气力式精密播种机播种监测装置及监测方法

摘要

本发明公开了一种气力式精密播种机播种监测装置及监测方法，监测装置包含：至少一个播种体监测单元及一个车载显示终端；播种体监测单元产生检测光信号，再分别采集检测光信号经排种盘上无种子时产生的第一反射光信号和排种盘上有种子时产生的第二反射光信号及排种盘的转速值，并处理第一反射光信号及第二反射光信号，生成电脉冲信号，同时提取出电脉冲信号的频率及脉宽；车载显示终端电性连接于播种体监测单元，根据播种体监测单元传输的频率、脉宽及转速值获取并显示出实际播种质量指标参数，当实际播种质量指标参数大于设定阈值时，则认定播种作业存在异常，当实际播种质量指标参数小于或等于设定阈值时，则认定播种作业正常。

说明书

技术领域

本发明属于农业机械智能监测技术领域，涉及一种对气力式精密播种机播种质量在线式智能监测，尤其涉及针对利用光电无损检测技术，通过被检测物、非被检测物与光作用的变化关系而获取实际播种质量指标参数的监测装置及监测方法。

背景技术

播种是农业生产过程中极为重要的一环，“种好收一半”是长期以来人们进行生产实践得出的对播种重要性的总结。随着精密播种技术的发展，精密播种机己成为现代播种技术的主要特征，成为播种的主要发展方向，目前国内使用的精播机大多数是机械式和气力式播种机，在播种作业时具有播种过程全封闭的特点，因此凭人的视听无法直接监视其作业质量，而在播种作业时发生的种箱排空、输种管杂物堵塞、排种器故障、开沟器堵塞或排种传动失灵等工艺性故障均会导致一行或数行下种管不能够正常播种造成“断条”漏播现象，从而导致农业减产。对于目前大力推广使用的免耕播种机来说，由于其作业地表秸秆覆盖，环境条件比精播机工作时更加恶劣，发生漏播、堵塞现象也就更加频繁。尤其是大型宽幅精播机，其作业速度高、播幅宽，一旦发生上述现象则会造成大面积的漏播，必然造成农业生产的严重损失。鉴于此，对精密播种机的播种质量进行监测就显得尤为重要。

目前，精密播种机上所采用的监测和报警装置，主要有机械式报警器、机电式报警器和电子仪器式监控系统。机械式报警器是精密播机上最早采用的装置，以敲击铃罩不断发出响声，以示报警。与机械式报警器相比，机电式报警装置不但有声音报警和指示灯显示，还可以探测种子箱内的种子是否能够达到正常播种数量。如英国S870型精播机的排种器上的机电信号报警装置，它是用一胶木滚轮靠弹簧加压紧贴在排种带上，在排种带的带动下旋转，滚轮的轮缘侧边有一半镶有会属片，金属片与滚轮轴相通。指示器触点与带余属片的滚 轮侧边接触则电路接通，指示灯亮。当排种带正常运转时，滚轮均匀转动，指示灯周期性闪亮：一旦有故障发生，则种带不动或忽慢忽快，指示灯常亮或不亮亦或不规则闪亮，表示种带运转不正常。随着电子技术的迅猛发展，现代播种机上一般安装的是电子监测装置，它由传感器、转换电路、报警控制和信号显示装置构成。传感器的作用是将输种管内种子的流动情况转变成电信号。目前多采用的是光电传感器(通过种子不断的下降遮断光束，使光电转换装置输出电脉冲信号)或压电声电传感器(将下落籽粒机械碰撞产生的声脉冲转换为电脉冲)。通常情况下，传感器安装在输种管下面及开沟器附近，以便实现对排种器和开沟器的双重检测。

