免耕播种机播深智能监控系统的设计_于守先.pdf

2023 年第 5 期农机使用与维修29免耕播种机播深智能监控系统的设计于守先，侯天宝，李德新(东丰县大阳镇综合服务中心，吉林 东丰 136306)摘要:为了提高免耕播种机播种深度的一致性，提高农业生产规范化作业要求，为作物生长和产量提升提供一个良好的播种质量基础，基于单片机和无线通信技术等对免耕播种机播深监测系统进行研究，对各个生产部件的功能和选型进行分析，最后通过田间试验验证免耕播种机智能监测系统田间作业性能。研究结果可以为免耕播种机的设计及优化提供参考，对于进一步完善保护性耕作技术的发展提供技术支撑。关键词:免耕播种机;播深;智能监测;保护性耕作中图分类号:S223.2文献标识码:Adoi:1014031/j cnki njwx202305008Design on Intelligent Monitoring System of No till Planter Sowing DepthYU Shouxian，HOU Tianbao，LI Dexin(Comprehensive Service Center of Dayang Town，Dongfeng County，Dongfeng 136306，China)Abstract:In order to improve the consistency of no till planter sowing depth，improve the standardized operation re-quirements of agricultural production，and provide a good sowing quality basis for crop growth and yield improvement，this study researches the no till planter sowing depth monitoring system based on microcontroller and wireless communi-cation technology，etc，explains the function and selection of each production missing，and finally verifies the no tillplanter intelligent monitoring system in the field operation performance The research results can provide reference forthe design and optimization of no till planter，and provide technical support for the further improvement of conservationtillage technologyKey words:no till planter;sowing depth;intelligent monitoring;conservation tillage作者简介:于守先(1975)，男，吉林东丰人，大专，工程师，研究方向为农机新技术及新机具推广与应用。0引言免耕播种技术是保护性耕作技术的主要组成部分，主要是指在地表存在大量秸秆残茬的基础上进行作物播种作业1 3，但是由于地表平整度较差，免耕播种机工作稳定性和播深质量都受到较大影响。播深一致性是播种质量的重要评价指标与技术参数，播深一致性直接影响作物的生长及产量的提升4。在播种过程中，依靠人工进行播种作业质量监测存在劳动强度高、工作效率低等问题，在播种过程中容易发生机器堵塞造成大面积重播、漏播等现象5。随着农业机械自动化和智能化的发展，利用传感器、单片机等智能控制系统实现对农业机械的智能监测与调控是目前的主要发展趋势与研究重点。因此，基于智能监测装置实现对免耕播种机播种质量的监测是提高免耕播种机工作效率的重要环节，直接影响保护性耕作技术的大面积推广与应用。1国内外研究进展1.1国外研究进展国外对免耕播种机研究起步较早，在 20 世纪40 年代开始大量理论研究与试验分析，后期随着电子信息技术在农业生产中的快速发展，已经研制出较多相对成熟的智能监控系统。如美国生产出一款精密播种机电子监控系统，传感器类型较多，可以实现多个部件工作信息的监测与采集，但是结构较为复杂，传感器容易受到田间高温和灰尘的影响。后期，布卢农业大学基于视觉识别技术，研制出一种精密播种机作业制导系统，实现对播种的实时监测，可以极大地提高播种机工作质量与工作效率。1.2国内发展现状在免耕播种机监控系统研究中，尽管我国研究起步较晚，但是随着电子信息技术的快速发展，我国不同生产企业和科研高校将信息技术与播种机结合，对免耕播种机监控系统进行了深入研究，也取得了较大的研究进展，并且设计了多种结构，如平行四连杆仿形机构、安装限深轮等方法实现结构优化，并且通过液压调节装置控制播种深度，基于多种传感器实现对播种深度的调节与控制。2免耕播种机播深实时监控系统整体设计2.1系统组成及功能本研究选择免耕播种机型号为 2BMZF 2，适合在秸秆覆盖的地表上进行播种作业，配合 22 30农机使用与维修2023 年第 5 期37 kW牵引机车，主要由机架、牵引梁等作业机构组成，可以一次性完成施肥、播种、覆土和镇压等作业环节。主要技术参数如表 1 所示6。