CN114258764B

CN114258764B - 一种播种监测装置

Info

Publication number: CN114258764B
Application number: CN202210034042.1A
Authority: CN
Inventors: 杨丽; 肖天璞; 张东兴; 解春季; 崔涛; 和贤桃; 杜兆辉
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2042-01-13
Also published as: CN114258764A

Abstract

本发明公开了一种播种监测装置，包括控制器单元、人机交互显示终端，微波雷达信息捕获单元和GPS无线测速装置，其种：控制器单元安装在排种器支架上，人机交互显示终端通过支架安装固定在拖拉机驾驶室内，微波雷达信息捕获单元与排种器结合，安装在排种器的下方，GPS无线测速装置安装在拖拉机顶部；微波雷达信息捕获单元用于监测通过排种器导种管的种子，GPS无线测速装置用于检测拖拉机实时的速度信息。

Description

一种播种监测装置

技术领域

本发明属于智能农业装备领域，尤其涉及一种播种监测装置。

背景技术

随着我国农业机械化的发展，传统的低效率、耗时、劳动密集型农业生产模式逐渐被现代高效、先进的机械化生产模式所取代，作物的种植也逐渐从单纯追求高产向着效益与产量并重、效益优先的方向发展，精量播种技术因其突出的节本增效的优点，得到了高度的重视和广泛的应用。

目前我国的精量播种机安装监测设备相对较少，精量播种监测传感器也大部分都处于基础研究阶段，在复杂的田间作业环境中，通常会有防尘性差、监测精度易受到环境影响等缺点。现有的监测设备监测的参数以播量统计为主，没有对合格率、漏播率以及重播率等参数的监测，监测参数不全面。

为此本发明提出了一种播种监测装置，其抗灰尘能力强，监测精度高。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种播种监测装置，包括控制器单元、人机交互显示终端，微波雷达信息捕获单元和GPS无线测速装置，其中：控制器单元安装在排种器支架上，人机交互显示终端通过支架安装固定在拖拉机驾驶室内，微波雷达信息捕获单元与排种器结合，安装在排种器的下方，GPS无线测速装置安装在拖拉机顶部；微波雷达信息捕获单元用于监测通过排种器导种管的种子，GPS无线测速装置用于检测拖拉机实时的速度信息。

所述的播种监测装置，其中：在控制器单元包括控制盒，单片机，电压转换模块，下位机通信模块，电源开关，复位开关，传感器接收插头，测速接收插头，报警发送插头。

所述的播种监测装置，其中：控制盒上安装有电源开关和复位开关；电压转换模块用于将拖拉机12V电源转换为5V电源后为单片机供电；单片机的定时器输入捕获引脚连接到传感器接收插头，传感器接收插头与传感器信号发送插头配合连接。

所述的播种监测装置，其中：微波雷达信息捕获单元采用微波雷达传感器监测通过导种管的种子。

所述的播种监测装置，其中：微波雷达传感器安装在金属盒中，金属盒设有一个上下通孔,导种管的下部一侧设有一个凸台，另一侧下部设有两个开有通孔的底座，该两个底座间隔预定距离设置；金属盒顶部在通孔的一侧设有一个翻边，翻边开有一个凹孔，金属盒顶部在通孔的另一侧设有1个开有通孔的底座，导种管下端一部分从上向下插入通孔中且与通孔紧密配合，凸台嵌入凹孔中，金属盒上的底座置入导种管的两个底座之间，其通孔与导种管的底部的两个底座的通孔相对，插入长螺栓通过螺母紧固。

所述的播种监测装置，其中：金属盒侧面开有一个侧开口，侧开口底部设有一圈安装台阶，塑料板垫在该安装台阶上，微波雷达传感器安装在侧开口中，其内侧面与塑料板抵接，金属后盖盖在侧开口上，与微波雷达传感器的外侧面抵接，金属后盖通过螺丝固定在金属盒上。

所述的播种监测装置，其中：微波雷达信息捕获单元包括信号放大模块，所述信号放大模块包括运算放大器LM258,运算放大器LM258包括8个引脚，其中引脚1与电阻R7第一端连接，电阻R7第二端与电阻R1第一端连接，电阻R1第二端接地；引脚2与电阻R1第一端连接；引脚3与电阻R3和电容C1以及电阻R2的第一端连接，电阻R3和电容C1的第二端接地,电阻R2的第二端与接插件P1的第一脚连接，P1第二脚接地，P1第三脚接5V电压源VCC，P1的第1脚接微波雷达传感器信号发送插头，用于接受微波雷达传感器的输出中频信号if；引脚8接电容C2第一端同时接5V电压源VCC，电容C2第二端接地；引脚6与电阻R5和可调电阻R8的第一端连接，电阻R5第二端接地，可调电阻R8第二端与引脚7连接，可调电阻R8第二端与接插件P3第二脚连接，P3第一脚接地，P3第三脚接电压源VCC，P3的第2脚接单片机102的PA0脚；可调电阻R8第二端与电阻R6第一端连接，电阻R6第二端与发光二极管LED正极以及电容C3第一端连接，LED负极以及电容C3第二端接地；引脚5通过电阻R4与引脚1连接。