但总体来说，用于播种机播种质量监测还主要停留在排种管处安装对射型光电传感器的阶段，而对于使用排种盘的精密播种机播种质量监测就很困难，因为排种盘是旋转部件，空间小，不易安装监测装置，但随着使用排种盘的精密播种机的广泛应用，因此对于使用排种盘的精密播种机播种质量监测也就成为了一项急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对使用排种盘的精密播种机在播种作业过程中，由于排种盘不易安装监测装置所产生的播种质量监测难的问题，提供了一种气力式精密播种机播种监测装置和监测方法，以实现对播种质量进行有效监测。

为实现上述目的，本发明提供了一种气力式精密播种机播种监测装置，其中，包含：

至少一个播种体监测单元，产生一检测光信号，再分别采集所述检测光信号经一排种盘上无种子时产生的一第一反射光信号和所述排种盘上有种子时产生的一第二反射光信号及所述排种盘的转速值，并处理所述第一反射光信号及所述第二反射光信号，生成一电脉冲信号，同时提取出所述电脉冲信号的一频率及一脉宽；以及

一车载显示终端，电性连接于所述播种体监测单元，根据所述播种体监测单元传输的所述频率、所述脉宽及所述转速值获取并显示出实际播种质量指标参数，当所述实际播种质量指标参数大于一设定阈值时，则认定播种作业存在 异常，当所述实际播种质量指标参数小于或等于所述设定阈值时，则认定播种作业正常。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述播种体监测单元进一步包含：

一信号放大与发生器，产生放大后的所述检测光信号；

一光传感探头，电性连接于所述信号放大与发生器，所述光传感探头接收并发射所述检测光信号后，采集所述第一反射光信号及所述第二反射光信号；

一光电信号采集器，电性连接于所述光传感探头，所述光电信号采集器接收所述第一反射光信号与所述第二反射光信号，并将所述第一反射光信号转换为一第一电信号，将所述第二反射光信号转换为一第二电信号；

一比较与整形电路，电性连接于所述光电信号采集器，所述比较与整形电路接收并比较、整形所述第一电信号与所述第二电信号，并生成所述电脉冲信号；

一测速传感器，用以采集所述转速值；

一信号采集与处理器，电性连接于所述测速传感器、所述比较与整形电路及所述车载显示终端，所述信号采集与处理器提取所述频率、所述脉宽及所述转速值，并传输至所述车载显示终端。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述播种体监测单元为多个播种体监测单元。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述多个播种体监测单元的数量等于气力式精密播种机的一播种行数。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述光传感探头采用直反式光纤或同轴式光纤连接于所述信号放大与发生器及所述光电信号采集器。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述播种体监测单元通过一CAN总线连接于所述车载显示终端。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述车载显示终端内还安装有一上位程序控制模块，用以根据所述频率、所述脉宽及所述转速值以获取所述实际播种质量指标参数。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述实际播种质量指标参数为一单位时间T₀内漏播数N_K及一重播数的至少之一者。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述设定阈值为一漏播数设定值及一重播数设定值的至少之一者。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述漏播数设定值为3，所述重播数设定值为8。

上述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，所述车载显示终端内更安装有一报警装置，用以对播种作业异常情况进行声光预警。

本发明还提供了一种气力式精密播种机，其中，包含上述所述的任意一项气力式精密播种机播种监测装置。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种气力式精密播种机播种监测方法，采用上述中任意一项所述的气力式精密播种机播种监测装置，其中，包含以下步骤：

检测信号采集步骤：通过一播种体监测单元，产生一检测光信号，再分别采集所述检测光信号经一排种盘上无种子产生的一第一反射光信号和所述排种盘上有种子产生的一第二反射光信号及所述排种盘的转速值，并处理所述第一反射光信号及所述第二反射光信号，生成一电脉冲信号，同时提取出所述电脉冲信号的一频率及一脉宽；

