CN102630407A - 一种播种机工作状态实时监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种播种机工作状态实时监控系统和方法，所述实时监控系统包括电源、以微处理器为核心的主控制系统、报警系统、差分全球定位系统、安装在播种单体上漏播实时监测系统、安装在播种单体上的直流调速电机和测速器。主控制系统安装在拖拉机的驾驶室内，通过屏蔽导线分别与漏播实时监测系统的三个监测传感器、直流调速电机、差分全球定位系统、测速器和报警系统电连接。本发明的系统和方法可以实时监测播种机当前的工作状态，精确判断播种机的故障类型和漏播位置，并对播种进行智能化的控制和调整。

Description

一种播种机工作状态实时监控系统和方法

技术领域

本发明属于农业机械领域，尤其涉及一种对播种机的工作状态进行实时监控的系统和方法。

技术背景

由于农田作业环境复杂，现有精密播种机在田间作业时，会存在漏播、排种管堵塞等状况。漏播、排种管堵塞和种箱缺种状况出现之后，如果不能及时发现会使得播种作业区域产生“断条”现象。漏播、排种管堵塞和种箱缺种等状况的发生会严重影响播种质量，并影响精密播种机的作业效率。

精密播种机工作状态的实时监测一方面可以使播种作业人员及时了解播种机作业速度，另一方面可以及时反馈漏播、排种管堵塞和种箱缺种等意外状况，可以有效的提高作业质量和作业效率。因此，精密播种机工作状态的实时监测是实施精准农业作业的关键环节之一，可以为精准农业的实施提供可靠的技术保障。

目前，国内外播种机监测技术虽然各具特色，但其监测状况主要为播种机漏播、重播，没有实现针对开沟器堵塞和种箱缺种的监测功能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种能够对播种机的工作状态进行实时监控并能对播种机进行智能化控制的播种机工作状态实时监控系统和方法。

本发明的播种机工作状态实时监控系统，其包括电源、以微处理器为核心的主控制系统、报警系统、差分全球定位系统、安装在播种单体上漏播实时监测系统、安装在播种单体上的直流调速电机、测速器；所述主控制系统内存储有播种单体的相应编号；所述漏播实时监测系统包括三个监测传感器，即用于监测播种单体种箱内是否缺种的种箱监测传感器、用于监测是否具有种子经过播种单体排种管下落的排种监测传感器、和用于监测播种单体开沟器是否堵塞的开沟器监测传感器；种箱监测传感器、排种监测传感器和开沟器监测传感器均为电容式接近传感器，并均通过屏蔽导线与主控制系统电连接；种箱监测传感器通过卡座固定在距离种箱底部1-2cm处，排种监测传感器通过卡座固定在排种管外侧中上部，开沟器监测传感器通过卡座固定在开沟器上部；所述电源为拖拉机+12V直流电源，用于为主控制系统、漏播实时监测系统、直流调速电机、测速器以及报警系统提供+12V直流电源；所述的差分全球定位系统包括基准站和流动站，其中基准站放置在距离作业地块10km以内的任意位置且作业过程中基准站位置固定不变，流动站固定在拖拉机驾驶室顶部；主控制系统安装在拖拉机的驾驶室内，通过屏蔽导线分别与漏播实时监测系统的三个监测传感器、直流调速电机、差分全球定位系统、测速器和报警系统电连接；所述直流调速电机用于为播种单体的排种轮提供动力；所述测速器用于实时测量播种机的行进速度，该测速器可以是安装在拖拉机车轮上的速度传感器或安装在驾驶室内的差分全球定位系统测速器；主控制系统通过排种监测传感器确定相邻两粒种子经过排种管下落的时间间隔并判断该时间间隔是否大于5T，所述T为预设定的相邻两粒种子经过排种管下落的正常时间间隔；主控制系统测速器测得的播种机的行进速度和播种粒距要求实时调节直流调速电机的转速，以及根据播种机行进的速度自动调整预设定的相邻两粒种子经过排种管下落的正常时间间隔T的大小。

