CN114651580B - 一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，包括甘蔗漏播检测装置和数据处理终端；甘蔗漏播检测装置安装在甘蔗播种机的出种滑道侧挡板外侧，甘蔗漏播检测装置与数据处理终端采用无线数据传输；甘蔗漏播检测装置包括三轴加速度传感器、微控制单元、无线通信模块和电源；微控制单元分别与三轴加速度传感器、无线通信模块和电源连接；数据处理终端负责对甘蔗漏播检测装置不断发送的数据进行监测，掌握实时的播种质量，实现对甘蔗漏播的实时自动监测，提高检测的准确率，并且避免了甘蔗漏播检测装置阻挡甘蔗播种机向下落种。本发明可有效减少漏播现象，准确地对甘蔗漏播现象进行检测，实时掌握播种质量。

Description

一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统
技术领域
本发明涉及农业机械的技术领域，尤其是指一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统。
背景技术
目前，甘蔗播种机普遍存在漏播现象，是造成甘蔗产量较低的原因之一。甘蔗漏播需要等到甘蔗出芽后才能发现，然后才能补苗，对补苗的数量无法准确估计，对需要补苗的位置也无法预先知道，增加了补苗的成本和难度。现在大多数甘蔗播种机是人工喂入甘蔗，漏播无法避免；因此要研制一种甘蔗播种机漏播监测系统，以保证漏播能够及时发现，为日后补种提供技术支持。数据记录方便对播种情况有个直观的了解，包括播种数、漏播长度。目前国内外对甘蔗播种机漏播监测的方法主要有两个方面：计算机视觉方法和光电法。计算机视觉方法其对环境要求较高、成本昂贵、结构较为复杂，难以应用于田间实际作业的实时监测，而光电法在工作期间田间粉尘可能会对光敏器件附着，导致感光器件响应灵敏度下降，进而致使检测精度下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，可有效减少漏播现象，准确地对甘蔗漏播现象进行检测，实时掌握播种质量。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，包括：
甘蔗漏播检测装置，固定在甘蔗播种机的出种滑道侧挡板外侧的固定座上，用于采集落种产生的振动信号；其中，所述甘蔗漏播检测装置包括三轴加速度传感器、微控制单元、无线通信模块和电源，所述微控制单元分别与三轴加速度传感器、无线通信模块和电源连接，所述无线通信模块有两个，分别为发射模块和接收模块，所述发射模块固定在出种滑道侧挡板外侧，所述接收模块通过USB转TTL模块连接在数据处理终端上，当蔗段掉落到至预定位置时，所述接收模块能够通过无线接收发射模块发射的信号；
数据处理终端，与甘蔗漏播检测装置通过无线通信，负责对甘蔗漏播检测装置不断发送的数据进行监测，掌握实时的播种情况，通过检测到的振动信号时域波形的极大值判断甘蔗播种机是否播种，通过前后极大值之间的时间间隔判断是否漏播，并统计播种数和漏播长度，根据接收经纬度信息，通过计算甘蔗播种机行走速度来判断漏播位置。
进一步，所述甘蔗漏播检测装置所在固定座垂直地面90°固定在出种滑道侧挡板外侧，三轴加速度传感器安装于该固定座上，蔗段下落出种滑道会引起整个出种滑道振动，进而带动三轴加速度传感器测得三个方向的加速度，测得X轴方向加速度为甘蔗播种机前进加速度，测得Y轴方向加速度为甘蔗播种机作业过程中上下颠簸所形成的的加速度，测得Z轴方向加速度即为蔗段向下掉落撞击出种滑道形成的加速度，是否落种产生的振动加速度不同能够使系统精确识别出蔗段是否掉落。
进一步，所述数据处理终端具体执行以下操作：
a、输出显示三轴加速度传感器测得的X、Y、Z这3个方向的振动波形，并实时储存振动波形原始数据，即振动波形的幅值和时间；
b、设置Z轴振动波形极大值的阈值，超过阈值的极大值点个数为蔗段掉落个数，即为工作时间内甘蔗播种机的播种数，其中设置Z轴振动波形极大值的阈值的作用是滤除掉甘蔗播种机本身工作振动以及播种机前进阶段由于地面环境恶劣引起的振动；
c、在Z轴超过阈值的前后两个极大值点之间的时间间隔设置时间阈值，时间间隔超过阈值的时刻即为甘蔗播种机工作过程中产生漏播的时刻；