所述的播种监测装置，其中：控制器单元接收微波雷达传感器信号后将该信号转换为电压信号，控制器单元根据所述电压信号对播种情况进行判断并进行播种计数：当种子经过微波雷达传感器的辐射区域时，产生多个电压信号，设其数量为X，控制器单元将该X值与预先存储的单粒和多粒种子判断参考值P进行比较，X≤P时，计数+1；X>P时，计数+2。

所述的播种监测装置，其中：当控制器单元在设定时间间隔内获得的是一组大小不变的正电压值，可判断种子已经用光或者出现了阻塞导致无种子下落，控制器单元发出报警信号。

附图说明

图1为播种监测装置工作示意图；

图2为播种监测装置控制器单元结构示意图；

图3为播种监测装置无线远程监测数据传输流程示意图；

图4为播种监测装置微波雷达信息捕获单元结构示意图；

图5为播种监测装置微波雷达传感器检测原理示意图；

图6为播种监测装置人机交互显示终端软件界面示意图；

图7为播种监测装置信号放大电路原理图；

图8为播种监测装置种子数量识别判断算法流程图；

图9为播种监测装置单片机与各个模块之间的连接电路图。

附图标记说明

1控制器单元，101控制盒，102单片机，103电压转换模块，104下位机通信模块，105电源开关，106复位开关，107传感器接收插头，108测速接收插头，109报警发送插头，

2人机交互显示终端，201监视器，202监测软件，203无线串口通信模块，

3微波雷达信息捕获单元，301导种管，302传感器金属外壳，303塑料板，304微波雷达传感器，305，金属后盖，306，信号过滤及放大模块，307传感器信号发送插头，

4GPS无线测速装置，401GPS天线，402测速数据发送插头，

5报警反馈装置，501警示灯，502报警接收插头。

具体实施方式

下面结合附图1-9，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1-4所示，播种监测装置包括控制器单元1、人机交互显示终端2，微波雷达信息捕获单元3、GPS无线测速装置4、报警反馈装置5。

GPS无线测速装置4包括GPS天线401和测速数据发送插头402，GPS无线测速装置4可以利用GPS天线401实时获取播种机的前进速度，通过测速数据发送插头402与控制器单元1的测速接收插头108连接，将速度信号发送至单片机102。

报警反馈装置5包括警示灯501和报警接收插头502，报警反馈装置5可以实时对播种故障进行报警，通过报警接收插头502与控制器单元1的报警发送插头109连接，接收报警信号，控制警示灯501闪烁和鸣响。

如图1所示，播种监测装置以播种机为载体，控制器单元1通过螺栓连接安装在排种器支架上，监视器201通过支架安装固定在拖拉机驾驶室内，微波雷达信息捕获单元3与排种器结合，通过螺栓连接安装在排种器的下方，GPS天线401通过螺栓连接安装在拖拉机顶部，警示灯501通过螺栓连接安装在拖拉机机身的一侧。播种作业中，微波雷达信息捕获单元3监测通过导种管301的种子，GPS天线401获取拖拉机实时的速度信息并发送给控制单元1。控制单元1将播种量，合格率，漏播率，重播率等播种参数传输至监视器201实现人机交互，从而实现精量播种的实时无线远程监测。

如图2所示，控制器单元1包括控制盒101，STM32F103ZET6单片机102，电压转换模块103，下位机通信模块104，电源开关105，复位开关106，传感器接收插头107，测速接收插头108，报警发送插头109。控制盒101上安装有电源开关105和复位开关106，上述2开关分别用于控制控制器单元的开关和复位，二者均通过在控制盒101上打孔的方式进行安装。电压转换模块103将拖拉机12V电源转换为5V电源后为单片机102供电。单片机102的定时器输入捕获引脚PA0和电源引脚(5V和GND)连接到传感器接收插头107，传感器接收插头107与传感器信号发送插头307配合连接，实现电信号的传输。如图9所示，单片机102有多个定时器输入捕获引脚(PA6，PB6等)，方便用于微波雷达信息捕获单元3的拓展。测速接收插头108，报警发送插头109分别与单片机102的控制引脚PB1相连。测速接收插头108与测速发射插头402连接，报警发送插头109与报警接收插头502连接。GPS无线测速装置4的RX引脚连接单片机102的USART3的TX引脚(PB10),TX引脚连接单片机102的USART3的RX引脚(PB11),实现速度信号的采集。下位机通信模块104的RX引脚连接单片机102的USART1的TX引脚(PA9),TX引脚连接单片机102的USART1的RX引脚(PA10),下位机通信模块104用于与人机交互显示终端的无线串口通信模块203通信，实现播种参数在上位机和下位机之间的通信。

