玉米电驱排种质量在线评价系统

2022-05-11杨硕王秀谷趁趁

石河子大学学报（自然科学版） 2022年2期

杨硕，王秀，谷趁趁

(1 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；2 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

精密播种技术已经成为我国玉米播种的主要方式，少免耕环境下，为高质量播种带来挑战。玉米精密播种机类型[1-2]、播种控制方式[3-4]等因素影响，均影响着均匀播种效果。播种质量监测利用排种监测传感技术，能够对排种工况进行虚拟评价，有效保证播种质量[5]。排种监测传感技术是通过对排种状态的感应，获取播种质量信息，转换为信号输出的传感器技术。目前，排种监测传感技术主要包括基于高速摄像与图像处理[6-7]和基于光电感应[8-10]两方面。通过高速摄像和图像处理技术采集传送带上裸露的种子图像，利用图像处理技术进行排种器排种性能监测与评价，吴泽全等[11-12]利用地坑模式设计了可进行各种大中小型播种机排种器工作性能实时工况模拟的JPS-16播种机试验台。采用图像处理技术需要为摄像机提供一个光源可控且无振动的环境，而排种器结构紧凑、空间狭窄，播种机田间播种时易受到地表起伏、拖拉机振动等因素影响，使得图像获取精度难以保证，而使利用高速摄像和图像处理技术进行播种机播种性能在线监测系统的研发变得十分困难。

光电传感技术是通过发射端光源形成光场，接收端的光敏感元件感应光场强度的变化，转换为信号输出。LAN Y等[13]基于光电传感器设计了由LED与光电晶体管构成的光栅探测传感器，用于对直径较小的种子进行探测，监测的508粒甜菜等小颗粒种子时，漏探测的种子数量仅为2粒，对小颗粒种子达到了较高的探测精度，与用油脂传送带测量的种子间距测量结果对比，两者测量的粒距基本无差别；史智兴等[14]针对光电传感器光场覆盖率的问题，利用平面镜光路反射的原理，设计了红光半导体激光二极管和硅光电池组成的传感器，提高了不同体积大小的种子探测精度；张继成等[15]利用光敏元件设计了颗粒状物体的实时探测传感器，通过试验证明了对播种的监测精度达到96%以上。采用光电探测技术形成的排种探测传感器具有结构紧凑、影响迅速的优点，在玉米精密播种质量在线监测上具有巨大的应用潜力。

随着电动机驱动排种系统排种转速控制性能[16]和排种监测传感器在线探测准确性的不断提高[17]，急需对电驱排种与播种质量监测一体化系统进行整体研究。当前，农业装备标准总线通信模式成为目前农业装备的主要现场通信模式[18-19]，为适应我国玉米播种机电控系统的标准化通信研究提供了基础。由于缺乏播种智能监控装备总线通信协议制定的研究，使得电动机驱动排种的精密播种机播种质量集成系统可靠性和扩展性低，难以产业化发展。为解决上述问题，本文基于现场总线通信技术，拟开发电驱排种与播种质量集成系统，设计电驱排种质量评价软件，为研究车载电驱排种监控评价一体系统提供参考。

1 材料与方法

1.1 系统总体设计

为实现车载电驱排种质量评价，本研究以CAN通信作为现场通信总线，集成电驱排种功能、质量评价功能和标准信息交互功能，玉米电驱排种在线评价系统总体功能框图如图1所示。

图1 集成系统功能框图

双模式电驱排种控制功能通过上位机软件和排种驱动ECU(Electronic Control Unit, ECU)的信息交互实现，主要包括排种参数设置功能、支持现场标定和分段PID电驱排种双模式控制功能和电驱排种转速监测功能。其中，排种参数设置完成对播量、粒距等排种转速相关参数输入；电驱排种转速监测完成对排种器排种盘排种转速的监测功能。电驱排种双模式控制功能分别包括支持现场标定和分段PID电驱排种控制两种模式，主要由排种驱动ECU实现，在前期研究的基础上，本研究基于分段线性差值算法和分段PID电驱排种控制算法，设计2种电驱排种控制模式，该模式的切换功能通过上位机软件发送指令至排种驱动ECU实现。

播种质量评价通过上位机软件与排种监测集成控制器(排种监测ECU)的交互作用实现，主要包括车速、气压等播种环境参数监测功能，在该环境下实现播种粒数、播种粒距的监测[20]。