d、对甘蔗播种机工作时产生的波形极大值之间超过设定阈值的时间间隔进行记录和储存，再根据甘蔗播种机前进速度得出地块中发生漏播的长度，即为漏播长度；
e、在甘蔗播种机工作阶段，通过GPS模块进行经纬度信息的采集，并通过计算甘蔗播种机的行走速度，进而确定具体的漏播位置；
f、实时存储甘蔗播种机工作过程中发生漏播的长度和位置，实现及时发现种植过程中的漏播现象，方便日后进行补种。
进一步，所述三轴加速度传感器与微控制单元连接，并且采用IIC方式进行数据传输。
进一步，所述电源为集储电、升压、充电管理于一体的便携式设备；所述电源的储电介质采用锂电电芯；所述电源直接接在微控制单元的引脚上。
进一步，所述三轴加速度传感器采用ADXL345加速度传感器。
进一步，所述微控制单元采用STM32F103C8T6的32位微控制芯片。
进一步，所述无线通信模块为ZigBee无线通信模块。
进一步，所述甘蔗漏播检测装置配置有护罩，罩住整个甘蔗漏播检测装置，所述护罩与出种滑道之间形成相对封闭的检测空间。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明系统可通过蔗段下落对出种滑道碰撞产生的振动完成对数据信号的采集，并且可根据采集到的振动信号进行信号处理和分析，实现对蔗段下落过程进行实时监测，判断是否漏播，从而有效减少漏播现象，准确地对甘蔗漏播现象进行检测，实时掌握播种质量，值得推广。
附图说明
图1为本发明实施例的甘蔗播种机漏播监测系统的逻辑框图。
图2为本发明实施例的甘蔗播种机漏播监测系统的结构框图。
图3为本发明实施例的甘蔗漏播检测装置的电路结构图。
图4为本发明实施例的甘蔗漏播检测装置的安装侧视图。
图5为为本发明实施例的甘蔗漏播检测装置的安装示意图。
图6为本发明实施例的甘蔗漏播检测装置安装在甘蔗播种机后的的立体结构图。
标号说明：
1为刀片；2为刀辊；3为固定座；4为三轴加速度传感器；5为出种滑道；6为微控制单元；7为无线通信模块；8为电源；9为蔗段；10为护罩。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图4所示，甘蔗在播种时，甘蔗播种机一对带两个刀片1的刀辊2会以相向转动的方式。与此同时，通过人工喂入的方式，在橡胶圈的不断输送下，逐渐被刀片1切断，之后由下种箱逐渐通过出种滑道5摆放到沟当中。甘蔗在播种过程中，先着地的一面就将其看作是始端，而另外一端则可以被看作是末端。
在甘蔗播种机的出种滑道5侧挡板外侧设置一个甘蔗漏播检测装置实现对甘蔗漏播的自动化检测，该甘蔗漏播检测装置由三轴加速度传感器4、微控制单元6、无线通信模块7和电源8组成。
参见图1至图6所示，本实施例提供的一种基于碰撞振动监测的甘蔗蔗段播种机漏播监测系统，包括甘蔗漏播检测装置，还包括进行数据通信处理的数据处理终端(图中未画出)，所述甘蔗漏播检测装置与数据处理终端通过无线通信。
所述微控制单元6分别与三轴加速度传感器4、无线通信模块7和电源8连接。
所述甘蔗漏播检测装置固定于出种滑道5侧挡板外侧的固定座3上，用于采集落种产生的振动信号。
所述甘蔗播种机上设置有护罩10，所述护罩10罩住整个甘蔗漏播检测装置，即将三轴加速度传感器4、微控制单元6、无线通信模块7和电源8罩住；所述护罩10与出种滑道5之间形成相对封闭的检测空间。
所述无线通信模块7有两个，分别为发射模块和接收模块，所述发射模块固定在出种滑道5侧挡板外侧，所述接收模块固定在数据处理终端上，所示接收模块通过USB转TTL模块与数据处理终端相连，当蔗段9掉落到至预定位置时，所述接收模块能够通过无线接收发射模块发射的信号。
进一步的，所述三轴加速度传感器4为ADXL345，是一款完整的基于3轴加速度的检测装置；该三轴加速度传感器4工作环境电压2.0V至3.6V，宽温度范围(-40℃至+85℃)；通讯方式为SPI(3线和4线)和I2C数字接口；量程在-0.3V至+3.9V 10,000g；精度3.9mg/LSB，数据格式为16位二进制补码。
