郎 朗，冯晓蓉

(重庆三峡职业学院，重庆 万州 404100)



水稻直播机播种自动控制系统设计与应用

郎 朗，冯晓蓉

(重庆三峡职业学院，重庆 万州 404100)

水稻生产在在我国农业经济中占有重要的地位，随着城镇化进程的加快、农村的劳动力减少和淡水资源的日益缺乏，水稻直播技术应运而生。为此，针对目前国内水稻直播机无法实现均匀播种的问题，设计了一种水稻直播机的播种自动控制系统。该系统由播种量采集装置、速度检测装置、播种量调节装置和报警装置4个部分组成，采用ST188型红外光电传感器，检测单位时间内经过排种管的种子数量；通过YS41F型霍尔元件计算拖拉机行进速度；用AT89C51型单片机接收采集的播种量和速度信息，计算分析实际播种速度与设定值的差异，然后向调节装置森创110BYG250C型步进点机发出指令。当实际播种速度的偏离值超出允许的误差范围时发出警报，通过单片机输出，采用声音加指示灯闪烁报警。对该系统自动控制条播机进行田间旱直播研究，对播种后的水稻株距、株距范围及水稻产量数据分析发现：与手动控制相比较，该播种自动控制系统在拖拉机不同行进速度下，水稻播种精确度较高，水稻植株分布均匀，水稻产量高。

水稻；直播机；自动控制

0 引言

水稻是亚洲国家主要的粮食作物，是世界上1/2人口的主食。我国水稻的种植面积仅次于印度，居世界第二，而年产量居世界第一。在我国，北至黑龙江，西到新疆，只要有灌溉条件的地区，都有一定规模的水稻种植。水稻生产在在我国农业经济中占有重要的地位，因我国人口众多，农业生产一直是我国的主要产业，而水稻的高产稳产更与国民生计息息相关。

传统的水稻种植模式需要育秧和移栽，过程繁琐，不仅耗时费力，还要消耗大量的水资源。随着城镇化进程的加快，我国农村的劳动力逐渐向城镇其他行业转移，加之人口老龄化和淡水资源日益缺乏，水稻种植模式亟需从传统农业向现代农业转变。在种子处理技术、高效整地机械和高效除草剂的支持下，水稻的直播技术应运而生。

水稻直播是一种轻简化的栽培技术，省去了育秧、起秧、移栽等过程，能节水20%左右，还能够节约劳动成本、提高生产效率和实现增产增收，很好地适应了水稻种植方式发展的趋势。目前，水稻的直播技术已经形成了多种形式共存的局面，如旱直播和水直播、干谷直播和芽谷直播、条播和穴播等，它们在前期的田块整理和后续的栽培管理上也有各自不同的方式[1-2]。

随着农村的劳动人口的减少和人们生活水平的提高，人们对农业生产效率和农产品质量有了更高的要求，实行农业机械化是解决上述问题的有效途径。水稻的机械化直播技术适合大规模化生产，对节约人力资源和增加水稻产量具有重要的意义[3]。欧美很多种植水稻的发达国家都较早地开始了这方面的研究，至今已经达到了很高的水平。美国实现了100%的机械化直播，其最高形式为飞机撒播，但这种方式对田块平整质量和种植规模要求较高[4-6]。农业机械化是我国农业现代化的重要内容，我国水稻直播机的研发起步较晚，但是进展迅速，目前已有多种型号的直播机应用到了生产中。代表性的型号有上海的SQ2BD-2型直播机、广西的2BD-10型小型直播机和江苏的2BDZ-10型直播机等[7]。水稻直播机按照不同的作业方式分为旱直播机和水直播机或者条播机和穴播机，分别应用于不同的生长条件和种子特性。

我国水稻种植中的使用的水稻直播机型号很多，存在的普遍问题是结构复杂，性价比和作业的精确度还有待提高。另外，单个型号的机械在实用性、精确性和高效性上都难以实现很好的统一，存在各自的短板[8]。目前，水稻直播机的一个主要的问题是无法实现均匀播种，即当播种机行进速度变化时，作业产生的株距会相应地改变，出现重播或漏播[9]。播种的一致性降低，导致水稻不能充分地利用田间的光照、温度、土壤营养资源，降低了单位面积上的稻谷产量。

本文基于精准农业的兴起和农业机械化技术的发展，结合全球定位、传感和集成分析技术，设计了一种水稻直播机的直播自动控制系统，并对其在田间的实用性和精确度进行了试验，以期提高水稻直播作业的质量和效率，促进水稻直播机械化的发展。