表 12BMZF 2 免耕播种机技术参数项目技术参数外形尺寸(长 宽 高)/mm2 900 2 050 1 480整机质量/kg450配套动力范围/kW22 37作业行数2作业行距/mm400 700播种深度/mm50 90施肥深度/mm50 90(种下施肥)种箱容积/L31(2 个)肥箱容积/L147 7传动机构链传动排肥器型式双搅龙排种器型式指夹式施肥开沟型式灭茬圆盘排种开沟器型式双圆盘式覆土镇压型式双橡胶盘式作业速度/(kmh1)4 10免耕播种机实时监控系统主要包括播深信息采集模块、通信模块、报警模块和显示模块等。各部分功能如下:1)显示模块。用于操作人员进行参数设置和免耕播种机各个系统实时信息的显示。2)播种深度信息采集。主要是在免耕播种机工作过程中对播种深度数据经过滤波电路和数据转换模块进行分析和处理。3)报警模块。本研究采用声光报警模块检测免耕播种机工作过程中实际播种深度与设定播种深度的差异性，超过设定阈值后发出警报。4)通信模块。通信模块连接 APP，将监测信息传输至移动客户端。5)电源模块。采用车载 12 V 蓄电池电源经过降压转换后供电。2.2播深信息采集模块播种深度信息监测采用单片机进行数据采集，经过微处理器将数据通过通信模块传输至移动终端。2.3无线通信模块无线通信模块主要是实现数据传输，其工作性能直接影响免耕播种机监控系统数据监测稳定性和准确性。其主要功能是将单片机采集的田间信息快速、高效地传输给上位机。为了保证数据信息在田间高温、灰尘等恶劣环境中传输稳定性，应该保证通信模块工作低功耗。因此，本研究选取ESP8266WiFi 模块作为免耕播种机监控系统的通信模块。2.4报警单元本研究选择声光报警器作为报警模块，采用PNP 三极管组成电流放电器，进而驱动报警蜂鸣器和 LED 灯。2.5GPS 定位模块免耕播种机田间工作采用 GPS 定位器实时获取免 耕 播 种 机 工 作 位 置，在 系 统 中 采 用 AT-GM336H，可以为用户提供厘米级别的控制精度。2.6电源模块设计免耕播种机监控系统采用 12 V 直流电压，但是系统工作只需要 5 V 电压，因此采用电源转换芯片对电流进行降压。3播深实时监控系统软件设计系统采用 C 语言和汇编语言进行编程，程序编译工具为 KEIL C51 软件。C 语言具有丰富的库函数，具有多种高级语言特点，存在可读性和移植性强等应用优势，被广泛用于各种系统开发。型号为STC89C516D 单片机作为主控单元，程序编写完成后将 C 语言代码写入单片机内部。4田间试验与分析4.1播种深度测定方法作物播种深度采用免耕播种机质量评价技术规范，当田间播种深度3 cm 时，播种深度误差为1 cm，田间播种深度 3 cm 时，播种深度误差为0.5 cm。评价标准如表 2 所示。表 2免耕播种机播种深度评价标准单位:%分类合格标准一等标准优秀标准播种深度合格率75 085 095 0播种深度评价参数计算公式如式(1)(2)(3)和(4)所示=nN 100%(1)2023 年第 5 期农机使用与维修31?h=hiN(2)Sh=(hi?h)2N(3)Vh=Sh?h 100%(4)式中播种深度合格率，%;n播种深度合格数;N播种深度测量点数;?h播种深度平均值，mm;hi播种深度测量值，mm;Sh播种深度标准差，mm;Vh播种深度变异系数，%。4.2结果与分析在田间试验中，设定不同作业速度，分别为 4，6，8 和 10 kmh1，设定作物播种深度为 35 mm，选取 25 个采集点作为试验数据，同时记录人工测量播深数据，进行对比与分析，数据分析结果如表 3 所示。结果表明，免耕播种机田间监控系统数值差异性较小，测定较为稳定，系统监控和人工测量之间的误差大部分在 5%以内，表明该系统可以实现播种深度的有效测量。表 3统计数据分析单位:mm评价参数评价方式作业速度4 kmh16 kmh18 kmh110 kmh1平均值系统监测35 0036 2035 2037 00田间测量37 0038 0036 5037 20合格率系统监测5 726 618 125 85田间测量5 806 617 056 40标准差系统监测5 716 658 156 10田间测量5 826 657 106 35变异系数系统监测15 0018 2522 6516 10田间测量15 7017 5019 3016 955结论与展望5.1结论针对免耕播种机播种过程中存在的播深质量低、播深一致性差等问题，本研究基于智能控制技术提出一种免耕播种机智能监控系统，实现对播种深度的监测，通过田间试验验证可知，系统监测播种深度与人工监测误差较小，可以实现对免耕播种机播种深度的实时监控。5.2展望未来应增强免耕播种机智能监控系统 APP 监测信息多样化发展，并且基于视觉注意机制等实现对人机交互界面的优化设计，保证系统向人性化和智能化方向发展;另一方面，在机械设计中，应该使用液压装置实现对播种深度和开沟器的精准调节，促进免耕播种机向精密免耕播种机方向发展。参考文献:1 尹彦鑫 少免耕播种机信息流远程监测方法研究 D 北京:中国农业大学，2014 2 付彦涛 玉米免耕播种机播深实时监测系统设计与试验研究 D 大庆:黑龙江八一农垦大学，2022 3 丁启朔，尤勇，邢全道，等 基于精确播深控制目标的播种单体田间台架试验J 农业机械学报，2022，53(11):100 107 4赵瑜会 玉米免耕播种机播种施肥监控系统研究 D 长春:吉林农业大学，2018 5 白慧娟，方宪法，王德成，等 玉米播种机播深和压实度综合控制系统设计与试验J 农业机械学报，2020，51(9):61 72 6姜鑫铭 玉米免耕播种机精确播种关键技术研究 D 长春:吉林大学，2017(05)