标准信息交互包括电驱排种质量评价CAN总线通信应用协议，在该协议下布置总线通信扩展接口，为系统各设备提供通信接口和标准信息交互依据，为扩展设备良好信息交互奠定基础。本文对上位机软件进行了优化设计，通过读取排种监测ECU监测的粒距信息，实现对播种质量的在线评价。

为完成上述系统功能要求，在前期研究基础上，通过硬件设备集成，玉米电驱排种在线评价系统硬件主要由显示终端、排种监测ECU、排种驱动ECU、车速测量模块、排种相关传感器、电驱排种单元组成，各控制器通过CAN总线通信交互，由车载电瓶提供电源，如图2所示。

排种驱动ECU以TTC32为主控器，使用CodeSys中ST语言进行编程，运行双模式电驱排种控制程序，通过对总线数据的解析获取排种目标转速控制指令，实现对电驱排种单元的驱动控制；通过排种驱动电动机转速监测传感器，实现对排种转速的监测。电驱排种单元以播种单体为载体，可以实现电驱播种行的扩展，通过排种驱动电动机完成对各播种行的排种控制。为了增强系统对机械式和气力式电驱排种器的适用性，增加气压传感器读取接口，用于对气吸式排种器的工作压力进行监测，保证气吸排种器工作压力的稳定，防止因气体压力低造成漏播的情况发生。排种监测ECU与排种监测传感器、气压传感器连接，用于对玉米精密排种器工作状态、播种粒数、播种粒距等排种参数进行监测，将相关信息按照总线通信协议上传至CAN网络。车速测量模块接收地轮测速时的转速编码器信号，或GNSS天线输出的车速信息，转换为CAN数据发送至总线网络。显示终端运行上位机软件，通过USB/CAN转换模块连接至CAN网络，完成总线信息的采集、解析、显示和发送，由于集成系统设备较多，整个系统设置应答机制，上位机软件按照固定时间间隔向排种驱动ECU、排种监测ECU以及车速测量模块进行寻址，当无应答时，上位机软件调出消息窗口，提醒用户设备丢失，实现对总线挂载设备管理。

图2 系统硬件组成示意图

1.2 排种监测ECU硬件设计

排种监测ECU稳定的排种信息采集时系统电驱排种质量评价的重要基础，对排种监测ECU进行硬件端口定义和总线线束设计，如图3所示。排种监测ECU基于STM32控制板开发，通过LM2596S稳压模块实现车载电源DC12V至控制板工作电压DC3.3V的转换。STM32控制板具有双路CAN接口，收发电路基于TJA1050芯片，支持CAN 2.0A和CAN 2.0B，利用CAN1通讯端口连接至总线网络；此外，STM32控制板具有两路TTL串口，通过UART1对控制器进行程序下载，通过UART2与气压传感器通信获得气体压力。通过GPIOC端口读取响应频率范围为0～4 kHz的PC817隔离模块处理后的排种监测传感器信号。最后，将车载电源接口、485通讯接口、CAN1接口、排种监测传感器、车速编码器接口以及UART1下载端口与总线线束连接，总线线束分成程序下载端口、CAN通讯端口以及由485接口和排种监测传感器信号线组成的信号连接端口，实现与系统电气连接。

图3 排种监测ECU硬件组成

1.3 电驱排种质量在线评价软件设计

1.3.1 排种质量在线评价软件界面

玉米精密播种机播种质量在线评价软件采用VS2010软件MFC框架编写，具备播种质量进行评价、电驱排种控制、播种机工作状态监测等功能。通过建立与基于STM32的排种监测ECU、与基于TTC32的排种驱动ECU的2个通讯协议，对电动机驱动精密播种机播种参数设置、播种状态监测和排种质量评估，通过对文件读写操作，完成初始设置参数的本地存储，排种质量评价参数在线显示、本地存储和历史数据查询的功能。该系统通过USB/CAN转换模块与总线连接，完成下位机通信。该评价软件的主界面如图4所示。

图4 软件操作界面

图4中，通讯串口号设置区用于串口开关和串口选择，系统默认通讯参数为9 600 bps、N、8、1；参数设置区用于对质量评价目标种数和行距、粒距、等参数设置；作业参数监测包括车速监测、排种盘理论转速、理论播种量、气压、单路排种器排种量、播种机总排种量，排种盘实时转速和各路实时播种粒距采用进度条的方式进行显示，当粒距出现漏播时，对应进度条颜色由绿色变为红色。播种机总排种量为6路排种器排种粒数的总和；实时粒距为排种监测ECU发送至总线的粒距值，作为软件质量评价的依据。“开始评价”按钮用于播种质量评价启停控制；质量评价结果通过List Control控件显示，将目标粒数、排种合格指数、漏播指数和重播指数按照序号和系统接收时间进行在线列表显示；“保存”按钮实现质量评价结果本地存储至“*.csv”文件，具体过程如下：利用CFile类打开默认命名*.csv文件，默认命名为系统存储文件的时间，读取List Control控件中显示的字符，按行依次进行保存，保存完成后，关闭文件，实现播种质量评价结果的保存；“查看历史数据”按钮，实现对应保存文件在List Control控件中的显示。