1 原理及结构

1.1 总体设计

本研究中使用的农用机械为东方红550型轮式拖拉机，标准输出功率为55kW。牵引的直播机为江苏的2BG-6A型条播机，作业幅宽1.2m，条数6条，播种行距20cm。拖拉机上装载GPS定位器、操作显示屏和速度检测装置。直播机上装载播种量采集装置和步进电机，其驱动的螺丝杆与调节排种管凹坑长度的连杆相连。光电感应装置分布在排种管的两侧。该直播机自动控制系统的组成和结构如图1所示。

图1 直播机自动控制系统的组成和结构

1.2 原理

直播机按照机载的全球定位系统制定的路线在田间行进，根据水稻品种特性和种植要求在操作显示屏上设定直播密度，即水稻植株的间距。种子经过排种管播到田间时，被红外光电传感器转化为电脉冲信号，以此计算播种的速度。通过霍尔元件获取拖拉机的行进速度，再根据播种的速度计算出播种的密度，并与预设值比较；然后，根据二者数据的差异发出指令，启动步进电机正反转动，调整排种轮上的凹坑长度，使其容纳的种子数目改变，从而达到控制播种密度的目的。若出现卡种等意外情况，导致无法达到设置的播种密度，则启动报警装置，提醒人工排除故障。

2 系统组成

整个水稻直播控制系统主要由播种量采集装置、速度检测装置、播种量调节装置和报警装置4个部分组成。

1)播种量采集装置为ST188型红外光电传感器，用于检测单位时间内经过排种管的种子数量。种子经过排种管播到田间时，被红外光电传感器捕捉，转化为1个电脉冲信号，经过放大和过滤后传输到信号处理模块中。

2)速度检测装置是安装在拖拉机上的YS41F型霍尔元件，用来采集离合器输出轴转动时产生的脉冲信号，然后输入信号处理模块中，计算行进速度。信号处理模块是AT89C51型单片机，用来接收采集的播种量和速度信息，计算分析实际播种速度与设定值的差异，然后向调节装置发出指令。

3)播种量调节装置是森创110BYG250C型步进电机，其驱动一根螺丝杆来调节排种管凹坑长度，从而调节播种量。

4)报警装置在实际播种速度的偏离值超出允许的误差范围时发出警报，通过单片机输出，采用声音加指示灯闪烁报警。拖拉机上装载的操作显示屏用于显示和设定实时播种速度及其它相关数据。

3 田间试验与结果

3.1 水稻材料

试验于2015年在重庆市梁平县进行，所用水稻品种为连粳3号。该品种为中熟中粳稻，苗期耐寒，早生快发，分蘖力强，适合在中上等肥力条件下种植。种子经过前处理，然后进行干谷的旱直播。

3.2 试验设计

试验田块位于平原区，灌溉设施完善，面积为0.3km2，前作物为油菜，耕深18cm，用大型机械整理平整。

安装自动控制系统的拖拉机牵引条播机在试验田中沿直线行驶，同时进行水稻播种作业。播种深度3cm，株距分别设定为1.5、1.7、1.9cm；每个深度重复作业3次，每次的行驶距离为50m，行进过程中适当改变速度但维持在0.8～1.0m/s之间。最后，改为手动控制的状态，同样重复作业3次。水稻出苗后在每个重复的行驶路线上均匀地选择6个2m的线段测量水稻株距，待水稻成熟后对不同播种方式的水稻分别收获测产。

3.3 试验结果与分析

在自动控制和手动控制条件下，拖拉机牵引的条播机播种作业后，水稻的实测株距、水稻产量数据如表1所示。

根据表1数据作图，直播机在不同株距的自动控制条件下和手动控制条件下的水稻产量变化如图2所示，水稻实测株距变化如图3所示。

表1 播种机在不同控制状态下的播种株距和产量

* 相同字母表示数据间无显著差异。

图2 不同控制条件下的直播机实测株距变化

图3 不同控制条件下的水稻产量变化

由表1和图2可以看出：条播机在自动控制状态下，即使拖拉机的行进速度发生变化，水稻的株距都符合设定值，株距的范围也很集中，表现出较高的精确度。从田间状况来看，水稻植株分布均匀，没有出现稻苗过度集中或者空缺的田块，水稻生长态势较均一。在手动控制状态下，播种株距虽然能被控制在2.0cm左右，但是一致性较差，株距的变化范围达到0.25cm，与自动控制状态相比精确度较低，田间出现了少数稻苗过于集中或者空缺的田块，水稻生长态势不均一。