进一步的，蔗段9下落出种滑道5会引起整个出种滑道5振动，进而带动三轴加速度传感器4，测得三个方向的加速度，三轴加速度传感器4所在固定座3垂直地面90°固定在出种滑道5侧挡板外侧，测得X轴方向加速度为甘蔗播种机前进加速度，测得Y轴方向加速度为甘蔗播种机作业过程中上下颠簸所形成的的加速度，测得Z轴方向加速度即为蔗段9向下掉落撞击出种滑道5形成的加速度；是否落种产生的振动加速度不同使该系统能精确地识别出蔗段9是否掉落，实现最佳的检测效果。
进一步的，所示三轴加速度传感器4通过I2C总线通过SDA和SCL向微控制单元6传输加速度数据；I2C工作时分为主从工作模式，而在同总线上可以存在多个主机。每一个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址与总线连接，主机控制主机为发送器模式或是接收器模式。I2C总线有几种不同速率的工作模式，标准模式的速率为100kbps，快速模式下速率为400kbps，在高速模式下速率可达3.4Mbps。
进一步的，所述微控制单元6的主控芯片采用了STM32F103C8T6的32位微控制芯片；该芯片内核为ARM Cortex-M3，LQFP48封装，72M主频，板载8M晶振/RTC晶振，数据总线宽度32bit，程序存储器大小64K x 8bit，SRAM为20K x 8bit，ADC分辨率为12bit，以上的数据参数能满足本系统的工况要求，并且能够保证快速处理数据信号。
所述微控制单元6需要电源8供电，电源8为集储电、升压、充电管理于一体的便携式设备；储电介质采用锂电电芯；直接接在微控制单元6的引脚上。
进一步的，甘蔗漏播检测装置与数据处理终端之间采用无线通信模块7，即ZigBee方式进行无线通信，能实现近距离的低功耗通信，适合田间通信。
无线通信模块7为ZigBee无线通信模块，发射模块与微控制单元6的引脚相连，一同固定在固定座3上，接收模块引脚与USB转TTL模块端口相连，USB转TTL模块的USB串口与数据处理终端相连。
进一步的，ZigBee无线通信模块的芯片为CC2530，频率为2400～2450MHz，发射功率为4.5dBm，传输速率最高3300Bps，通信距离250米，点对点通信模式下，DL-20无线通信模块7使用协商式Mac协议，可双向同时高速收发。点对点传输带有确认，数据丢失率为0.00％。
进一步的，USB转TTL模块的芯片采用CH340G，不会出现由于不同的驱动、不同的电脑导致不兼容现象；不仅有PWR，还有TXD和RXD指示灯，直观了解模块是否在工作。
进一步的，USB转TTL模块将数据信息传输给数据处理终端，数据处理终端上软件采用的是Lab-view图形化语言，开发周期短、可靠性高，被广泛地应用于工业界、学术界和研究实验室，设计的软件具有系统设置、数据采集、数据分析、数据存储、波形显示等功能。数据分析包括时域分析等。在甘蔗播种机作业环境下，为更全面的进行识别，对三轴加速度传感器4的X、Y、Z这3个方向的振动信号采集并长期监测，具体如下：
输出显示X、Y、Z这3个方向的振动波形，并实时储存振动波形原始数据，即振动波形的幅值和时间。
设置Z轴振动波形极大值的阈值，超过阈值的极大值点个数为蔗段9掉落个数，即为工作时间内甘蔗播种机的播种数；其中，设置Z轴振动波形极大值的阈值的作用是滤除掉甘蔗播种机机器本身工作振动以及播种机前进阶段由于地面环境恶劣引起的振动。
要在Z轴超过阈值的前后两个极大值点之间的时间间隔设置时间阈值，时间间隔超过阈值的时刻即为甘蔗播种机工作过程中产生漏播的时刻。
对甘蔗播种机工作时产生的波形极大值之间超过设定阈值的时间间隔进行记录和储存，再根据甘蔗播种机前进速度得出地块中发生漏播的长度，即为漏播长度。
在甘蔗播种机工作阶段，通过GPS模块进行经纬度信息的采集，并通过计算甘蔗播种机的行走速度，进而确定具体的漏播位置。
进一步的，数据处理终端上能够实时存储甘蔗播种机工作过程中发生漏播的长度和位置，能够及时发现种植过程中的漏播现象，方便日后进行补种。
综上所述，本发明系统通过蔗段掉落时引起的出种滑道振动实现对甘蔗漏播的实时自动监测，提高检测的准确率，并且避免了甘蔗漏播检测装置阻挡甘蔗播种机向下落种，不仅自动化程度高，降低人力成本，而且检测准确度高，能够准确地判断蔗段是否掉落，从而正确判断出是否发生漏播。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，包括：