1.3.2 总线数据解析程序

数据交互时，上位机通过CSerialPort类对串口数据进行数据收发。数据解析的程序流程见图5。

图5 总线数据解析程序流程

通过串口通讯接口与USB/CAN转换器连接，将总线数据转换为串口数据由软件接收，USB/CAN转换器的输出模式设定为包模式，数据格式如表1所示。该模式下串口数据长度固定16 bytes，数据不足自动补0，包首标识固定为AA，扩展帧标识、远程帧标识和有效数据长度分别用1byte数据位标识，识别ID用于对包数据进行分类判别，数据位长度为8 byte。通过对上述包模式格式的接收解析和发送，用户可以进行CAN数据发送和接收。串口接收到数据后，判断包头是否为AA，若为AA，判断串口接收数据长度是否达到16 bytes，若达到，则按照USB/CAN转换器包模式定义，截取数据识别ID，判断总线通信协议，截取数据位，进行数据类型转换，由16进制转换为十进制数据。例如，接收的气压传感器数据时，总线数据包发送数据范围为0～2 000的整数，对应压力范围为-20～20 kPa，气压总线包数据传送值与实际气压值的转换关系为

Pr=(Pt-1 000)×0.02，

(1)

式(1)中Pt为气压总线包数据传送值；Pr为实际气压值，kPa。

数据发送同样按照表1中规定的总线数据包格式，识别ID和数据位根据指定的总线通信协议向外发送，数据收、发转换完成后，通过刷新编辑框，完成各个监测参数的更新，直至串口关闭，程序结束。

表1 USB/CAN转换器包模式数据格式

1.3.3 播种质量评价程序

根据总线接收的粒距更新值，实现对播种质量的在线评价，程序流程如图6所示。

播种质量评价程序启动后，根据接收的粒距更新值，对粒距所属理论粒距划分等级进行判断，判断方法依据国标GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》中规定，将播种粒距根据理论粒距L(cm)划分为小于等于0.5L、0.5～1.5L、1.5～2.5L、2.5～3.5L、大于3.5L共5个等级，质量评价目标粒数范围内，上位机软件对排种监测ECU监测的播种粒距。按照上述5个等级进行分类，分别统计各个粒距区间段内的种子粒数，记为n1、n2、n3、n4、n5，则质量评价种子粒数为：

Nt=n1+n2+n3+n4+n5，

(2)

式(1)中Nt是质量评价种子粒数，粒。

判断Nt是否达到播种质量评价目标粒数，若到达，计算理论粒距的区间数为：

N′=n2+2n3+3n4+4n5，

(3)

式(2)中N′是区间数，个。

最终获得播种质量评价指标为：

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中QTFI为合格指数，%；MISS为漏播指数，%；MUL为重播指数，%。

将播种质量评价结果按照序号、完成时间、质量评价种子粒数、合格指数、漏播指数和重播指数的顺序，逐行显示在列表控件中。显示完成后，判断串口开关是否结束，若未结束，则按照上述流程，循环进行播种质量评价(图6)。

图6 播种质量评价程序流程图

1.4 播种总线通信协议设计

ISO 11783基于CAN2.0B标准，一般包括拖拉机总线和农业机具总线，建议遵守物理层规定，由ISO 11783—2∶2014规定通信速率为250 kb/s，通信线缆为4芯绞线，其中2芯绞线用于传到CAN信号，另外2芯作为总线终端电阻电源连接线。参照ISO 11783—7∶2014应用层协议对某些通用量的规定，如表2所示。基于地速和距离的数据帧建议PGN为00FE49，优先级为3，更新速率为100 ms，Byte 1～2表示车速，分辨率为0.001(m/s)/bit，范围为0～64 255 m/s；Byte 3～6表示行驶距离，分辨率为0.001 m/bit，范围为0～4 211 081 215 m；Byte 7为保留位；Byte 8中1～2 bits表示行驶方向，00表示倒车，01表示向前行驶，10表示出错提示，11表示不可用，后3～8 bits为保留位。