如图3所示，由微波雷达信息捕获单元3捕获的电信号以及GPS无线测速装置4获得的播种机前进速度信号，通过控制单元1，经算法统计出播种量、合格率、漏播率、重播率和实时株距等参数。人机交互显示终端2中的监测软件202采用窗口化的设计，可以同时安装在多个监视器201中，监视器201连接无线串口通信模块203实现与下位机通信模块104的实时通信，进而实现播种参数从控制器单元1和人机交互显示终端2之间的相互传输。当发生播种故障例如导种管堵塞或排种器缺种时，单片机102会发送指令给报警反馈装置5，警示灯501会闪烁和鸣响，同时人机交互显示终端2会报警显示该单体的异常。这两种故障都会导致传感器的输出信号保持长时间(一定时间)相同的状态，单片机102可以根据时间是否超过设定的阈值(1s或者2s)进行判断，进而发出报警信号。

如图4所示，微波雷达信息捕获单元3采用微波雷达传感器304监测通过导种管301的种子。微波雷达传感器304安装在金属盒302中，金属盒302设有一个上下通孔，金属盒302通过该上下通孔套装在导种管301下端，导种管301的下部一侧设有一个凸台308，另一侧下部设有两个开有通孔的底座309，该两个底座309间隔预定距离设置。金属盒302顶部在通孔的一侧设有一个翻边312，翻边312开有一个凹孔313，金属盒302顶部在通孔的另一侧设有1个开有通孔的底座310，金属盒302安装时，导种管301下端一部分从上向下插入通孔中且与通孔紧密配合，凸台308嵌入凹孔302中，金属盒302上的底座310置入导种管301的两个底座309之间，其通孔与导种管301的底部的两个底座的通孔相对，插入长螺栓311后用螺母紧固，最终实现金属盒302与导种管301的紧密安装，该安装方式拆卸简单快捷，且导种管301一部分插入紧密的在金属盒的通孔内，可以防止雨水等进入，避免对装置造成不良影响。金属盒302侧面开有一个侧开口，侧开口底部设有一圈安装台阶，塑料板303垫在该安装台阶上，微波雷达传感器304安装在侧开口中，其内侧面与塑料板303抵接，金属后盖305盖在侧开口上，与微波雷达传感器304的外侧面抵接，金属后盖305通过螺丝固定在金属盒302上。

微波雷达传感器304使用的是基于K波段(24.125GHz)的微波雷达射频前端，主要包括三个部分：射频电路、微带阵列天线和金属屏蔽外壳，可实现高精度、抗干扰的目标检测。种子通过播种装置后，种子在导种管内的运动速度通常小于5m/s。根据多普勒频移计算公式：

这里，f_d是多普勒频移，Hz；f₀是微波雷达射频前端的电磁波频率，Hz；v_r是物体的运动速度，m/s；C是电磁波的传播速度，3×10⁸m/s；θ为运动物体瞬时方向与微波雷达射频前端天线发射方向的夹角(θ＝0°，cosθ＝1，达到最大值)。经计算，得到f_d≈804Hz，f_d＜1KHz，，这为放大滤波电路的设计提供了目标参数。此信号是微波雷达传感器304的射频前端生成的原始信号，无法有效地被控制系统捕获。因此，微波雷达传感器304需要由通过IF(中频)引脚连接信号过滤及放大模块306来进行信号处理，本发明使用LM258放大模块将原始信号放大1000倍，并通过传感器信号发送插头307与传感器接收插头107连接，实现传感器电信号的传输。此外，如下对图7的详细说明中，传感器使用电位器W504(阻值范围500KΩ)替换常规的固定电阻器，一端连接集成运放放大模块的IN2(1)和固定电阻R5，另一侧连接信号输出接口P3第二脚和固定电阻R6。通过调节电位器W504的阻值大小可以更改信号放大电路的放大倍数，进而实现传感器灵敏度的调整，保证传感器能够适应不同的作物种子以及复杂的作业环境。