优选的是，所述种箱监测传感器、排种监测传感器和开沟器监测传感器均为TAB-30D30N1-D3型电容式接近传感器。所述T＝0.2s-0.5s，更为优选的是，所述T＝0.3s。所述排种监测传感器固定在排种管外侧距离排种管上端5-10cm处，所述开沟器监测传感器通过固定在开沟器距离开沟器上端5-10cm处。

利用本发明的播种机工作状态实时监控系统进行实时监控的方法，包括如下步骤：

S1：选定作业地块的作业基点O，以该基点O为原点，在主控制系统中建立二维坐标系，纵轴y为垄长延伸的方向，横轴x的方向为垂直于垄长的方向，并标识有行号；

S2：将差分全球定位系统的基准站放置在距离作业地块10km以内的某一位置并保持不变，并利用差分全球定位系统确定基点O的经纬度，并将基点O的经纬度信息传递给主控制系统进行存储；

S3：根据粒距要求和预定的播种机行进速度，在主控制系统内设定直流调速电机的转速和相邻两粒种子经过排种管下落的正常时间间隔T的大小；

开始作业时播种机首先沿着y轴的方向作业，并在到达对面地头之后反向作业，如此往复直至作业结束；

在整个作业过程中，主控制系统根据差分全球定位系统提供的经纬度信息确定播种单体实时经纬度信息并在所述坐标系中绘制播种单体行进轨迹图；

主控制系统根据测速器实际测得的播种机行进速度，自动调整直流调速电机的转速和T的大小；

主控制系统根据播种单体上的种箱监测传感器、排种监测传感器和开沟器监测传感器所提供的监测信息判定是否发生漏播；种箱监测传感器输出为0V电平时表示种箱缺种而导致漏播，相邻两粒种子经过排种管下落的时间间隔大于5T时表示排种管和/或排种器故障而导致漏播，开沟器监测传感器输出为12V电平时表示开沟器堵塞而导致漏播；

在发生漏播时，主控制系统在指令报警系统进行声光报警的同时，主控制系统根据提供漏播信息的传感器所在播种单体的编号和在播种单体上的安装位置，确定和存储发生漏播的播种单体编号和漏播类型、存储发生漏播的时间，并在播种单体行进轨迹图上标识漏播区域在作业地块中的位置；

所述漏播类型为种箱缺种漏播、排种管故障漏播和开沟器堵塞漏播中的一种或多种。

发明的优点是：可以根据电容式接近传感器的输出信号实时监测播种机当前的工作状态；可以分别精确判断播种机的故障类型和漏播位置，在后期补种作业中，可以根据所保存的漏播区域位置信息，实现对漏播区域位置的精确定位，为及时排除故障和后期补种提供便利；通过对直流调速电机的实时监测和控制，不但保证了播种的均匀，还能对播种进行智能化的控制和调整。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的播种机工作状态实时监控系统的结构框图；

图2为具有三个播种单体的播种机示意图；

图3为本发明的一个播种单体的正视图；

图4和图5分别为播种单体的正向和反向作业时的行进轨迹示意图。

具体实施方式

为了能够更加全面的理解本发明，下面将结合附图对本发明的系统和方法做进一步的解释和说明。

如图1所示，本发明的播种机工作状态实时监控系统，其包括电源、以微处理器为核心的主控制系统、安装在播种单体上漏播实时监测系统、安装在播种单体上的直流调速电机、测速器、差分全球定位系统和报警系统。所述电源为拖拉机的+12V直流电源，负责为主控制系统、漏播实时监测系统、直流调速电机、测速器、以及报警系统提供+12V直流电源。

