精密播种控制系统研究进展

王昊禹　孟玄　李园杰　屈哲　李祥付

摘要：播种是农业生产最重要的环节，精细农业是现代农业向着全自动化和智能化发展的必然趋势。以精密播种为主题，综述了国内外高校、科研院所和厂商研发的具有代表性的系统平台的研究进展，包括农机信号总线、农用机械卫星导航系统、精密播种控制系统，并提出了精细农业在播种环节未来的发展方向：加快研究并推广变量播种系统的使用、设计新型或改进现有光电式播种质量监测传感器提高其适用性，同时继续加大农机农艺的融合，最终减少人工投入，提高机械的农田工作效率和质量。

关键词：精细农业;智能化;控制系统

0 引言

精细农业是由国外率先提出的一种高效、高质量农业生产方式。国外精细农业正式实践起源于约1996年，在1997年度收获季里，美国有约3%的联合收割机上安装使用了产量监控装置[1]。国内，汪懋华[2]最早提出将“Precision Agriculture”译作“精细农作”（即精细农业），指出其核心是获取不同农田小区域内的作物产量和影响作物生长因素后对不同地块进行“变量处理”，即“处方农作”。

精密播种技术属于精细农业的分支，是指使用精密播种机械，按照待播作物相对应的播种农艺要求，如播量、播深、播距等将种子播入土壤中的播种方式。相较于传统播种方式，精密播种具有着播量精确、播深播距稳定、节省种子等多种优势。本文综述了具有代表性的精密播种技术，并提出了精密播种未来的研究方向，为深入研究精细农业提供了参考。

1 总线技术在农业机械领域的应用

总线负责数据传输，常用的总线包括IIC总线、SPI总线、RS485总线以及CAN总线等，各类总线技术在农业机械领域的应用为农用机械控制系统高效处理大量信息、提高播种质量打下了基础。

1.1 IIC和SPI总线技术

IIC总线和SPI总线往往用于实现控制系统中的某个模块化功能。IIC（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线），由Philips公司提出，目的是让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备，通讯时仅使用SDA和SCL两根数据线就可以完成数据传输，但传输速度较慢。

SPI（Serial Peripheral interface，串行外围设备接口）由Motorola公司提出，使四根数据线进行数据传输和时钟校时等工作，相对IIC来说速度更快，是一种高速全双工通信总线。

卢文景[3]使用IIC通信协议进行了树莓派和51单片机的数据通讯，实现了物联网种植系统中IIC传感器的数据采集。陈晓栋[4]使用AT86RF212无线传输模块实现了780MHz无线通讯模块的设计，使用SPI配合天线进行无线通信。

由于在精密播种的过程中，往往面临着数据量大、拓展性要求高、数据实时性强的特点，所以一般不用采用这二者做大量的瞬时数据传输，多用于小型模块化功能实现以及和存儲器如EEPROM、FLASH等进行数据交换。

1.2 RS485总线技术

RS485 总线为半双工通信方式，主从无法同时进行通讯，在传输距离和可拓展节点数等性质上优于RS232。但是当RS485的系统节点数目过多时，会出现数据交换较慢、占用CPU资源较高等问题。针对该问题，王书根等[5]提出一种针对串行链路的通讯方法，在上位机与各从站节点间增加主站，能够提高系统独立性，加快系统从故障中恢复的速度。RS485由于组网较为方便，在多节点通讯中使用广泛，郭庆等[6]设计了基于RS485总线的环境监控系统，卢嫚[7]基于RS485总线通信基础上实现了温室监测系统中多个节点环境因子的采集和远距离通信。

由于RS485总线存在通信的吞吐量较低、实时性较差、从机的系统开销大且从机间通信难度大等缺点，现在农用机械中使用较为广泛的为CAN总线。

1.3 CAN总线技术

CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）由BOSCH公司提出，现在已经成为了国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线具有通讯速度快、传输距离远、系统稳定性强等多种优势。其最早应用时解决了汽车控制系统中大量传感器数据交换的问题，由于精密播种高拓展性和大量数据的要求，CAN总线被逐步引入到农机中，并形成了完善的农用拖拉机控制协议国际标准ISO11783。

现在，CAN总线已经发展至农用拖拉机控制系统的方方面面，包括：（1）耕作和播种;（2）施肥和植物保护;（3）产量监控;（4）机械导航等。胡炼等设计了分布式插秧机导航控制系统，分别用3 个从节点实现了插秧机的转向控制、变速控制以及插秧机具升降控制，该插秧机还搭配了差分定位技术，能够在较高精度下自主完成路径跟踪、转向、变速以及插秧等操作。目前，CAN总线因其极强的可拓展性和不会因为节点出现故障而导致整体系统瘫痪的明显优势成为了最具有潜力的农用机械总线技术。

2 农用机械卫星导航系统

农用机械卫星导航系统主要由全球卫星定位系统、控制器、车辆底盘等构成，是精细农业最重要的环节之一，可以提高生产效率、减少人工投入。上世纪末，Thomas Bell等[8]在John Deere 7800型拖拉机平台上开展了基于载波相位差分定位系统的自动驾驶拖拉机试验，实验结果表明其系统航向角的精度为1°，水平偏差为2.5cm，有着较高的定位精确度。国内，胡炼和罗锡文等[9]设计了DGPS自动导航控制系统如图一所示，其机器位置信息的获取使用RS232总线，其余功能节点的通讯均使用CAN总线，在拖拉机行进速度为 0.8m/s时，直线跟踪的最大误差小于0.15m，平均跟踪误差小于0.03m。