信号的放大倍数是1000倍，电压(电流)放大倍数的分贝数计算公式如下：

这里，K是放大倍数的分贝数，dB；v_o是放大信号输出(可取1v),V；v_i是信号输入(可取1mV)。

经过计算得出K＝60dB。通常，在设计放大滤波电路时，如果增益较大，一般采用多级放大，每一级放大倍数最好不超过30dB。因此，本发明采用两级放大的设计方式，每一级放大30dB。本发明所采用的运算放大器型号为LM258。信号放大模块306如图7所示：运算放大器LM258共有8个引脚，其中引脚1与电阻R7第一端连接，电阻R7第二端与电阻R1第一端连接，电阻R1第二端接地；引脚2与电阻R1第一端连接；引脚3与电阻R3和电容C1以及电阻R2的第一端连接，电阻R3和电容C1的第2端接地,电阻R2的第二端与接插件P1的第一脚连接，P1第二脚接地，P1第三脚接5V电压源VCC，P1的第1脚接微波雷达传感器信号发送插头，用于接收微波雷达传感器输出的中频信号IF；引脚8接电容C2第一端同时接5V电压源VCC，电容C2第二端接地；引脚6与电阻R5和可调电阻R8(可选电位器W504，阻值范围500KΩ)的第一端连接，电阻R5第二端接地，可调电阻R8第二端与引脚7连接，可调电阻R8第二端与接插件P3第二脚连接，P3第一脚接地，P3第三脚接电压源VCC，P3的第2脚接单片机102的PA0脚；可调电阻R8第二端与电阻R6第一端连接，电阻R6第二端与发光二极管LED正极以及电容C3第一端连接，LED负极以及电容C3第二端接地；引脚5通过电阻R4与引脚1连接。

如图5所示，微波雷达传感器304的探测方法基于多普勒效应：物体反射的波长因波源和目标物体的相对运动而发生变化。当波源向观察者移动时，接收频率变高，当波源移离观察者时，接收频率变低。因此，只要有相对的运动，接收的电磁波的频率就会与信号源发出的电磁波频率不同，此差异称为多普勒频移，基于此原理采集差异信号即可检测出通过导种管的种子。其工作过程主要为微波雷达传感器304的收发一体式微带天线负责发射和接收电磁波，发射的电磁波监测到种子会发生频率的变化，由接收天线接收回波，进一步由信号过滤及放大模块306完成滤波和信号放大。此外，微波雷达传感器304的穿透能力强，发射的电磁波可以穿透塑料板303来监测经过的种子，因此可以免开孔直接安装，有效避免了田间作业灰尘的影响以及种子的碰撞，实现高精度、抗干扰的播种质量监测。

如图6所示，监测软件202采用窗口化的设计，主要包含排种器排种盘孔数和目标株距的设置，用于获取准确的播种参数；播量、合格率、漏播率、重播率、实时株距和实时作业速度等参数，通过算法计算和通信模块的数据传输实现播种参数的实时监测和现实；播种单体故障报警功能可获取异常播种行数的位置信息，方便驾驶人员下机检查维修。

此外，本发明还提出了一种单粒种子和多粒重叠种子的精确计数识别判断算法，可以提高播种数量的监测精度。

首先，利用单片机102自带的ADC信号采集模块(ADS1256)对微波雷达传感器的输出信号进行采集，得到微波雷达传感器的输出电压值Volts。首先，根据公式(5)可以得出电压模拟信号值adc,然后根据公式(6)可以计算得出电压数字信号值Volts。因此，单片机可以将微波雷达传感器信号输出的最终结果转换为电压值大小。

adc＝AIN0-AINCOM(5)

Volts＝adc·V/N(6)

这里，AIN0是单片机采集的模拟信号值，AINCOM是单片机的标准参考值(一般为0)，V是基准源电压值，取值2.5,N是ADS1256测量值的存储位数，取值2的22次方：4194304。