播种机上一般安装有至少1个播种单体，在本发明的实施例中播种机安装有三个播种单体(如图2所示)，三个播种单体分别为播种单体1、播种单体2和播种单体3。

如图3，播种单体1、2和3具有种箱4、排种器5和开沟器6。排种器5具有排种轮和排种管53，排种轮安装在种箱4的内部，排种管53安装在种箱4的下方。所述直流调速电机7用于为排种轮提供动力，直流调速电机7的的动力通过排种轴54传递给排种轮，从而带动排种轮旋转，进而使种子进入排种管53中，此外，直流调速电机7还通过屏蔽导线与主控制系统电连接。利用直流调速电机7提供动力，动力稳定并易于控制，与利用传统的靠地轮传递动力相比，其不受地面起伏的影响，从而能够保证了均匀播种，并避免因地面起伏而造成的动力传递不畅造成的漏播。

播种单体1、2和3在主控制系统内均有相对应的编号(如播种单体1，2和3等)，以便利于主控制系统定位和标识每一播种单体以及每一播种单体上的漏播实时监测系统(也即漏播实时监测系统的传感器)。

如图3所示，漏播实时监测系统包括用于监测种箱4内是否缺种的种箱监测传感器41、用于监测是否具有种子(如玉米)经过排种管5下落的排种监测传感器51、和用于监测开沟器6是否堵塞的开沟器监测传感器61，上述三个传感器41、51和61均为电容式接近传感器(优选为TAB-30D30N1-D3型电容式接近传感器)，并且上述三个传感器41、51和61均通过屏蔽导线与主控制系统电连接，从而主控制系统能够实时接收和监测上述三个传感器输出电平信号的变化。播种机工作的环境秸秆、灰尘多，其它类型的传感器不但使漏播监测系统成本很高，而且结构复杂，在在恶劣环境中使用时其监测精度难以保证，本发明采用电容式接近传感器，其结构简单，监测灵敏度高、性能好，在农田等恶劣环境作业时，能保持较高的可靠性和监测精确。种箱监测传感器41通过卡座固定在播种单体的种箱4的底部，优选固定在距离种箱4的底部1-2cm处，当种箱中内的种子没过种箱监测传感器21或者与之平齐时，种箱监测传感器1输出为12V的高电平；当种箱内的种子低于种箱监测传感器41时，种箱监测传感器41输出为0V的低电平，主控制系统认为种箱监测传感器1输出信号异常。主控制系统通过实时监测种箱监测传感器41输出电平的高低，即可判断种箱内是否缺种，由此判定是否因缺种而导致漏播。排种监测传感器51通过卡座固定在播种单体的排种管5外侧的中上部，优选距离排种管上端5-10cm，当有种子下落经过排种监测传感器51的监测面时，排种监测传感器51输出12V的高电平；当无种子下落时，排种监测传感器51输出0V的低电平，主控制系统通过实时排种监测传感器51输出电平的变化，即可判定是否有种子下落，由此确定相邻两粒种子的下落时间间隔。根据作业情况，作业前可通过主控制系统设定播种机以正常速度前进进行播种作业时两粒种子下落的正常时间间隔为T，正常的时间间隔T与种子的粒径和所需的苗距具有直接关系，一般情况下T可在0.2s-0.5s之间，对于像玉米种子来说可以优选T＝0.3s，当主控制系统监测到相邻两粒种子下落的时间间隔大于5T时，则可认为排种器和/或排种管发生故障而导致漏播情况发生，并认为排种监测传感器51输出信号异常。开沟器监测传感器6固定在播种单体的开沟器61上部，优选距离开沟器上端5-10cm，当播种机工作正常、开沟器6未堵塞的情况下，开沟器监测传感器61的输出电平在0-12V的低高电平之间有规律的变化；当播种机开沟器6堵塞时，开沟器监测传感器61的输出为12V的高电平，主控制系统确定开沟器6是否发生堵塞而导致漏播并认为开沟器监测传感器61的输出信号异常。