播种质量指标输出步骤：通过一车载显示终端根据所述频率、所述脉宽及所述转速值获取并显示出实际播种质量指标参数，当所述实际播种质量指标参数大于一设定阈值时，则认定播种作业存在异常，当所述实际播种质量指标参数小于或等于所述设定阈值时，则认定播种作业正常。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述实际播种质量指标参数为一单位时间T₀内漏播数N_K及一重播数的至少之一者。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述设定阈值为一漏播数设定值及一重播数设定值的至少之一者。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述检测信号采集步骤进一步包含：

检测光信号产生步骤：通过一信号发生与放大器产生一放大后的检测光信号；

反射光信号采集步骤：通过一光传感探头发射所述检测光信号并分别采集所述第一反射光信号和所述第二反射光信号；

反射光信号转换步骤：通过一光电信号采集器将所述第一反射光信号转换为一第一电信号A_Th；将所述第二反射光信号转换为一第二电信号A_z；

电信号比较与整形步骤：通过一比较与整形电路将所述第二电信号A_z与所述第一电信号A_Th进行比较、整形，并输出一电脉冲信号；

转速值采集步骤：通过一测速传感器采集所述排种盘的转速值V_B；

特征值提取步骤：通过一信号采集与处理器提取所述电脉冲信号的所述频率F_p、所述脉宽T_p及所述转速值V_B。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述播种质量指标输出步骤进一步包含：

获取漏播数步骤：获取所述单位时间T₀内漏播数N_K，当所述单位时间T₀内漏播数N_K大于所述漏播数设定值，则判定一气力式精密播种机出现漏播情况，当所述单位时间T₀内漏播数N_K小于或等于所述漏播数设定值，则判定一气力式精密播种机播种作业正常；

获取重播数步骤：获取所述重播数，当所述重播数大于所述重播数设定值，则判定一气力式精密播种机出现重播情况，当所述重播数小于或等于所述重播数设定值，则判定一气力式精密播种机播种作业正常。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述获取漏播数步骤进一步包含：

获取单位时间T₀内理论播种数N_L步骤：N_L＝V_B·N₀·T₀，式中：N₀为排种盘上均匀布置的种子吸孔数；

获取单位时间T₀内实际播种数N_S步骤：N_S＝f_p·T₀；

获取单位时间T₀内漏播数N_K步骤：N_K＝N_L-N_S；

漏播情况判定步骤：当所述单位时间T₀内漏播数N_K大于所述漏播数设定值，则判定所述气力式精密播种机出现漏播情况。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述漏播数设定值为3。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述获取重播数步骤进一步包含：

获取理论脉宽T_L步骤：获取单粒种子所产生的理论脉宽T_L，式中：D_k为种子吸孔的直径，D_P为排种盘种子吸孔中心所围成圆的直径，α为可变系数；

脉宽比较步骤：通过实际脉宽T_p与理论脉宽T_L比较，如果T_p≥β·T_L时(β为大于1的调整系数)，存在有两个种子同时被吸到的情况，即发生重播情况，所述重播数加1；

重播情况判定步骤：当所述重播数大于所述重播数设定值，则判定一气力式精密播种机出现重播情况。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，所述重播数设定值为8。

上述的气力式精密播种机播种监测方法，其中，还包含一预警步骤，如判定播种作业存在异常情况，则通过一报警装置进行声光预警。

针对于现有技术，本发明的有益功效在于，本发明的气力式精密播种机播种监测装置采用光电无损检测技术，且安装简单，解决了排种盘处播种质量实时监测困难及定量测量不准确的问题，还能够实时获得并显示出播种质量指标参数，并对出现的播种异常情况进行声光预警。另外由于本装置结构简单，可适用于目前市面上大多的多行宽幅播种机，多个播种体监测单元通过CAN总线与车载显示终端连接，布线简单，通讯可靠，更适用于批量化生产使用。

进一步地本发明的气力式精密播种机播种监测方法，通过实时在线采集不同的反射光信号及排种盘的转速值，来获取播种质量指标参数，以判定播种作业是否存在异常情况。车载显示终端还可实时显示质量指标参数，对出现的播种作业异常的情况进行声光预警，为驾驶员在播种作业过程中及时了解播种质量情况，减轻劳动强度，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明气力式精密播种机播种监测装置一实施例结构示意图；