表2 播种总线报文数据场协议

根据上述规则，针对6行玉米精密播种机，电驱排种监控评价系统PGN地址分配如表3所示，完成系统主要监测量和控制量的总线协议定义，其中，控制量的优先级定为3，监测量的优先级定为6。

表3 系统PGN地址分配

根据设定的PGN标识，系统数据场协议规定为：PGN为00FF01、00FF02两个单帧报文负责传送1～6行排种盘反馈转速，单路排种盘反馈转速数据长度为Byte 2，分辨率为0.01(r/min)/bit，范围为0～655.35 r/min，其中，00FF02报文的Byte 5～8为保留位，便于扩展；PGN为00FF03、00FF04两个单帧报文负责发送1～6行排种盘设定转速，单行排种盘设定转速数据长度为Byte 2，分辨率为0.01(r/min)/bit，范围为0～655.35r/min；00FF04报文的Byte 5～8为保留位；00FF05报文表示监测1～6行粒距，粒距数据长度为1 byte，分辨率为1 cm/bit，范围为0～255 cm，7～8 Bytes为保留位；00FF06报文表示监测气体压力，分辨率为0.01 kPa/bit，范围为-327.67～327.67 kPa；00FF07报文为播量计数开关，0x00为关闭，0x01为启动；00FF08报文表示1～6行播种粒数反馈，周期为1 000 ms，单行粒距数据长度为Byte 1，分辨率为1粒/bit，范围为0～255粒，Byte 7～8为保留位；00FF09报文表示播种质量评价参数设定，Byte 1表示质量评价启停，0x00为停止，0x01为启动，Byte 2表示播种质量评价周期粒数，分辨率为1百粒/bit，范围为0～255百粒，Byte 3为理论粒距，分辨率为1 cm/bit，范围为0～255 cm，Byte 4～8为保留位；00FF0A～00FF0F报文表示1～6行播种单体播种质量评价结果反馈，Byte 1～2表示反馈的质量评价周期粒数，分辨率为1粒/bit，范围为0～65535粒，Byte 3～4为合格率，分辨率为0.01%/bit，范围为0.01～100.00%，同理Byte 5～6为漏播率，Byte 7～8为重播率；00FF10为支持现场标定的电驱排种标定程序参数报文，Byte 1为标定程序开关，0x00为关闭，0x01为开启，Byte 2～3为标定模拟量初值，分辨率为1 mV/bit，范围为0～65 535 mV，同理Byte 4～5为标定模拟量峰值，Byte 6～7为转换系数，范围为0～65 535，Byte 8为保留位；00FF11报文为转速标定结果反馈，通过多包发送的方式，将10组包含控制信号和标定转速的组合点向总线发送，单帧的Byte 1为分段标识，分段标识1表示发送的转速标定组合点1～2，Byte 2～3为控制信号1，分辨率为1 mV/bit，范围为0～65 535 mV，Byte 4为标定转速1，分辨率为1(r/min)/bit，范围为0～255 r/min，同理控制型号2(Byte 5～6)和标定转速3(Byte7)，Byte 8为保留位，分段标识2～5依次类推；00FF12为电驱排种开关，Byte 1表示电驱排种开关，0x00为关闭，0x01为启动。

2 电驱排种质量在线评价性能试验与结果分析

在北京农业智能装备技术研究中心实验室进行系统性能试验，包括系统播量计数监测精度和排种质量评价性能两个方面。选取河北农哈哈机械集团有限公司勺轮式排种器进行系统电动机驱动排种(图7)，勺轮排种器排种盘有18勺，排种驱动电动机选用型号HST57BLD95-75，配减速器型号1∶50涡轮蜗杆减速器。试验时，勺轮式排种器由固定架支撑，电驱排种系统对排种驱动电动机控制进行现场标定，获得排种盘稳定工作范围为5～30r/min。试验过程中，设定模拟车速范围为3～8 km/h，以1 km/h间隔递增，系统读取导种上安装的排种监测传感器信号进行播种数监测精度和电驱排种性能评价，同时采集各个车速下种子收集盒内的种子粒数，作为实际播种粒数值。

图7 电驱勺轮排种单元

播种粒数监测时，每个车速值下重复采集3次播种粒数，对播量计数监测精度进行试验，试验结果(表4)显示：随着车速的增加，系统对播量计数的平均监测精度波动范围小于1%，平均监测准确率最小为99.18%，标准差为0.83%，系统播量计数总体监测准确率平均为99.53%，标准差为0.58%，证明了系统对播量计数具有较高的监测精度。