目前，我国农机自动驾驶系统大多由非农机制造企业研制，主要功能是通过北斗卫星定位实现拖拉机直线作业路线的自动跟踪行走。以合众思壮“慧农”北斗农机自动驾驶产品为例[10]，该产品主要组成包括：便携式或固定式基站、GNSS定位装置、姿态传感器、智能驾驶控制器、转向轮角度传感器、压力传感器、液压转向电磁阀组和显示终端等。其直线控制精度达到了2.5cm，可支持的作业速度为3～16km/h。

近年来，我国卫星导航系统发展迅速，2020年6月23日，北斗三号组网的最后一颗卫星发射成功，标志着BDS（BeiDou Navigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统）组网顺利完成，北斗卫星的建设对于我国国家安全起到了重要作用。

3 精密播种控制系统

3.1 播种变量控制技术

早期的机械式播种机往往使用地轮驱动排种轴带动所有排种盘进行转动，近年来，精密排种器已经开始由纯机械式向着电控单体式进行转变。电驱排种器的研究促进了变量播种控制系统的发展，使得同一播种机的不同排种器能够按照不同的密度进行播种，从而提高播种质量，减少种子浪费。播种机常常配有多行排种器单体，如果想要对每个排种器的播种工况进行控制同时了解每个排种器的工作情况，主要有以下两种方式：（1）分别对每个排种单体都使用独立的单片机或其他小型微机模块进行控制;（2）设计多点可拓展式控制系统，将各个排种单体和主控制单元进行主从方式的连接。不难看出，虽然两种方式都具有较强的可拓展性，但是第一种方式对系统资源没有很好的达成利用，而且明显提高了系统设计的冗余度。因此，在实际机械上多采用第二种方式来进行系统的布置。

如本文第一章所述，在农用信号总线标准制定后，基于CAN总线的变量播种控制系统已经成为了精密播种领域的热点问题。早期机械式排种器基本都采用了地轮驱动的方式，在播种时易出现打滑，此时则会导致播种质量的下降。为了解决这个问题，早期精密播种机使用编码器测速的方式来代替地轮进行速度的获取，但在高速时依然不能够很好地控制排种精度[11-13]。由于卫星定位技术精度的发展，GPS代替编码器进行测速的方式被证明更加适合高速时精密播种的要求。已经有学者通过研究表明，传统地轮排种器驱动方式可以由电驱驱动排种单体的方式替代。

3.2 播种质量监测技术

为了对播种质量进行实时观测，机器需要在排种器上安装播种监测系统。播种监测的方法有很多，常用的方法为使用安装在落种管处的光电、电容式传感器以及高速摄像机来进行种子的通过性测量[14-15]，并根据车辆的行走速度以及两粒种子下落的时间间隔来判断是否有种子出现了重播漏播等现象。光电传感器价格低廉，广泛应用于各类播种监测机构中，但由于农机具工作环境较为恶劣，在工作一段时间后传感器会因为灰尘覆盖等原因而导致失灵。使用高速摄像机和图像处理技术的方式能够精确捕捉小型种子，同时可以辨认出种子重叠的情况，但价格昂贵，较难推广使用。设计一种高精度低成本的新型监测方式，或者通过硬件与算法的重新部署从而改进光电监测的缺点将成为未来播种质量监测系统研究的方向。

4 结语

得益于GPS卫星定位技术的民用化、农用化，农用机械有了可以支撑其快速精确作业的平台。同时，高速精密排种器和播种监测系统也不断发展，用卫星测速带动排种器进行工作的方式成为了减少传统播种机地轮打滑问题的有效解决方案。随着研究的不断推进，精密播种系统的数据吞吐量和对可拓展性能的要求逐渐增加，传统小型设备总线已无法满足其性能要求，而CAN总线因其在大量数据处理领域的优越性成为了现在大型精密播种控制系统中最常用的信号总线。

变量播种系统目前仍处于研发阶段，需要加大对该系统的投入，相关技术包括处方图的生成技术、变量播种的农机通用平台开发等。光电传感器的优缺点上文已提及，此处不再重复描述，需要对传统的光电式监测机构进行改进或者设计新型监测传感器，从而达到在长时间的工作条件下稳定监测的目的。气力式排种器虽然研发较早，但是并未大量普及，相关机构要加快农机更新换代。农业工作者还应当持续推进农机农艺的融合，最大化利用农业机械，提高工作效率。

参考文献

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[3] 卢文景.基于物联网技术的智能种植系统设计与实现[D].中国海洋大学，2015.

[4] 陈晓栋.基于物联网的谷子大田苗情监测与管理技术研究[D].山西农业大学，2015.

[5] 王书根，王振松，刘晓云.Modbus协议的RS485总线通讯机的设计及应用[J].自动化与仪表，2011，26（5）：25-28.

[6] 郭庆，冀捐灶，王学德.基于RS485总线的环境监控系统设计与实现[J].国外电子测量技术，2006（7）：14-16.

[7] 卢嫚.基于RS-485总线的温室多点监测系统设计与实现[D].西北农林科技大学，2013.

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