由表1和图3可以看出:条播机在自动控制状态下，水稻产量符合预期，3种株距播种的水稻产量之间没有显著的差异；而手动控制状态下水稻产量与自动控制相比有所降低，达到了显著差异水平。

4 结论

后续的产量测定结果表明：采用该直播自动控制系统后，直播稻的产量比其它田块中有所提高，可能是精确播种的水稻植株分布均匀，通风透光性更好，土壤中营养成分得到充分利用，使得水稻整体得到了充分的生长空间和营养，从而实现了增产。该试验中用的水稻品种连粳3号粒型大，呈椭圆形，直播机的排种轮凹坑容纳的种子粒数较少。若改播粒型较小的籼稻品种时，凹坑的容量会增加，因此需要更改系统相应的设置。

我国水稻种植面积广阔，实现水稻播种机械化，有利于减少水稻生产上投入的人力和时间，降低生产成本，并达到水稻增产的目的。当前，水稻的机耕面积和机收面积在逐年增加。若要实现水稻生产的全程机械化，因地制宜地推进机械化直播已是刻不容缓。本文设计的水稻直播自动控制系统，改善了直播机播种精确度这一重要的性能，使其能更好地满足水稻生产要求，具有较广阔的应用前景。

[1] 尹海燕,孟艳平.水稻机械直播技术发展现状[J]. 农业科技与装备，2014(7):79-80.

[2] 王利强，吴崇友，高连兴，等.我国水稻机械种植现状与发展机直播的研究[J].农机化研究，2006(3):28-30.

[3] 何喜玲，王俊.水稻机械直播技术综述[J].中国农机化，2003(1):23-25.

[4] 高一铭，闫涛，刘文杰.国内外水稻直播机械化研究进展[J].农业科技与装备，2013(1):28-29.

[5] 李珣，苗立新，刘忠卓，等.水稻直播技术的发展现状及研究进展[J]. 北方水稻，2013，43(1):78-80.

[6] 吴文革，陈烨，钱银飞，等.水稻直播栽培的发展概况与研究进展[J].中国农业科技导报，2006，8(4):32-36.[7] 许恩龙，夏孝勤，施祺琪，等.我国水稻直播机发展现状与对策研究[J].安徽农业科学，2013,41(21):9136-9137,9158.

[8] 赵丽清.精准播种自动控制系统的设计 [J].农机化研究，2009，31(9):114-116.

[9] 花有清，黄敏，苏红富，等.水稻直播机播种自动控制系统的设计[J].农机化研究,2010,32(1):96-98,101.

Abstract： Rice production in the country occupies an important position in the agricultural economy, with the accelerated process of urbanization, the rural labor force and to reduce the increasing scarcity of fresh water resources, rice direct seeding technology came into being. For the current domestic rice direct seeding machine can not achieve uniform sowing problem, a seeding system for the automatic control of rice direct seeding machine, the system consists of sowing rate acquisition means, speed detecting device, the seeding rate adjustment means and alarm means four parts, used within ST188 infrared photoelectric sensor to detect the unit time after seeding number of seed tube, calculate the traveling speed of the tractor by YS41F Hall element, receiving the seeding rate and velocity information collected by AT89C51 microcontroller to calculate the speed and analysis of the actual planting setting the difference value, and then issued a directive to the regulator woods create 110BYG250C stepping point machine. Alarm when the actual value deviates from sowing speed exceeds the allowable error range, the microcontroller output by using sound plus lights flashing alarm. The system of automatic control drilling machine dry direct seeding field research on rice spacing after sowing, spacing range, the rice yield data analysis found that compared with manual control, automatic control systems that seeding at different tractor traveling speed, precision seeding rice a high degree of uniform distribution of rice plants, and the rice yield is higer than the automatic control.

ID:1003-188X(2017)10-0153-EA

Rice Direct seeding Automatic Control System Design and Application

Lang Lang, Feng Xiaorong

(Chongqing Three Gorges Polytechnic College, Wanzhou 404100, China)

rice; live machine; automatic control

2016-09-22

重庆市教委科学技术研究项目(KJ1503401)

郎 朗(1983-)，男，重庆万州人，讲师，硕士，(E-mial)langlang0606@163.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)10-0153-03