然后，单片机102根据获得的电压值对播种情况进行判断并进行播种计数：

不同大小的种子以及不同数量的种子在下落时微波雷达传感器产生的信号不同，不但信号的电压值的大小不同，也包括不同的电压信号输出次数，因此通过比较电压信号的输出次数可识别判断单粒种子还是多粒重叠种子，进而实现种子数量的准确计数。这种判定方法和普通的信号采集方法相比，能够准确的计数多粒重叠种子的数量，极大减小了监测值和真实值之间的差异，具有更高的准确度和可靠性。以单粒和2粒种子为例，判断算法流程如图8所示。当种子经过微波雷达传感器的辐射区域时，ADC信号采集模块会采集到种子信号并输出采集的电压信号，根据单粒种子和多粒重叠种子的电压信号输出次数确定合适的P值(判断单粒种子和多粒种子的临界信号值数量)。P值的确定是判断算法最重要的部分。根据P值可以判断出单粒种子或多粒重叠种子，并进行准确的计数。程序具体的实现过程如下：首先，将每次得到的信号值存储到一个数组里面，然后统计出数组里面所存储的值的个数，进而得到信号的输出次数X,将X和P进行比较，符合单粒种子的判断逻辑，那么计数+1，符合多粒重叠种子的判断逻辑，那么计数+2，最终实现对落种数量的准确识别判断和计数。

以大豆种子为例，单粒种子下落时，单片机102获得的微波雷达传感器输出的电压信号值为5个，分别为3V，1.5V，0V，1.5V，3V；而2粒种子落下时，单片机102获得的微波雷达传感器输出的电压信号值为11个，分别为3V，2.5V，2V，1.5V，1V，0V，1V,1.5V，2V，2.5V，3V。单片机102中预先存储的判断单粒种子和多粒种子的临界信号值数量P值为5，播种机工作时，单片机将每次获得的微波雷达传感器的输出电压数量X与P相比，小于或等于时判断为单粒种子，大于P时，判断为2粒种子。当然，当没有种子落下时，单片机102获得的是一组大小不变的正电压值，由此可判断种子已经用光或者出现了阻塞导致无种子下落，可发出报警信号。

本发明的播种监测装置，能够实现精量播种质量的实时无线远程监测，监测准确，受外界工作环境影响较小。

Claims

1.一种播种监测装置，包括控制器单元、人机交互显示终端，微波雷达信息捕获单元和GPS无线测速装置，其特征在于：控制器单元安装在排种器支架上，人机交互显示终端通过支架安装固定在拖拉机驾驶室内，微波雷达信息捕获单元与排种器结合，安装在排种器的下方，GPS无线测速装置安装在拖拉机顶部；微波雷达信息捕获单元用于监测通过排种器导种管的种子，GPS无线测速装置用于检测拖拉机实时的速度信息；微波雷达信息捕获单元包括微波雷达传感器，根据多普勒频移计算公式：

其中，f_d是多普勒频移，Hz；f₀是微波雷达射频前端的电磁波频率，Hz；v_r是物体的运动速度，m/s；C是电磁波的传播速度，3×10⁸m/s；θ为运动物体瞬时方向与微波雷达射频前端天线发射方向的夹角；f_d≈804Hz，f_d<1KHz，此信号是微波雷达传感器的射频前端生成的原始信号，将原始信号放大1000倍；控制器单元包括控制盒，单片机，电压转换模块，下位机通信模块，电源开关，复位开关，传感器接收插头，测速接收插头，报警发送插头；

单片机用于利用自带的ADC信号采集模块对微波雷达传感器的输出信号进行采集，得到微波雷达传感器的输出电压值Volts：其中先根据公式adc＝AIN0-AINCOM得出电压模拟信号值adc,然后根据公式Volts＝adc·V/N计算得出电压数字信号值Volts；由此单片机将微波雷达传感器信号输出的最终结果转换为电压值大小；

其中，AIN0是单片机采集的模拟信号值，AINCOM是单片机的标准参考值，V是基准源电压值，N是ADC信号采集模块测量值的存储位数；

单片机用于根据获得的电压值对播种情况进行判断并进行播种计数，不同大小的种子以及不同数量的种子在下落时微波雷达传感器产生的信号不同，不但信号的电压值的大小不同，也包括不同的电压信号输出次数，因此通过比较电压信号的输出次数可识别判断单粒种子还是多粒重叠种子，进而实现种子数量的准确计数；

其中，单粒和2粒种子的判断方式如下：当种子经过微波雷达传感器的辐射区域时，ADC信号采集模块会采集到种子信号并输出采集的电压信号，根据单粒种子和多粒重叠种子的电压信号输出次数确定合适的P值，P值的确定过程如下：首先，将每次得到的信号值存储到一个数组里面，然后统计出数组里面所存储的值的个数，进而得到信号的输出次数X,将X和P进行比较，符合单粒种子的判断逻辑，那么计数+1，符合多粒重叠种子的判断逻辑，那么计数+2，最终实现对落种数量的准确识别判断和计数。

2.根据权利要求1所述的播种监测装置，其特征在于：控制盒上安装有电源开关和复位开关。