图2是本发明气力式精密播种机播种监测装置一实施例剖示图；

图3是本发明气力式精密播种机播种监测装置另一实施例结构示意图；

图4是本发明气力式精密播种机播种监测方法流程图；

图5是本发明气力式精密播种机播种监测方法的检测信号采集步骤流程 图；

图6是本发明气力式精密播种机播种监测方法的播种质量指标输出步骤流程图。

其中，附图标记

1、2：气力式精密播种机播种监测装置

11、211、212、213…21n：播种体监测单元

111：信号放大与发生器

112：光传感探头

113：光电信号采集器

114：比较与整形电路

115：测速传感器

116：信号采集与处理器，

12、22：车载显示终端

3、31、32、33…3m-排种盘

311-种子吸孔

4-种子

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但本发明并不以此为限。

请参阅图1及图2，图1是本发明气力式精密播种机播种监测装置一实施例结构示意图，图2是本发明气力式精密播种机播种监测装置一实施例的剖示图。如图1及图2所示，本发明提供了一种气力式精密播种机播种监测装置1，包含：一个播种体监测单元11及一个车载显示终端12；播种体监测单元11产生检测光信号，再分别采集检测光信号经一个排种盘3上无种子4时产生的一个第一反射光信号和排种盘3上有种子时4产生的一个第二反射光信号及排种盘3的转速值，并处理第一反射光信号及第二反射光信号，生成一电脉冲信号，同时提取出电脉冲信号的一频率及一脉宽；车载显示终端12电性连接于播种体监测单元11，车载显示终端12内安装有一上位程序控制模块，根据电脉冲信号的频率、脉宽及排种盘3的转速值进行信息融合处理以计算出实际播 种质量指标参数，实际播种质量指标参数大于设定阈值时，则认定播种作业存在异常，当实际播种质量指标参数小于或等于设定阈值时，则认定播种作业正常，其中，实际播种质量指标参数为单位时间T₀内漏播数N_K及重播数的至少之一者，设定阈值为漏播数设定值及重播数设定值的至少之一者，即当单位时间T₀内漏播数N_K大于漏播数设定值时存在播种作业异常情况，或当重播数大于重播数设定值时存在播种作业异常情况，再或者当单位时间T₀内漏播数N_K大于漏播数设定值且重播数大于重播数设定值时存在播种作业异常情况，以漏播数设定值为3及重播数设定值为8为一较佳的实施方式，但本发明并不以此为限，实际实施中漏播数设定值及重播数设定值依据播种机和播种要求会设定不同的值。车载显示终端12内更安装有一报警装置，用以对播种作业异常情况进行声光预警。在本实施例中，播种体监测单元11通过一CAN总线连接于车载显示终端12，但本发明并不以此为限。

其中，播种体监测单元11包含：一个信号放大与发生器111、一个光传感探头112、一个光电信号采集器113、一个比较与整形电路114、一个测速传感器115及一个信号采集与处理器116；信号放大与发生器111产生并放大一检测光信号；光传感探头112电性连接于信号放大与发生器111，光传感探头112接收检测光信号，并垂直对准排种盘3的种子吸孔311发射检测光信号后，分别采集排种盘3的种子吸孔311上无种子4时反射的第一反射光信号及排种盘3的种子吸孔311上有种子4时反射的第二反射光信号；光电信号采集器113电性连接于光传感探头112，光电信号采集器113接收第一反射光信号与第二反射光信号，并将第一反射光信号转换为一第一电信号，将第二反射光信号转换为一第二电信号；比较与整形电路114电性连接于光电信号采集器113，比较与整形电路114接收并比较、整形第一电信号与第二电信号，并生成电脉冲信号；测速传感器115采集排种盘3的转速值；信号采集与处理器116电性连接于测速传感器115、比较与整形电路114及车载显示终端12，信号采集与处理器116提取电脉冲信号的频率、脉宽及测速传感器115采集的转速值，并传输至车载显示终端12，其中为保证播种体监测单元11与车载。

