦力可以忽略不计，J的表达式为

J=mRω

(1)

其中，ω表示排种盘的角速度；R表示种子重心到排种盘重心的距离。当排种盘进行转动时，J大小是不变的，但是方向不断变化，而重力大小和方向都不变。由图3可以看出：合力的大小开始吸种时最大，当G和J方向相反时种子收到的合力最小，此时的真空度也需要最小。吸附力必须满足能够吸附种子，以种区充满所需要的压力为基准，吸住种子必须满足的受力条件为

F×d/2≥T×h

(2)

种子所受的吸附作用力表达式为

(3)

其中，pa表示外界气压；p1表示真空室压力。由式(3)可以看出：随着吸针直径的增大，种子所需的真空度变小，排种性能有所增强；当孔径增大到一定程度时，针孔的漏气量也会增大，排种性能又开始降低。孔径的大小确定主要依据种子的尺寸，吸种孔的直径是通过实验方法得到的，吸种孔的直径计算公式为

d=(0.64-0.66)b

(4)

其中，b表示种子的平均宽度。真空度是排种和吸种效果最主要的影响因素，不同类型的种子真空度最佳范围是不同的，真空度降低会造成漏吸率增大；当真空度超过一定范围时，重吸率会增加。考虑风机和管路的压力损失，真空度的计算一般取最大值，计算公式为

(5)

其中，C表示排种盘和种子重心之间的距离；m表示种子的质量；v表示排种盘中心孔的线速度；r表示排种盘吸针位置的旋转半径；λ表示摩擦力的综合系数；γ表示种子的止休角；g表示吸种的可靠性系数，当种子的形状近似球形时，K1选择较小值，反之选择较大值。对于玉米、高粱、大豆等作物可以选择K1=1.7~1.9；K2表示工作的稳定性可靠系数，一般取值为1.7~2.1，种子千粒质量大时取大值。排种器的种子吸附所需要真空度的最大值主要和吸针直径、种子物理性质和排种孔处的线速度有关。常见作物的吸针直径和吸室真空度如表1所示。

表1　常见播种作物吸针直径和吸室真空度值

续表1

根据经验数值，可以完成排种器的初始结构设计，为了提高播种机的播种质量，需要提高振动台的性能，并实时对其播种情况进行监测。

2振动台和播种质量监测系统设计

要实现精密播种关键是使用精密播种机，而精密播种机的核心部件是排种器。气吸式精密播种机的排种器主要由振动台和气吸部分构成，振动台主要是使种子运动，有利于种子的吸附。排种器在工作前，启动电磁振动器使排种盘产生振动，在振动盘上安装传感器对振动幅值和频率进行采集，利用A/D转换器将采集的模拟量转换为数字量，将数据通过ZigBee传输给远程控制中心；控制单元利用单片机进行控制，电磁振动排种器工作时，启动电磁振动器使排种盘产生振动。通过安装在种子盘上的传感器采集种子盘的震动振幅和振动频率数据，用A/D转换器将采集的模拟量转换成数字量传递给主控制系统；控制系统是由单片机为主的微控单元，根据采集信号可以对振动参数进行调整，实现精密化播种作业。

图4表示气吸振动器的工作原理图。其使用的主要器件为压电加速度传感器，由于阻抗较高，需要前置一个放大电路，将高阻抗值转换为低阻抗值。因此，可以选择ICP传感器，其内置了集成电路，其结构如图4所示。

图4　气吸振动器的原理图

本次研究选用的是HK9148型号压电加速度传感器，其生产厂家是恒科科技。在播种机移动时，株距主要根据播种机的位移来驱动，而位移可以通过电涡流传感器进行测定，电涡流传感器是非接触式传感器，主要特点是结构简单、灵敏性高和抗干扰能力强，其结构如图5所示。在测定位移时，激励线圈和涡流体之间距离的变化会引起涡流强度的变化，随着距离的降低，涡流强度逐渐增大，电感降低，谐振频率升高，幅值也会下降。根据不同幅值对应的位移值，可以对播种机的位移进行实时监测，本设计中选用的涡流位移传感器为型号JX20系列电涡流位移传感器。