所述测速器用于实时测量播种机的行进速度，该测速器可以是安装在拖拉机车轮上的速度传感器(该传感器优选无源非接触霍尔元件式传感器)，或安装在驾驶室内的GPS测速器，测速器将测得的播种机行进速度实时传递给主控制系统。主控制系统根据播种机的行进速度和播种粒距要求实时调节直流调速电机7的转速以便调节排种轮的旋转速度，进而使播种粒距不受播种机行进速度的影响，实现播种的智能化控制。同时，主控制系统还会根据播种机行进的速度或直流调速电机的转速自动调整相邻两粒种子下落的正常时间间隔T的大小，行进速度增大则T减小，反之亦然，保证行进速度与T的协调。这样就能够在拖拉机速度变化的情况下保证均苗距相对均匀，同时也减轻了驾驶员把握速度的压力。

所述的差分全球定位系统为现有技术，其包括基准站和流动站。基准站可以放置在距离作业地块10km以内的任意位置并且在作业期间位置保持固定不变，在作业前可先将基准站放置在选好的位置上，流动站固定在拖拉机驾驶室顶部。差分全球定位系统可实时确定拖拉机的位置，并将该位置通过流动站传递给主控制系统，主控制系统根据流动站的位置和播种单体相对于流动站的距离就能确定播种单体的精确位置。

主控制系统安装在拖拉机的驾驶室内，其通过屏蔽导线分别与每一播种单体1、2和3上的种箱监测传感器41、排种监测传感器51和开沟器监测传感器61和直流调速电机7电连接，同时还与测速器电连接，主控制系统还通过屏蔽导线与差分全球定位系统和报警系统电连接。由于每一播种单体相对于差分全球定位系统流动站的位置是确定的并在作业前存储在主控制系统内，因而，主控制系统根据差分全球定位系统流动站的位置信息就可以精确地计算出每一播种单体的实时精确位置。

当主控制系统根据播种单体上的漏播实时监测系统的三个监测传感器41、51和61信号判定发生漏播时，主控制系统就会记录漏播发生的时间(也即传感器输出信号异常的时间)、漏播单体编号、漏播类型(种箱缺种漏播、排种管故障漏播、开沟器堵塞漏播)、漏播发生的位置(漏播的行号和距离基点的纵向距离)，并向报警系统发送报警信号，从而控制报警系统进行声光报警，引起作业人员的注意，作业人员根据主控制系统显示的信息，可快捷地停机检修，同时作业人员还能根据主控制系统记录的漏播位置(如图5中漏播位置10)信息方便地进行后期补种作业。

下面结合附图对本发明的漏播实时监控方法做进一步地说明。

一种利用本发明的播种机漏播实时监控系统进行实时监控的方法，包括如下步骤：

S1：选定作业地块的作业基点O，以该基点O为原点，在主控制系统中建立二维坐标系，纵轴y为垄长延伸的方向，横轴x的方向为垂直于垄长的方向，并标识有行号，如第1、2、3……N行，如图4和5所示；

S2：将差分全球定位系统的基准站放置在距离作业地块10km以内的某一位置并保持不变，并利用差分全球定位系统确定基点O的经纬度，并将基点O的经纬度信息传递给主控制系统进行存储；

S3：根据粒距要求和预定的播种机行进速度，在主控制系统内设定直流调速电机的转速和相邻两粒种子经过排种管下落的正常时间间隔T的大小；

开始作业时播种机首先沿着y轴的方向作业，并在到达对面地头之后反向作业(如图5)，如此往复直至作业结束；

在整个作业过程中，主控制系统根据差分全球定位系统提供的经纬度信息确定播种单体实时经纬度信息并在所述坐标系中绘制播种单体行进轨迹图；随着播种作业的进行，主控制系统会在所述轨迹图中在x轴的方向上顺序表上行号1、2、3……N，图4示出的是沿着y轴方向作业时轨迹图的示意图，在真实轨迹图中不具有播种单体；图5示出的是，到达地头反向作业时的示意图，当播种单体到达x轴时，主控制系统会立即在轨迹图中标上行号(如4、5、6)；