另，在本实施例中，光传感探头112采用同轴式光纤连接于信号放大与发生器111及光电信号采集器113，但本发明并不以此为限，在其他的实施例中，光传感探头112还可采用直反式光纤连接于信号放大与发生器111及光电信号 采集器113。

再请参阅图3，图3是本发明气力式精密播种机播种监测装置另一实施例结构示意图。如图3所示，本发明气力式精密播种机播种监测装置2包含：多个播种体监测单元(211、212、213…21n，n为一正整数)及一个车载显示终端22；n为播种体监测单元的数量，n等于气力式精密播种机的播种行数；车载显示终端22通过CAN总线电性连接于多个播种体监测单元(211、212、213…21n)。

其中，图3所示的多个播种体监测单元211、212、213…21n的每一播种体监测单元及车载显示终端22的结构、功能与图1及图2所示播种体监测单元11及车载显示终端12的相同之处在此并不赘述，现将不同之处说明如下：由于气力式精密播种机一般为多行宽幅装备，能够在田间同时进行多播种，因此气力式精密播种机播种监测装置2能够同时监测播种机每一行的播种质量。具体地说，多个播种体监测单元211、212、213…21n的每一播种体监测单元，分别产生一检测光信号后，对应的照射并采集多个排种盘31、32、33…3m(m为播种盘数量，且m为一正整数，并与n相等)的每一排种盘的第一反射光信号、第二反射光信号及转速值，然后每一播种体监测单元对应处理第一反射光信号及第二反射光信号生成一电脉冲信号并提取出电脉冲信号的频率及脉宽；车载显示终端22的上位程序控制模块同时接收每一播种体监测单元传送的频率、脉宽及转速值，计算并显示每一播种体监测单元监测到的该行的实际播种质量指标参数，当实际播种质量指标参数大于一设定阈值时，则认定播种作业存在异常，当实际播种质量指标参数小于或等于一设定阈值时，则认定播种作业正常。

如发现该行存在播种作业异常情况，则针对该行发出预警，已提示播种机驾驶员。

举例来说，播种体监测单元211产生一检测光信号后，照射并采集排种盘31的第一反射光信号、第二反射光信号及转速值，播种体监测单元211处理排种盘31的第一反射光信号及第二反射光信号生成一电脉冲信号并提取出电脉冲信号的频率及脉宽；车载显示终端22的上位程序控制模块接收播种体监测单元211传送的频率、脉宽及转速值，计算出播种体监测单元211监测到的排种盘31所在播种机的这一行的单位时间T₀内漏播数N_K及重播数并进行显 示，当单位时间T₀内漏播数N_K大于漏播数设定值3时判定这一行存在播种作业异常情况，或当重播数大于重播数设定值8时判定这一行存在播种作业异常情况，再或者当单位时间T₀内漏播数N_K大于漏播数设定值3且重播数大于重播数设定值8时判定这一行存在播种作业异常情况，当这一行存在播种作业异常情况，则针对这一行发出预警，提示播种机驾驶员停机检查。

请参阅图4，图4是本发明气力式精密播种机播种监测方法流程图。

如图4所示，本发明气力式精密播种机播种监测方法包含以下步骤：

检测信号采集步骤S100：通过一播种体监测单元，产生一检测光信号，再分别采集所述检测光信号经一排种盘的一穴位上无种子产生的一第一反射光信号和有种子产生的一第二反射光信号及所述排种盘的转速值，并处理所述第一反射光信号及所述第二反射光信号，生成一电脉冲信号，同时提取出所述电脉冲信号的一频率及一脉宽；