甘蔗漏播检测装置，固定在甘蔗播种机的出种滑道侧挡板外侧的固定座上，用于采集落种产生的振动信号；其中，所述甘蔗漏播检测装置包括三轴加速度传感器、微控制单元、无线通信模块和电源，所述微控制单元分别与三轴加速度传感器、无线通信模块和电源连接，所述无线通信模块有两个，分别为发射模块和接收模块，所述发射模块固定在出种滑道侧挡板外侧，所述接收模块通过USB转TTL模块连接在数据处理终端上，当蔗段掉落到至预定位置时，所述接收模块能够通过无线接收发射模块发射的信号；
数据处理终端，与甘蔗漏播检测装置通过无线通信，负责对甘蔗漏播检测装置不断发送的数据进行监测，掌握实时的播种情况，通过检测到的振动信号时域波形的极大值判断甘蔗播种机是否播种，通过前后极大值之间的时间间隔判断是否漏播，并统计播种数和漏播长度，根据接收经纬度信息，通过计算甘蔗播种机行走速度来判断漏播位置；
所述甘蔗漏播检测装置所在固定座垂直地面90°固定在出种滑道侧挡板外侧，三轴加速度传感器安装于该固定座上，蔗段下落出种滑道会引起整个出种滑道振动，进而带动三轴加速度传感器测得三个方向的加速度，测得X轴方向加速度为甘蔗播种机前进加速度，测得Y轴方向加速度为甘蔗播种机作业过程中上下颠簸所形成的加速度，测得Z轴方向加速度即为蔗段向下掉落撞击出种滑道形成的加速度，是否落种产生的振动加速度不同能够使系统精确识别出蔗段是否掉落。
2.根据权利要求1所述的一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，所述数据处理终端具体执行以下操作：
a、输出显示三轴加速度传感器测得的 X、Y、Z 这3个方向的振动波形，并实时储存振动波形原始数据，即振动波形的幅值和时间；
b、设置Z轴振动波形极大值的阈值，超过阈值的极大值点个数为蔗段掉落个数，即为工作时间内甘蔗播种机的播种数，其中设置Z轴振动波形极大值的阈值的作用是滤除掉甘蔗播种机本身工作振动以及播种机前进阶段由于地面环境恶劣引起的振动；
c、在Z轴超过阈值的前后两个极大值点之间的时间间隔设置时间阈值，时间间隔超过阈值的时刻即为甘蔗播种机工作过程中产生漏播的时刻；
d、对甘蔗播种机工作时产生的波形极大值之间超过设定阈值的时间间隔进行记录和储存，再根据甘蔗播种机前进速度得出地块中发生漏播的长度，即为漏播长度；
e、在甘蔗播种机工作阶段，通过GPS模块进行经纬度信息的采集，并通过计算甘蔗播种机的行走速度，进而确定具体的漏播位置；
f、实时存储甘蔗播种机工作过程中发生漏播的长度和位置，实现及时发现种植过程中的漏播现象，方便日后进行补种。
3.根据权利要求1所述的一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，所述三轴加速度传感器与微控制单元连接，并且采用IIC方式进行数据传输。
4.根据权利要求1所述的一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，所述电源为集储电、升压、充电管理于一体的便携式设备；所述电源的储电介质采用锂电电芯；所述电源直接接在微控制单元的引脚上。
5.根据权利要求1所述的一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，所述三轴加速度传感器采用ADXL345加速度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，所述微控制单元采用STM32F103C8T6的32位微控制芯片。
7.根据权利要求1所述的一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，所述无线通信模块为ZigBee无线通信模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于碰撞振动监测的甘蔗播种机漏播监测系统，其特征在于，所述甘蔗漏播检测装置配置有护罩，罩住整个甘蔗漏播检测装置，所述护罩与出种滑道之间形成相对封闭的检测空间。
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