主控制系统根据测速器实际测得的播种机行进速度，自动调整直流调速电机的转速和T的大小；

主控制系统根据播种单体上的种箱监测传感器、排种监测传感器和开沟器监测传感器所提供的监测信息判定是否发生漏播；种箱监测传感器输出为0V电平时表示种箱缺种而导致漏播，相邻两粒种子经过排种管下落的时间间隔大于5T时表示排种管和/或排种器故障而导致漏播，开沟器监测传感器输出为12V电平时表示开沟器堵塞而导致漏播；

在发生漏播时，主控制系统在指令报警系统进行声光报警的同时，主控制系统根据提供漏播信息的传感器所在播种单体的编号和在播种单体上的安装位置，确定和存储发生漏播的播种单体编号和漏播类型(种箱缺种漏播、排种管故障漏播和开沟器堵塞漏播中的一种或多种)、存储发生漏播的时间，并在播种单体行进轨迹图上标识漏播在作业地块中的位置。下面接合附图4和5对上述方法进行进一步说明(假定播种机始终以固定速度行进，因而直流调速电机的转速和T的大小不变)。

如图4和5，三个播种单体的编号分别为1、2、3，作业前主控制系统首先将每一播种单体相对于流动站的位置信息存储起来，这样当知道流动站的位置时就能根据作业的方向确定出每一播种单体的精确位置，例如播种单体1上的种箱监测传感器61的输出信号异常(输出的电平为12V)，主控制系统指令报警系统进行报警，同时确定该开沟器监测传感器61所对应的播种单体编号(播种单体1)，由于是开沟器监测传感器61的信号异常，主控制系统就会判定开沟器堵塞并导致缺种漏播，这样，主控制系统就会存储上播种单体1和开沟器监测传感器61异常以及开沟器堵塞漏播的信息，并记录出现异常的时间和在轨迹图上标识出发生漏播的位置(如图5，漏播位置10)。根据所主控制系统存储的信息，作业人员一方面能够快速停机检查和维修(该实施例中是疏通开沟器)，另一方面还能在播种作业后及时的对漏播位置进行补种，避免播种作业过程中的频繁停车，若发生报警后倒车对漏播点用播种机补种的话，会造成未漏播区域的二次播种，既浪费种子又对耕地进行多余作业造成对土壤的过分扰动。为了方便起见，主控制系统会轨迹图上每一点在y轴上的坐标单位换算成m。

本专利申请是通过具体实施例进行说明的，在不脱离本专利申请范围的情况下，还可以对本专利申请进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本专利申请做各种修改和变形，这些修改和变形均不脱离本专利申请的范围。因此，本专利申请不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本专利申请权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (6)

1.一种播种机工作状态实时监控系统，其包括电源、以微处理器为核心的主控制系统、报警系统，其特征在于：还包括差分全球定位系统、安装在播种单体上漏播实时监测系统、安装在播种单体上的直流调速电机、测速器；所述主控制系统内存储有播种单体的相应编号；所述漏播实时监测系统包括三个监测传感器，即用于监测播种单体种箱内是否缺种的种箱监测传感器、用于监测是否具有种子经过播种单体排种管下落的排种监测传感器、和用于监测播种单体开沟器是否堵塞的开沟器监测传感器；种箱监测传感器、排种监测传感器和开沟器监测传感器均为电容式接近传感器，并均通过屏蔽导线与主控制系统电连接；种箱监测传感器通过卡座固定在距离种箱底部1-2cm处，排种监测传感器通过卡座固定在排种管外侧中上部，开沟器监测传感器通过卡座固定在开沟器上部；所述电源为拖拉机+12V直流电源，用于为主控制系统、漏播实时监测系统、直流调速电机、测速器以及报警系统提供+12V直流电源；