播种质量指标输出步骤S200：通过一车载显示终端的一上位程序控制模块根据所述频率、所述脉宽及所述转速值获取并显示出实际播种质量指标参数，所述实际播种质量指标参数如大于一设定阈值则判定播种作业存在异常情况，其中，实际播种质量指标参数为一单位时间T₀内漏播数N_K及一重播数的至少之一者，设定阈值为漏播数设定值和重播数设定值的至少之一者；

预警步骤S300，如判定播种作业存在异常情况，则通过一报警装置进行声光预警。

再请参阅图5，图5是本发明气力式精密播种机播种监测方法的检测信号采集步骤流程图。如图5所示，所述检测信号采集步骤S100进一步包含：

检测光信号产生步骤S101：通过信号发生与放大器111产生一放大后的检测光信号；

反射光信号采集步骤S102：通过光传感探头112接收检测光信号，并垂直对准排种盘3的种子吸孔311发射检测光信号后，分别采集排种盘3的种子吸孔311上无种子时反射的第一反射光信号及排种盘3的种子吸孔311上有种子时反射的第二反射光信号；

反射光信号转换步骤S103：通过光电信号采集器113将第一反射光信号转换为一第一电信号A_Th；将第二反射光信号转换为一第二电信号A_z；

电信号比较与整形步骤S104：通过比较与整形电路114将第二电信号A_z 与第一电信号A_Th进行比较、整形，并输出一电脉冲信号；

转速值采集步骤S105：通过测速传感器115采集排种盘3的转速值V_B；

特征值提取步骤S106：通过信号采集与处理器116提取电脉冲信号的频率F_p、脉宽T_p及测速传感器115采集的转速值V_B。

再请参阅图6，图6是本发明气力式精密播种机播种监测方法的播种质量指标输出步骤流程图。如图6所示，质量指标输出步骤S200进一步包含：

获取漏播数步骤S201：获取单位时间T₀内漏播种数N_K，如N_K大于漏播数设定值，则判定一气力式精密播种机出现漏播情况；

获取重播数步骤S202：获取重播数，如重播数大于重播数设定值，则判定一气力式精密播种机出现重播情况。

其中，获取漏播数步骤S201更进一步的包含：

获取单位时间T₀内理论播种数N_L步骤S2011：N_L＝V_B·N₀·T₀，式中：N₀为排种盘上均匀布置的种子吸孔数；

获取单位时间T₀内实际播种数N_S步骤S2012：N_S＝f_p·T₀；

获取单位时间T₀内漏播数N_K步骤S2013：N_K＝N_L-N_S；

漏播情况判定步骤S2014：如漏播数N_K大于漏播数设定值3时，则判定一气力式精密播种机出现漏播情况。其中，本实施例中设定漏播数设定值为3，但本发明并不以此为限，实际实施中漏播数设定值依据播种机和播种要求会设定不同的值。

其中，获取重播数步骤S202更进一步的包含：

获取理论脉宽T_L步骤S2021：获取单粒种子所产生的理论脉宽T_L，式中：D_k为种子吸孔的直径，D_P为排种盘种子吸孔中心所围成圆的直径，α为可变系数；

脉宽比较步骤S2022：通过实际脉宽T_p与理论脉宽T_L比较，如果T_p≥β·T_L时(β为大于1的调整系数)，存在有两个种子同时被吸到的情况，即发生重播情况，重播数加1；

重播情况判定步骤S2023：如重播数大于重播数设定值8时，则判定一气力式精密播种机出现重播情况。其中，本实施例中设定重播数设定值为8，但本发明并不以此为限，实际实施中重播数设定值依据播种机和播种要求会设定不同的值。

其中，上位程序控制模块还可计算得到播种机的漏播率、重播率等其他实际播种质量指标参数，更能根据所有实际播种质量指标参数实时调节播种机的播种参数进行实时调节，播种参数如播种量、漏播数设定值及重播数设定值等。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。