图5　涡流传感器测位移原理图

图6表示漏播和重播的红外线监测流程。在排种盘孔处安装光敏电阻，当种子下落时，光线被遮挡1次，则排出1粒种子；当存在漏播时，无种子排出，光线不被遮挡，此时红外线传感器会记录漏种1次；当存在重播时，会排出多粒种子，光线被多次遮挡，红外线传感器会记录多次播种。当存在漏播和重播现象时，单片机会自行调整，避免多次漏播和重播；当出现多次漏播和重播时，说明播种机存在故障，漏播和重播数据会通过ZigBee传输到远程控制中心。

图6　漏播和重播红外线监测

图7为控制系统的总体设计框架。其控制核心为89C51单片机，通信模块为ZigBee无线传感网络。其利用单片机可以完成对数据的采集和处理，主要包括位移涡流传感器采集的位移数值和红外线传感器采集得到的漏播与重播率数据。其中，数模转换器使用DAC0832和ADC0809，转换后的数据通过ZigBee返回远程控制台。

图7　控制系统总体设计框图

3气吸式播种机播种质量测试

气吸式播种机的播种性能主要包括漏播率、合格率和重播率等，为了测试播种监测系统的可靠性和气吸式播种机的性能，在试验田里对气吸式播种样机进行了测试，如图8所示。

图8　气吸式播种机试验测试

样机上装载了播种质量监测系统，并通过无线传感网络ZigBee将监测数据远程传送到控制中心，通过测试得到了如图9所示的播种质量监测曲线。

图9　排种质量监测曲线

通过对播种机的大量测试，得到了不同播种机行进速度的排种质量曲线。由图9可以看出：排种质量监测系统可以成功地对漏播率和重播率进行监测；但随着速度的增加，重播率和漏播率都有不同程度的提高，降低了播种的合格率。

表2　漏播监测和补种性能测试结果

表2为播种机播种质量的监测结果，包括对漏播总的监测次数、成功记录次数和成功补播次数。由表2可以看出：漏播成功记录的概率较高，最高达到了100%，且成功补播的次数也较高，达到了精密播种机的设计要求。

4结论

1)采用ZigBee技术和单片机，针对气吸式播种机常出现的漏播和重播现象，设计了一种新型的播种机质量监测系统。同时，对核心部件排种器的结构进行了优化设计，结合红外线传感器和电涡流位移传感器实现了播种质量和株距的全方位监测，并利用无线传感网络实现了远程LED实时监测数据显示，实现了振动台的自动化控制和远程播种机故障报警功能。

2)通过传感器组织形成了ZigBee网络，并设计了气吸式播种样机。通过对播种机性能进行测试，得到了不同速度下排种质量曲线及成功监测漏播率和重播率的数据。由测试结果可以看出：遗漏监测的次数很少，排种和漏播播种率的精度较高，装置的可靠性和稳定性均满足精密播种机的设计要求。

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Design of Quality Monitoring System for Pneumatic Seeding Machine Based on ZigBee Wireless Sensor Network

Yang Qiongfang

(Department of Computer and Electronic Information Engineering,Guangxi Vocational & Technical College, Nanning 530226, China)

Abstract：Since the air suction seeding machine often appears leakage sowing and replay phenomenon, it proposed a new gas suction type quality monitoring system of no tillage seeder based on ZigBee technology.And the drill core components of the metering device on the line structure with optimization design, it has done manufacturing the prototype experiment. The quality monitoring system combined with infrared sensor and eddy current displacement sensor to collect the data of the leakage and replay, realized the automatic control and remote alarm function of the shaking table based on STC89C51 microcontroller and ZigBee wireless module as the main components. And it realized the real-time display of LCD12864 liquid crystal. Through a lot of testing of the seeding machine, the quality of the different seeding rate is obtained. From the test results,it can be seen that the monitoring system can successfully monitor the leakage rate and replay rate.

Key words：wireless sensor network; pneumatic seeding machine; ZigBee technology; LED; MCU

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0086-05

作者简介：阳琼芳(1973-)，女，广西桂林人，高级实验师，硕士，(E-mail)1973yqf@sina.com。

基金项目：广西高校科学技术研究项目(2013YB295)

收稿日期：2015-09-08