所述的差分全球定位系统包括基准站和流动站，其中基准站放置在距离作业地块10km以内的任意位置且作业过程中基准站位置固定不变，流动站固定在拖拉机驾驶室顶部；

主控制系统安装在拖拉机的驾驶室内，通过屏蔽导线分别与漏播实时监测系统的三个监测传感器、直流调速电机、差分全球定位系统、测速器和报警系统电连接；

所述直流调速电机用于为播种单体的排种轮提供动力；所述测速器用于实时测量播种机的行进速度，该测速器可以是安装在拖拉机车轮上的速度传感器或安装在驾驶室内的差分全球定位系统测速器；

主控制系统通过排种监测传感器确定相邻两粒种子经过排种管下落的时间间隔并判断该时间间隔是否大于5T，所述T为预设定的相邻两粒种子经过排种管下落的正常时间间隔；

主控制系统测速器测得的播种机的行进速度和播种粒距要求实时调节直流调速电机的转速，以及根据播种机行进的速度自动调整预设定的相邻两粒种子经过排种管下落的正常时间间隔T的大小。

2.如权利要求1所述的播种机工作状态实时监控系统，其特征在于：所述种箱监测传感器、排种监测传感器和开沟器监测传感器均为TAB-30D30N1-D3型电容式接近传感器。

3.如权利要求1所述的播种机工作状态实时监控系统，其特征在于：所述T＝0.2s-0.5s。

4.如权利要求1所述的播种机工作状态实时监控系统，其特征在于：所述T＝0.3s。

5.如权利要求1所述的播种机工作状态实时监控系统，其特征在于：所述排种监测传感器固定在排种管外侧距离排种管上端5-10cm处，所述开沟器监测传感器固定在开沟器距离开沟器上端5-10cm处。

6.一种利用权利要求1-5之一所述播种机工作状态实时监控系统进行实时监控的方法，包括如下步骤：

S1：选定作业地块的作业基点O，以该基点O为原点，在主控制系统中建立二维坐标系，纵轴y为垄长延伸的方向，横轴x的方向为垂直于垄长的方向，并标识有行号；

S2：将差分全球定位系统的基准站放置在距离作业地块10km以内的某一位置并保持不变，并利用差分全球定位系统确定基点O的经纬度，并将基点O的经纬度信息传递给主控制系统进行存储；

S3：根据粒距要求和预定的播种机行进速度，在主控制系统内设定直流调速电机的转速和相邻两粒种子经过排种管下落的正常时间间隔T的大小；

开始作业时播种机首先沿着y轴的方向作业，并在到达对面地头之后反向作业，如此往复直至作业结束；

在整个作业过程中，主控制系统根据差分全球定位系统提供的经纬度信息确定播种单体实时经纬度信息并在所述坐标系中绘制播种单体行进轨迹图；

主控制系统根据测速器实际测得的播种机行进速度，自动调整直流调速电机的转速和T的大小；

主控制系统根据播种单体上的种箱监测传感器、排种监测传感器和开沟器监测传感器所提供的监测信息判定是否发生漏播；种箱监测传感器输出为0V电平时表示种箱缺种而导致漏播，相邻两粒种子经过排种管下落的时间间隔大于5T时表示排种管和/或排种器故障而导致漏播，开沟器监测传感器输出为12V电平时表示开沟器堵塞而导致漏播；

在发生漏播时，主控制系统在指令报警系统进行声光报警的同时，主控制系统根据提供漏播信息的传感器所在播种单体的编号和在播种单体上的安装位置，确定和存储发生漏播的播种单体编号和漏播类型、存储发生漏播的时间，并在播种单体行进轨迹图上标识漏播区域在作业地块中的位置；

所述漏播类型为种箱缺种漏播、排种管故障漏播和开沟器堵塞漏播中的一种或多种。

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